夏正洪，潘卫军，林瑞春，陈 通

（中国民用航空飞行学院 空中交通管理学院，四川 广汉618307）

0 引 言

5.12 汶川大地震发生后，直升机作为航空救援的主要力量在抢险救灾中发挥了极为重要的作用。然而，由于灾区天气和环境的影响，参与救援的直升机只能在能见度好的3～5个小时内开展救援工作；并且又受到升限和载重能力的限制，救援能力和效率极为低下。因此，如何提高重大灾害条件下航空救援效率是一个亟待研究和突破的关键问题。

欧美发达国家已经形成了符合各自国情的航空应急救援体系，并在各自应对自然灾害和突发事件的过程中也表现出了很强的应急救援能力［1］。而国内的应急救援研究工作还处于起步阶段，主要集中在应急指挥救援路径的规划［2－3］及相应关 键 技 术 的 研 究［4－6］； 既 没 有 分 析 重 大 灾 害 条件下航空应急救援工作效率低下的根本原因，也没有给出提高应急救援效率的方案，更没有关于航空应急救援指挥辅助系统的实现。

针对目前重大灾害条件下航空救援效率低的现状，本文提出了要建立三级中心为基础的应急救援体系，在此基础上对救援指挥点和灾区之间的航空器分配算法进行了研究；分析设计了关于航线和航空器飞行的相关算法，提出并实现了基于高精度等高线地图的航空救援指挥辅助系统；基于该系统建立重大灾害条件下的应急救援预案对救援效率的提高有重大意义。

1 航空应急救援体系的建立

目前，面对重大灾害突发事件，我国尚不能发挥通用航空直升机快速、高效、受地理空间限制小等优势，主要表现在缺乏完善的航空应急救援机制、没有统一的救援指挥中心以及正确应对突发自然灾害的应急预案、救援的航空器基础设施不完善以及救援队伍不专一；这些因素都严重影响了航空救援的效率和安全性。因此，我们总结了汶川、玉树地震应急救援的经验；科学地构建了航空应急救援体系，提出建立专业的航空救援队伍并快速发展通用航空 （配备和更新救援航空设备），建立与重大灾害突发事件相对应的应急预案并定期组织演练。

航空应急救援体系应该坚持国务院航空应急救援办的领导核心，坚持以民航救援力量为主、军航救援力量为辅的方针，建立以民航七大地区空管分局为主导的区域救援力量，并在各区域范围内设置省级救援中心的三级航空应急管理体系。其中，国务院航空应急救援办作为我国航空救援的最高领导机构，负责全国范围内航空救援的决策、协调、监督和管理工作；区域应急救援机构负责各自区域范围内的航空救援相关工作，并与军区航空器救援进行协调；省级救援中心依据中央指示，第一时间快速高效地将救援决策和调度工作进行落实。同时，建立专业的救援队伍可以提高航空救援的能力，更新航空救援设备，配置超美洲豹、米－26等重型直升机；建立各级救援指挥中心的应急救援专用通讯网络，并建立救援指挥中心的航空救援能力数据库，这些对于航空救援效率的提升是十分必要的。

2 航空器的分配算法研究

重大自然灾害的特点是波及范围广、破坏性特别大，这就导致有多个灾区同时需要航空救援的情况，针对目前国内通用航空发展缓慢、能参与救援的航空器的数量有限等问题，如何将航空器合理地分配到相应的灾区显得至关重要。三级航空应急救援体系存在多个指挥中心点 （配置一定数量的救援直升机），那么指挥点和灾区之间的航空器分配算法是建立应急救援预案的核心内容之一，航空器分配算法的好坏是航空救援是否成功以及救援效率高低的关键因素。

航空器的分配算法实际上是一个多目标分配问题［6－7］，其计算量随问题规模的增大呈指数增长，目前普遍采用启发式搜索算法［8］来求解，其缺点是不能保证所得解一定是最优的。本文针对结合航空器分配规模较小的特点，提出并实现了重大自然灾害下的救援指挥点与灾区间的航空器分配算法，该算法能在n2的时间复杂度内求得问题的最优解［9－10］。航空器分配算法如图1所示。

首先应该在第一时间对受灾地区的灾情进行评估，根据灾情将灾区分为一般灾区、重灾区、极重灾区3类并进行排序；根据救援航空器的机型将其救援能力分为3类（重型直升机救援能力为3，中型直升机救援能力为2，轻型直升机救援能力为1），通过累加的方式统计各救援指挥点的航空救援能力；按照灾区的严重程度对航空器进行多目标分配，分配的核心原则是［11－12］：尽量使用本省或本区域救援指挥中心的航空救援力量，从而保障航空救援的快速性和高效性；在本省或本区域救援能力不足的情况下需要向上级汇报，由国务院应急指挥中心调动国内其它管制区域进行跨区支援；此时主要应该考虑各相邻救援指挥中心与受灾地区之间的距离；优先选择距离灾情严重地区最近的救援指挥中心，保证航空救援效率。

