水上应急救援模拟训练系统总体研究

金 浩，张英香，王吉武，宋煊懿，胡敏瑞，范 壮，金 晶

(1. 中国船舶集团有限公司第七一四研究所，北京 100101；2. 中国中小企业发展促进中心，北京 100082；3. 大连船舶重工集团有限公司，辽宁 大连 116005；4. 山东省蓬渤安全环保服务有限公司，山东 烟台 265600)

0 引 言

对于水上应急救援演练，传统的实际场地模型演练方式有着造价高、污染大、危险性极强、进程不易把握、演练内容单一等缺点。随着计算机虚拟技术的发展，由计算机整合模型库、案例库、应急知识库、方法库、图形库、装备库等数据库研发出的应急救援模拟训练系统[1-2]，能够综合模拟出灾害爆发场景、救援进展和事故态势等进程信息，不仅避免了传统演练造价高、内容单一的缺点，还能提高参与人员应急救援水平，便于组织者、参演方交互，对演练评估等，完全能达到比实际场地演练更好的演练效果。

应急救援模拟训练应当具备对各种类型训练试验进行模拟规划，实时显示失事船舶运动状态信息，并对动态模拟救援效果进行评估的能力。基于虚拟现实技术的水上应急救援模拟训练是提高模拟救援水平的重要支撑。

为提高水上应急救援模拟训练质量，确实达到复杂状况下实施应急救援作业的能力要求，本文聚焦我国水上应急救援应对需求，探讨水上应急救援模拟训练系统概念和设计需求，构建水上应急救援模拟训练系统总体设计，分析其关键技术，并对水下应急救援模拟训练子系统设计。

1 水上应急救援模拟训练系统概念和设计需求

1.1 水上应急救援模拟训练系统概念

应急救援模拟训练也称为应急虚拟训练，指的是依托于实应急救援的虚拟现实仿真演练平台，全真模拟各类事故、灾害或事故现场，通过人机交互的操作对各项救援作业进行训练，对救援作业方案进行演练。按照国务院应急管理办公室印发《突发事件应急演练指南》的要求，结合各类应急救援的实际情况，大体可将整个模拟训练过程分为计划演练、记录过程、总结评估3部分，每一部分又包含很多具体的操作步骤。整个模拟训练需要模型库、案例库、应急知识库、方法库、图形库、装备库、标准库等数据库作为支撑，计算机根据训练进程要求，调用相关数据合成出整个应急事件爆发前后场景，根据参演人员的操作，自动调整灾害进程，最终达到演练预案、锻炼人员的目的。同时，训练过程中所应用到的知识、方法以及训练过程本身也可作为案例保存至知识库、方法库、案例库。水上应急救援模拟训练仿真系统[3]在保障应急救援作业人员安全、创新监管模式和提高应急救援作业人员水平等方面具有重要意义。

1.2 水上应急救援模拟训练系统设计需求

通过对“世越”号[4]、“东方之星[5]”、“重庆公交坠江[6]”等事故进行分析可知，水上应急救援涉及到救援过程、救援技术、救援装备和救援作业等各方面，整个救援流程较复杂，涉及面广，故迫切需要应急救援模拟训练系统对整个救援过程进行演练、对救援作业人员进行训练，以提高救援组织指挥、救援作业和辅助作业等各类人员的水平。模拟训练和综合演练能暴露出应急救援体系、作业流程和实际指挥作业等过程中所存在的问题，通过模拟训练来发现和解决水下应急救援作业中所存在的问题，进而进行流程和制度上的改进和优化。

水下应急救援模拟训练系统的设计需求包括救援任务可拆解，信息接口扩展灵活，数据传输带宽大，接入设备同步性强，以及系统安全性高。

1.2.1 救援任务可拆解

救援任务是指救援力量在救援中所要达到的目标及承担的责任。关于救援任务的行动方案就是一个目标任务集，任务由目标触发，并可以进一步分解为更小的任务，这些更小的任务对应于更低层次的目标，救援作业实体间通过协作实现救援目标从而完成救援任务。救援作业实体之间的交互过程构成了实现救援目标的救援情景。

