随着中国海上活动的日益增加，海上事故频发，建立起完备有效的海上应急救援方案十分迫切。近年来无人直升机正逐渐加入到海上搜救的实际工作中，本文针对海上搜救场景具有的体系特点，基于DoDAF方法论对海上有人/无人直升机搜救场景进行了需求分析，总结出了其能力需求。同时构建了海上搜救场景的结构模型，对复杂场景进行结构化建模。最后基于软集理论，提出了一种场景模型能力指标涌现性分析方法，并加以验证。

海上搜救，有人/无人直升机搜救，需求分析，DoDAF建模方法，软集理论，能力指标涌现性

Hao Chen^1,2,3, Guanlin Zhang⁴, Liyun Tao⁴, Yongliang Tian^4*, Kaifeng Zhao¹

¹Yazhou Bay Innovation Research Institute, College of Marine Science and Technology, Hainan Tropical Ocean University, Sanya Hainan

²Sanya Institute of Oceanography, Ocean University of China, Sanya Hainan

³Department of Information Science and Engineering, School of Ocean Technology, Ocean University of China, Qingdao Shandong

⁴School of Aerospace Science and Engineering, Beihang University, Beijing

Received: Feb. 22^nd, 2024; accepted: Mar. 20^th, 2024; published: Mar. 27^th, 2024

With the increasing number of maritime activities in China and the frequent occurrence of maritime accidents, it is urgent to establish a comprehensive and effective maritime emergency rescue plan. In recent years, unmanned helicopters have gradually been incorporated into the practical work of maritime search and rescue. This article focuses on the systematic characteristics of maritime search and rescue scenarios and conducts a requirement analysis of manned/unmanned helicopter search and rescue scenarios based on the DoDAF methodology, summarizing their capability requirements. At the same time, a structural model of maritime search and rescue scenes was constructed, and complex scenes were structured for modeling. Finally, based on soft set theory, a method for analyzing the emergence of scene model capability indicators was proposed and validated.

Keywords:Maritime Search and Rescue, Manned/Unmanned Helicopter Search and Rescue, Requirement Analysis, DoDAF Modeling Method, Soft Set Theory, Emergence of Capability Indicators

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中国海岸线长度约为1.85万千米 [ 1 ] ，是世界上海岸线最长的国家之一。中国海上险情频发，发生频率居高不下。根据中国海上搜救中心数据，2019~2022年共核实并组织、协调搜救险情6862场，遇险总人数46,779人，对中国人民生命财产安全造成严重冲击。航空救援是海上搜救的常用方式之一，而直升机由于具有机动性强、支持垂直起降和悬停、可以低空低速飞行等能力，在海上救援中能够完成包括搜寻定位、救援救生、通信中继、医疗转运等一系列任务，具有很强的机动性和灵活性。特别地，无人直升机相对于有人直升机，具有有效载荷大、续航时间长、支持全天候执行任务、使用成本低等优势 [ 2 ] ，将无人直升机与有人机及搜救船只结合起来，能够拓宽海上救援的时间和空间范围，增加海上搜救的效率。

体系(System of Systems, SoS)字面意思为“系统的系统”，通常可以理解为多个功能独立、操作交互性较强的系统在一定约束条件下集成的总体 [ 3 ] 。海上搜救任务涉及多种救援装备，各自具有明确功能，且协同完成救援任务，可视为体系。美国国防部体系结构框架(Department of Defense Architecture Framework, DoDAF)是由美国国防部开发的体系结构框架，用于对体系进行总体、全面、概念性的描述。

目前，已有学者采用DoDAF对航空应急救援体系进行描述。2016年，李迎春等 [ 4 ] 采用基于活动的建模方法绘制了DoDAF视图，建立了典型的重大灾害救援系统模型。2020年，区昊辰、邹贵等 [ 5 ] 采用DoDAF构建了两栖飞机航空救援场景结构，并据此进行了两栖飞机搜救能力分析。2023年，薛远博等 [ 6 ] 基于DoDAF进行了航空应急救援建模，涵盖防灾预警阶段、灾情告警阶段、灾情相应阶段和恢复重建阶段。至此，DoDAF在应急救援的绘制流程与视图选取思路较为清晰，可用于应急救援体系结构的规范性表述。