图1 救援航空器多目标分配算法

3 航空救援算法研究

3.1 航线设计算法

在航空应急救援过程中，航空器飞行路线的选择关系到救援的效率和安全性。而重大的自然灾害多发生在气象条件和环境都十分恶劣的山区，其能见度特别差且伴随强烈的短时天气变化［13］。因此，在飞行前首先需要进行航线设计，救援航空器飞行路线应尽量选择低障碍物且不存在低空风切变、积雨云、雷暴等恶劣天气现象。在实际救援飞行中，救援航空器常选择沿等高线飞行，基于等高线的航线设计方法如图2所示。

图2 高精度等高线下飞行路径的选择

救援航空器出发点为A点 （2340m），需要飞行至B点（2040m）执行救灾任务，此时可以有以下几种航线：

（1）在航空器飞行升限的允许情况下可以选择在A、B两点之间进行直飞。

（2）因天气或障碍物等原因可选择沿着次低等高线飞行。假如在最低A点与B点之间的最低等高线上E点位置发生强烈低空风切变，那么不能选择沿最低等高线飞行；于是可以在风切变的范围外再选择次低等高线作为飞行路线。首先可让航空器沿垂直于等高线飞向C点，在高度为2100m的时候沿D点所在的等高线飞行，最后再沿垂直于等高线的方向飞向B点。

（3）以两地之间的最低等高线作为飞行的路线。比较A点和B点的等高线高度，以高度较低点所在的等高线作为飞行的路线；然后在起始点垂直于等高线的方向先飞到与B点同高度的C点，然后再沿着等高线的E点飞到B点。

在汶川大地震航空救援过程中，航空器受到最大升限的限制以及恶劣环境的影响；沿最低等高线飞行的方法得到了广泛的采用，有效地保障了救援航空器飞行的安全。航空应急救援辅助指挥系统所提供的推荐航线的功能，正是采用沿最低等高线飞行的航线设计算法，指挥航空器保持合理的间隔，使得救援航空器的进出灾区可以同时进行，极大地提高了救援效率。

3.2 航线可飞性检验

因为不同的机型有不同的爬升率、转弯率、最大最小速度、升限，所以在进行航线设计的时候就不可能通用。因此，需要针对不同的航空器进行航线的可飞性检验，即检验各航路点高度和位置是否满足所选择的航空器性能限制。

3.2.1 航路点高度检验

航路点的高度检验主要是验证：①该航路点高度是否高于当前位置的等高线高度；②该航路点高度是否满足航空器的性能要求，即航空器以最大上升率或下降率和最小速度飞行时能否到达该航路点。如果航路点高度高于等高线的高度，则计算上一个航路点与当前航路点的垂直高度差H1，以及以航空器最小速度在这两个点之间飞行所需的最长时间Tmax，然后计算在Tmax内使用飞机的最大上升率或下降率所能上升或下降的最大高度H2。若H1＞H2则航路点高度不符合要求，需要进行调整；否则高度满足要求［14］。高度检验算法流程图如图3所示。

3.2.2 航路点位置检验

航路点的位置检验是判断当前航路点的位置与其前面和后面的航路点所构成的夹角是否满足航空器的转弯能力。根据多次的救援经历，如果转弯航迹距离航路点最远时超过100m，此时认为航空器不能到达该航路点，即offset＜100表示航路点位置满足要求，否则需要重新定义航路点位置。

根据式 （1）可计算Offset值

式中：Minspeed——当前机型飞机的最小速度，turnrate——转弯率。

3.3 航空器飞行算法

在航线建立并通过检验之后，需要对航空器如何加入航线以及如何沿航线飞行进行研究，特别是在灾区的山地环境中，精确地掌握整个航线的飞行技巧对航空救援的安全性和效率有重大意义。同时，航空器飞行算法也是航空应急救援预案建立的核心基础。航空器可以以当前航空器的航向加入航线或以指定航路点的方式加入航线，并沿着预定的航线执行应急救援工作。