1.2.2 信息接口扩展灵活

各类导航传感器、机舱信息传输设备、水声通信、探测设备、报警设备产生的信息由信息接口进行采集后，通过高速局域网络，提供给各信息显示与模拟训练操纵台，模拟训练操纵台对各种探测设备和救援船舶进行操纵，从而形成一套完整、统一的操纵控制环境，使救援指挥人员在视野无阻的中心工作位置方便地获得船舶、环境、气象及电子海图等信息。

1.2.3 数据传输带宽大

传感器模拟器模拟多类传感器信息，内容丰富、传输数据量大，占用带宽较多；声呐模拟器模拟声呐水听器生成的原始回波信号，并要将其通过网络传输给声呐设备，传输数据量大，占用带宽较多。

1.2.4 接入设备同步性强

多台视景通道计算机生成3D视频图像，需要各路通道输入数据传输的实时性强，才能保障整体视频图像的同步，所需带宽传输速率高。

1.2.5 系统安全性高

仿真中心是为了可视化模拟多种类型大型水面船舶在海上的航行、事故及救援作业，对海上事故救援系统进行工程论证，对救援作业进行模拟训练，整个系统网络所传输数据应具有较强的保密性，对接入网络各设备应有实时监控，对异常情况应有相应的措施进行及时处理。

2 水上应急救援模拟训练系统总体设计

水上应急救援模拟训练系统顶层设计主要包括水上应急救援模拟训练系统的组成，系统各个组件的功能设计以及应急救援模拟训练系统架构、交互设计。

2.1 系统的组成

整个水上应急救援模拟训练系统[7]由模拟训练规划台、船舶（失事船舶和救援船舶）系统和视景系统3部分组成，如图1所示。

图1 平台系统构成Fig. 1 Platform system composition

模拟训练规划台控制着本模拟训练系统的正常运行，通过图形、对话框、菜单等简便的操作，为操作人员提供友好的操作界面。船舶系统包括失事船舶和救援船舶两部分，可实现同组协同对抗救援训练，也可以分组进行不同的练习，两类船舶之间设计由网络连接。视景系统采用柱面大屏幕五通道180°视角无缝拼接投影系统，可实现重建海上各种海况环境，如图2所示。

图2 应急救援陆上模拟训练实验系统示意图Fig. 2 Schematic diagram of land simulation training experiment system for emergency rescue

2.2 系统各组件功能设计

1）通过180°（或360°）的仿真视景演示，将数字化的港口及相关设施动态、逼真地展现在操作人员面前；

2）为救援作业提供高度逼真的救援作业体验，同时也可结合实物进行实物训练；

3）为复杂船舶模型提供有效的救援模拟训练；

4）生成图像声呐原始信号模拟源，通过声呐定位救援目标，同时也便于自研声呐系统的开发和功能指标验证；

5）发送应急救援所需的导航信息、环境信息、气象信息；

6）提供各种船舶操纵设备、告警设备的操作；

7）支撑应急救援系统及相关设备的仿真测试、系统联调。

2.3 应急救援模拟训练系统架构

模拟训练作为应急救援的的数字化表现，具备对船舶建模、管理、演进的能力，是实现应急救援远程支持的重要技术手段。重点研究模拟训练系统架构、交互关系、运行模式等设计与分析验证技术。设计开放性好、兼容性强的服务架构，兼顾与云计算技术、大数据技术、人工智能技术的有机融合，为应急救援模拟训练系统持续发展奠定技术基础，如图3所示。

图3 水上应急救援模拟训练系统架构Fig. 3 System structure of simulation training experiment for emergency rescue

3 水上应急救援模拟训练系统关键技术

3.1 船舶数字建模及实现技术

通过研究船舶实体和三维数字模型之间高通量数据互联互通、可视化增强交互、系统状态推演与测试等关键技术，解决船舶模型描述模糊、状态和运维管控数字化程度低、缺乏有效的船舶全生命周期数据支持等问题。同时构建模拟仿真系统，研究典型救援设备及系统、船体结构的实时健康状态及船舶航行操纵性能趋势，为实现以应急救援模拟训练为目标的性能评估、故障预测、远程操控等奠定基础。