针对无人直升机特点特性及海上应急救援需求，本文提出一种有人直升机–无人直升机–救援船只(Manned helicopter-Unmanned helicopter-Vessel, MUV)协同救援的海上应急救援方案，并采用体系工程的视角，基于DoDAF体系结构框架对MUV救援场景进行建模，为之后可能的仿真试验与海上应急救援力量建设提供参考。

2010年，美国国防部发布了2.02版本的介绍与说明 [ 7 ] [ 8 ] ，明确了DoDAF 2.0版本的体系开发流程、元模型、视点、术语表等信息，指出应根据目的进行视点的选取与绘制，并在应用中迭代更新。基于该说明中的“体系开发六步法”进行视图选取与绘制，见表1。

表1. 体系开发流程

根据各视图之间的逻辑关系，整理绘制顺序见图1。

图1. 视图绘制顺序

体系结构设计与分析的具体步骤如图1所示，首先通过能力视角进行需求分析，能力视角反映救援任务的静态需求；然后构建救援场景的场景结构模型，从高层概念、资源流动情况、节点活动以及关键系统的具体状态变化来对场景进行结构化的描述。构建完整体系层级下的能力与任务活动的关联，并支持模型更新迭代和后续体系结构分析，为进一步的仿真推演系统开发提供顶层架构指导。

由上文分析可知，MUV救援场景涉及元素众多，场景较为复杂多变，存在着难以结构化描述的特点。因此，采用不同视角建模的方式对其场景进行结构化的分析，有助于实际救援人员更好的理解场景，梳理场景中元素与元素之间的关系。

1) 分析方法

能力指标项涌现是指体系形成之后产生了新的能力指标项，这个能力指标项是构成体系的组分所没有的。体系的能力指标项涌现性，可以通过分析该能力指标项对体系整体的重要度来衡量。Molodtsov提出了一种处理不确定性的方法——软集理论 [ 9 ] 。该理论在解决不确定性问题上得到了广泛应用，具有计算相对简单、易于理解的特点，可以很好地描述系统中部分与整体的相互关系，本文采用软集理论对能力指标项涌现度量进行分析和计算。

对于一个软集，关于组分集合E为 E = { e 1 , e 2 , ⋯ , e m } ，对象集 U = { h 1 , h 2 , ⋯ , h n } 为各项能力，该软集的决策划分及删除掉一项组分后的决策划分分别为：

C E = { E f 1 , E f 2 , ⋯ , E f s } (1)

C E − e i = { E − e i f 1 ' ¯ , E − e i f 2 ′ ¯ , ⋯ , E − e i f s ' ¯ } (2)

则 e i 对于决策划分的重要度定义为：

r e i = 1 U { α 1 , e i + α 2 , e i + ⋯ + α s , e i } (3)

其中， α k , e 1 = { E f k − E − e i f z ′ ¯ , 若 存 在 z ′ 使 得 f k = f z ′ E f k , 其 他 ， | ⋅ | 表示集合的基数。

假设体系应该具有的能力集合 U { h 1 , h 2 , ⋯ , h n } 参数集重要度反映体系应该具有能力指标集U基础上，组分E的变化对体系整体能力或性能的影响。重要度最大取值为1，如果重要度越接近1，表明该组分对于体系越重要。由此可以定义该组分对于体系完成特定任务的重要程度。

装备 e i 对体系的重要度为：

η e i = r e i ∑ r e i (4)

能力指标项涌现性测度为：

能力指标项涌现是体系形成后产生了新的性质，形成了新的功能，出现了新的能力指标项。通过软集理论中的能力指标集决策划分的变化情况来分析度量其涌现性 [ 10 ] 。

2) MUV救援场景能力指标涌现性模型

为了证明基于软集理论的能力指标涌现性分析方法的合理性和有效性，本文建立了MUV救援场景体系节点结构，以此进行验证，见图11。

图11. MUV救援场景体系节点结构图

其中集合 E = { e 1 , e 2 , ⋯ , e 6 } 为构成该场景的各项节点集合，根据评估主体对各项能力给出的评判结果构建的节点–能力信息表，见表2，评估对象为该场景下各节点所具备的能力，其中各能力项对应第二章需求分析中提出的能力需求。