3.3.1 以当前航向加入航线

首先判断当前航向前方是否存在航线，如果航向前方没有航线，则变为从航线第一点加入［15］。飞机加入航线的过程实质上是一个不断调整其目标航向的转弯过程，开始转弯的距离为CheckDistance，直到转到目标航向与当前航路点与下一个航路点之间的所成的角度时转弯结束，需要转过的角度为alpha。图5中小圆表示飞机位置，1、2为航路点，圆弧表示飞机切入航线所要转过的圆弧航迹，联立两直线方程可得到飞机航向与目的航段交点位置Dp。

图5 以当前航向加入航线

式中：turnrate——飞机转弯率，（x1，y1）——航段起点坐标，（x2，y2）——终点坐标，kp——飞机航向，（xp，yp）为飞机坐标。

3.3.2 指定航路点加入航线

该种方式可以选择加入某条航线的某个特定的航路点，可将指定航路点加入航线的过程划分为两个阶段：首先是将航空器的航向指向目标航路点，并以该航向直飞该目标航路点；然后再以当前航向加入航线。因此，当给航空器向指定的航路点加入航线指令后，航空器首先改变当前航向，并直飞给定的航路点，然后以当前航向加入航线。

3.3.3 沿航线飞行

航空器在加入航线后将自动变为沿航线飞行模式，该模式可以看作是直飞航路点和转弯过程的不断重复，在这个过程中不断计算飞机位置离当前航路点的距离，当这个距离小于规定的开始转弯距离的时候，航空器开始转弯，直到将目标航向调整到当前航路点N与下一个航路点N＋1所构成的方位角时转弯结束，然后直飞下一个航路点N＋1，该过程的流程图如图6所示。

4 航空应急救援辅助系统的实现

救援指挥辅助系统的建立对于航空应急救援效率的提高以及人民群众的生命和财产损失的挽回有积极意义。本文基于高精度的等高线地图和航空器分配算法实现了重大灾害条件下的航空应急救援指挥辅助系统，该系统通过加载KML文件的形式将灾区高精度等高线地图加载并显示，系统的GIS特性 （放大、缩小、拖动、漫游）方便用户使用鼠标进行操作；系统可以添加多条航线并针对不同机型的航空器的可飞性进行自动验证，高精度等高线地图可以有效地与Google Earth相结合，利用其飞行演示功能可以实现3D模拟预飞行，让飞行员了解救援飞行过程中的环境以及相应的飞行技巧。同时，系统还提供了测量地图上任意两点间的航向、距离和面积的功能，结合各航空器的飞行状态数据对航空器在下一个时刻的位置、燃油等情况进行估计，据此控制各救援航空器保持合理的飞行间隔，极大地利用了空域资源并能提高救援飞行的效率。航空救援指挥辅助系统的功能模块如图7所示。

图6 航线飞行算法流程

4.1 航空器加入航线

图7 航空应急救援辅助系统功能模块

如图8所示，通过加载高精度等高线可以清晰地掌握灾区的地理环境，方便用户创建不同的航线 （以不同的颜色进行区分），操作者可以通过右键删除航线上的航路点以及拖动航路点的位置来改变已创建的航线；图中显示呼号为5321的航空器的飞行状态 （速度、高度、航向、飞行时间），通过指挥航空器加入指定的航线，那么航空器将按照第3章中的算法进行救援飞行。

图8 航空器加入航线功能

4.2 地图测绘

救援指挥辅助系统提供了地图测绘功能，图9中显示了航线上待测量点的经纬度坐标以及任意两点之间的航向和距离；这些信息对飞行计划的制定和航空器燃油的准备提供了理论基础。飞行前准备的越充分，航空救援的效率和安全性就越高，如何在灾情发生的最短时间内做好充分的飞行前准备显得相当关键。

5 结束语

本文提出了建立三级中心为基础的应急救援体系以及相应的网络和数据库，在此基础上开展了救援指挥点与灾区的救援航空器分配算法研究，并对实施航空救援的航线设计算法以及航空器飞行算法进行了研究，为重大灾害条件下的应急救援预案的建立奠定了核心基础。同时，基于高精度等高线地图实现了重大灾害条件下的航空救援指挥辅助系统，该系统可为飞行员提供灾区的地形特征和天气情况，结合Google Earth的飞行演示功能可在预定的航线上进行模拟飞行，极大地提高了航空救援的效率和安全性。但是，航空救援指挥辅助系统只提供对救援航空器位置和飞行状态的估计以及预飞行演示功能，不能接入实时的监视数据，不能对航空器进行实时的指挥，这些都有待进一步的研究。

图9 地图测绘功能

［1］Performance Review Commission.An assessment of air traffic management in Europe during the calendar ［EB/OL］.http：//www.eurocontrol.int/muac/gallery/content/public/docs/2009annual－report.pdf，2008.