3.2 数据库建设及管理软件开发技术

数据库包括基于海洋图形统计学原理生成的海面和海浪数学模型。数据库管理软件可通过通信接口模块连接仿真系统局域网，与船舶运动仿真工作站、任务工况编辑工作站和虚拟航海模拟视景显示系统进行数据交互。可对接收到的任务工况初始设置信息和船舶运动姿态信息，管理数据库相关数据，将航姿信息关联船舶数据库所选船模，通过集成处理后，将实时更新的仿真模型相关集成数据传送给虚拟航海模拟视景显示系统的视景通道生成装置。

数据库管理软件接收的输入数据主要包括船舶运动仿真系统的船舶运动姿态信息以及训练任务工况初始设置信息。

数据库管理软件的输出数据主要包括集成处理后的仿真模型集成信息。

3.3 综合环境信息与应用数据集成技术

水上搜救业务流程涉及环境、作业装备、失事船舶状态等大量异构信息数据，为了进行模拟训练，需要对所有异构信息数据进行同化和集成，构建遇险接警、评估、决策、搜救执行等全业务信息链，为搜救作业模拟训练的决策控制支持提供数据信息输入。

数据信息包括：海况、气象数据、地图、地形相关数据、AIS/VTS/GPS等位置数据、有关探测、实测数据、本项目涉及设备功能数据信息输入、浮标、模拟假体、失事船舶状态以及其他海上监测设备涉及的功能数据等。

异构数据信息的同化与集成应用是模拟训练控制支持系统的重要数据输入之一，也是模拟训练系统真正能发挥作用的前提保障。该部分没有特定专项技术层面的要求，主要是大量功能性数据的同化和集成，但对不同要求的系统，必须结合各类型数据的实际需求，进行整合、同化和集成。

3.4 应急救援模拟训练系统状态推演及优化算法

应急训练模拟系统可以对自身的各种能力实现迭代和优化，可随时复现船舶系统任一时刻的状态，并可根据认知机理和规则推演或仿真未来时刻的“假设”场景，并预判其状态。重点研究通过建模、数据采集、处理计算等方式将实体或逻辑对象在数字空间实现全生命周期的动态复制，通过丰富的历史和实时数据，利用先进算法模型实现对实体或逻辑对象实现数字化表征，进而达到对船舶运行状态深入认知、正确推理和精准操作，实现故障预测、健康管控、安全运维、事故救援等功能，提升模拟训练系统智能化水平。

4 水下应急救援模拟训练子系统

水下应急救援模拟训练系统为复杂水域事故现场环境态势快速探测、应急救援装备快速展开、应急救援作业快速开展提供技术支撑。通过数据采集、数据融合处理、三维场景复现这一系列过程，将水域环境、目标信息、作业方案、救援进展等内容完整而又简明地呈现在参与训练者和训练控制决策者面前，并且更加直观。

针对船舶翻扣救助、浑浊水域ROV辅助作业、水下狭窄空间探摸等典型场景模拟训练的需求，完成典型场景的再现重构，实现水上应急救援人员对应急场景的模拟训练。

4.1 翻扣船舶模拟训练系统

翻扣船舶人员救助有一定的特殊性。一旦船舶发生翻扣事故，不仅随时有倾覆沉没的危险，同时舱内的空气逐渐减少，密封舱室处在极度黑暗之中，遇险人员承受着巨大的心理压力。由于船舶处于翻扣状态，遇险人员只能躲藏在最低的舱室，而船底部结构比较复杂，给潜水救助或开洞救人带来较大难度。因此必须有较为完备的应急预案，尽可能详细地了解遇险船舶信息，如船舶结构、人员情况、水文信息等。