表2. 节点–能力信息表

其中，A为医疗支持能力、B为无人救援能力、C为空投物资能力、D为联合搜索能力、E为实时通讯能力、F为信息获取能力、G为任务调度能力、H为信息共享能力。

如果将搜寻节点去除，则体系中联合搜索能力则将不存在，去掉搜寻节点后的节点–能力信息表见表3。

表3. 去除搜寻节点后的节点–能力信息表

从上表中可以看出，当加入搜寻节点时，不仅搜寻节点具备了相应的能力，并且使得指挥和救援节点均具备了联合搜索能力。因此D可以认为是该体系形成后涌现出来的能力指标项。则依据软集理论，对于 e 4 的决策划分为：

C E { ( E ) 19 , ( F , H ) 14 , ( A ) 10 , ( B , D , G ) 8 , ( C ) 6 } ；

C E − e 1 { ( E ) 16 , ( H ) 11 , ( F ) 10 , ( A ) 9 , ( B , D ) 8 , ( C ) 6 }

C E − e 2 { ( E ) 17 , ( F , H ) 13 , ( A ) 9 , ( D ) 8 , ( B ) 7 , ( C , G ) 5 } ；

C E − e 3 { ( E ) 14 , ( F , H ) 11 , ( A ) 10 , ( B , G ) 7 , ( D ) 6 , ( C ) 5 }

C E − e 4 { ( E ) 16 , ( H ) 12 , ( A , F ) 10 , ( B , G ) 8 , ( C ) 6 , ( D ) 0 } ；

C E − e 5 { ( E ) 16 , ( F ) 13 , ( H ) 11 , ( B , D , G ) 8 , ( A , D ) 7 , ( B ) 3 , ( C ) 2 } ；

C E − e 6 { ( E ) 16 , ( F ) 13 , ( H ) 12 , ( G ) 8 , ( C ) 6 , ( A ) 5 } 。

通过上述分类结果，可以求得节点重要度依次为：

r e 1 = 1 8 × 1 + 2 + 1 + 1 + 0 = 5 8 ； r e 2 = 1 8 × 1 + 2 + 1 + 2 + 1 = 7 8 ； r e 3 = 1 8 × 1 + 2 + 0 + 3 + 1 = 7 8 ； r e 4 = 1 8 × 1 + 2 + 0 + 1 + 0 = 4 8 ； r e 5 = 1 8 × 1 + 2 + 1 + 0 + 1 = 5 8 ； r e 6 = 1 8 × 1 + 2 + 1 + 2 + 0 = 6 8 。

可求得各节点对完成该任务的贡献率为： [ η e 1 , η e 2 , η e 3 , η e 4 , η e 5 , η e 6 ] = [ 5 34 , 7 34 , 7 34 , 4 34 , 5 34 , 6 34 ] 。因此可以得到搜寻节点加入体系后，出现搜寻能力的这项新指标的涌现性测度为： 。

上述案例说明，基于软集理论，通过体系各项能力集相关数据的变化情况，可以分析该能力指标项对体系整体的重要度来衡量能力指标项涌现性。

1) 提出了一种有人直升机–无人直升机–救援船只(MUV)救援方案，并针对海上搜救需求进行了分析，将抽象的任务需求转化为具体的8种能力。

2) 针对MUV救援场景，基于DoDAF方法论构建了场景概念模型，描述了各个节点之间的资源流动情况，采用活动模型分析了节点活动及其之间的交互关系，最后通过系统状态转换模型具体构建了搜救装备的系统运行情况，实现了对复杂场景的结构化描述。

3) 基于软集理论对结构模型进行分析，构建了MUV救援场景能力指标模型，验证了能力指标涌现性分析方法是可行的。

2022年海南省重点研发计划(第一批)，海上多用途无人直升机研制(项目编号：ZDYF2022GXJS014)。

陈 浩,张冠林,陶丽澐,田永亮,赵凯凤. 无人直升机海上搜救需求分析及场景建模研究Analysis of Unmanned Helicopter Maritime Search and Rescue Requirements and Scene Modeling[J]. 国际航空航天科学, 2024, 12(01): 63-77. https://doi.org/10.12677/jast.2024.121009