［2］YOU Yi.Thinking about the methods of taking off and landing the helicopter in fields ［J］.Journal of Civil Aviation Flight University of China，2009，20 （4）：44－46 （in Chinese）.［犹轶.浅谈直升机野外起降方法 ［J］.中国民航飞行学院学报，2009，20 （4）：44－46.］

［3］CAI Fei，CUI Jian.Command system for earthquake emergency rescue based on GIS and GPS ［J］.Computer Application and Software，2010，27 （4）：83－86 （in Chinese）.［蔡菲，崔健.基于GIS和GPS的地震应急救援指挥系统 ［J］.计算机应用和软件，2010，27 （4）：83－86.］

［4］JIN Xiaoshan，ZHANG Guofu，LI Jun.Research and realization of emergent scheduler technologies based on GIS ［J］.Computer Engineering，2004，30 （20）：180－182 （in Chinese）.［靳肖闪，张国富，李军.基于GIS的应急调度关键技术研究与实现 ［J］.计算机工程，2004，30 （20）：180－182.］

［5］SHEN Zhang.Research and implementation of earthquake disaster medical emergency rescue system based on GIS ［D］.Chengdu：Master Graduation Paper，2010 （in Chinese）. ［申章.基于GIS的地震灾害应急救援推演系统的研究与实现［D］.成都：四川大学硕士论文，2010.］

［6］SHEN Zhang，WANG Junfeng.Model for multi－sensor targets assignment based on ant colony algorithm ［J］.Journal of Computer Application，2009，29 （6）：131－134 （in Chinese）.［申章，王俊峰.基于蚁群算法的多传感器目标分配模型 ［J］.计算机应用，2009，29 （6）：131－134.］

［7］HU Yunong，XIA Zhenghong，WANG Junfeng.Methods summary for performance evaluation of complex electronic information system ［J］.Application Research of Computers，2009，48 （3）：8－13 （in Chinese）. ［胡玉农，夏正洪，王俊峰.复杂电子信息系统效能评估方法综述 ［J］.计算机应用研究，2009，48 （3）：8－13.］

［8］XIA Zhenghong，HU Yunong，WANG Junfeng.Performance evaluation of air traffic control system based on analytic hierarchy process［J］.Journal of Computer Application，2008，28（12）：3264－3267 （in Chinese）. ［夏正洪，胡玉农，王俊峰.基于层次分析法的管制中心系统效能评估研究 ［J］.计算机应用，2008，28 （12）：3264－3267.］

［9］BAI Songhao，LAN Honglinag，XIA Zhenghong.Effectiveness evaluation of air traffic control system based on the method of system contributory model［J］.Acta Aeronautica ET Astronautica Sinica，2011，32 （3）：438－447 （in Chinese）. ［白松浩，兰洪亮，夏正洪.基于贡献度模型方法对空中交通管制中心系统的效能评估［J］.航空学报，2011，32 （3）：438－447.］

［10］XIE Chuanliu，WANG Junfeng，XIA Zhenghong，et al.Scheduling algorithm of largescale call center ［J］.Computer Engineering and Design，2010，31 （23）：5108－5112 （in Chinese）. ［谢传柳，王俊峰，夏正洪，等.大型呼叫中心排班算法研究 ［J］.计算机工程与设计，2010，31 （23）：5108－5112.］

［11］MOU Ying，XIE Chuanliu，WANG Junfeng，et al.The telephone traffic prediction of call center based on BP neural network ［J］.Computer Engineering and Design，2010，31（21）：4686－4689 （in Chinese）. ［牟颖，谢传柳，王俊峰，等.大型呼叫中心话务量预测 ［J］.计算机工程与设计，2010，31 （21）：4686－4689.］

［12］FANG Zhiyang，WEN Jin，WANG Junfeng，et al.Research on forecast of earthquake medical emergency rescue ［J］.Application Research of Computers，2011，28 （1）：172－176 （in Chinese）.［方智阳，文进，王俊峰，等.地震灾害医疗应急救援推演研究 ［J］.计算机应用研究，2011，28 （1）：172－176.］

［13］XIE Chuanliu，WANG Junfeng，MOU Ying.The design and implementation of large－scale call center management system ［C］.Wuhan：The 3rd International Conference on Computational Intelligence and Industrial Application，2010：116－119.

［14］FANG Zhiyang，WANG Junfeng.Web－based software reliability analysis and measurement system ［C］.Wuhan：The 3rd International Conference on Computational Intelligence and Industrial Application，2010：421－424.

［15］Athanassios N，Avramidis Pierre L’Ecuyer.Modeling and simulation of call center ［C］.Canada：Simulation Conference Proceedings of the Winter，2005：144－152.