系统地采取防倾覆措施，究其根本离不开安全科学的“人、机、环境、控制（管理）”四大要素，对每个要素采取本质化的安全措施，按计划进行经常持久、形式多样、内容丰富且有重点的培训和学习，能有效提高船员职业素质，规范船员操作，消除不安全行为，有效地预防和减少倾覆事故的发生。应急模拟训练系统使船员能综合运用有关知识和技能，熟悉群体配合，防止意外发生。模拟训练是减少倾覆事故发生的主要手段和措施。

根据翻扣船舶信息模拟功能的需要，配备传感器集成模拟设备、船舶装置模拟台、船舶状态模拟装置和船舶安全作业（固定和打孔）装置模拟器，在船舶运动模拟与模拟训练规划台的控制下，将翻扣船舶形成的反向（镜向）信息实时反馈给船舶运动模拟与规划台，实时提供水上应急救援模拟训练系统所需的主要运行信息，训练主要解决模拟环境与现实环境的一致性表示及救援人员对反向环境条件的适应性问题。

4.2 浊水域ROV辅助作业及其配套训练系统

水下遥控无人潜水器（ROV）[8]用于水下辅助作业，主要有以下典型场景：1）辅助搜索探测的作业场景；2）辅助物品夹持传递的作业场景；3）辅助潜水员作业的作业场景；4）辅助作业工具使用的作业场景。

根据浊水域（ROV）辅助作业及其配套模拟训练功能的需要，采用模块化设计[9]，配备传感器集成模拟设备、救援作业模拟台、ROV水下状态模拟装置和ROV安全装置模拟器，它们在ROV运动模拟与模拟训练规划台的控制下工作，又将ROV所携带的水下图像声呐探测到的信息实时反馈给模拟训练规划台，使得ROV操作员能实时掌握ROV的主要运行信息，模拟训练主要解决水下空间布局的感知和可视化技术问题。

ROV模拟训练系统由水面部分、水下部分组成。水面部分包括供电系统、主控系统、电缆及缆车等组成，水下部分主要由机器人主体、辅助设备、作业工具等组成。

4.3 水下狭窄空间探摸及其配套训练系统研究

水下人工救援作业包括3个流程：

1）潜水作业前准备包括人员的配置及组织安排、设备的配置及规格数量、详细了解作业水区的基本情况（如水深、水流、风浪、桥梁水下结构等概况）、详细了解作业内容及技术要求。

2）作业实施过程包括潜水员着装潜水服准备、照料员帮助潜水员穿戴水下装具、潜水员入水检查气密、携带图像采集系统下潜、发现救援对象后实施救援、上升出水前通知水面人员、照料员接到出水信号后缓慢收回潜水绳，直到潜水员出水、照料员帮助潜水员卸装。

3）对整个水下作业期间可能遇到的突发情况完善预案。根据水下狭窄空间探摸及其模拟训练功能的需要，配备传感器集成模拟设备、机舱状态模拟装置和船舶安全装置模拟器，使其在船舶运动模拟与模拟训练规划台的控制下工作，又将潜水员在狭小空间利用所携带的水下图像声呐等设备探测到的信息实时反馈给模拟训练规划台，使得潜水员能体验并掌握狭小空间救援和探测关键技术，模拟训练主要解决在狭小空间及特定水文环境下人机混合任务组织模式的优化技术问题。

5 结 语

本文通过对水上应急救援模拟训练系统组成与架构、系统各个组件的功能设计、系统组件间交互等水上应急救援模拟训练系统顶层设计内容的研究，完成对船舶数字建模、数据库建设、环境信息与应用数据集成、系统状态推演及优化算法等关键技术的研究，并对水下应急救援模拟训练典型场景进行开发，实现水上应急救援人员对应急场景的模拟训练，完成对整个水上应急救援模拟训练系统的开发工作。

后续应强化相关核心技术的研究，突破重点救援作业模拟训练所需关键设备的研发，结合人工智能等技术设计更具兼容扩展性的系统架构，以应急救援模拟训练系统的支持控制为目标，构建具备自主学习和进化能力的远程支持控制中心。