IAMSAR视角下海上搜救搜索模式的再思考：新型搜索模式的情景化评估

《Journal of Marine Science and Engineering》：Rethinking Maritime Search Patterns from an IAMSAR Perspective: A Scenario-Based Evaluation of Novel Patterns

　　

搜索与救援（Search and Rescue, SAR）行动是在海上紧急情况发生后，以尽可能快的速度定位并安全救助遇险人员或物体的行动。在此过程中，运行性能不仅取决于确定目标可能位置的能力，还取决于用于扫描搜索区域的具体搜索模式。本研究旨在开发国际航空与海上搜救（International Aeronautical and Maritime Search and Rescue, IAMSAR）方法框架中平行搜索模式与扩展方形搜索模式的替代模式。为此，研究人员对Hilbert、Moore、Morton、V形编队（V-formation）、五边形、六边形、八边形和螺旋搜索模式进行了数学定义，并使其可进行算法实现。这些模式经过三阶段评估：第一阶段在不考虑外部因素的情况下评估基线性能；第二阶段评估不同初始目标位置下的行为；第三阶段评估在变化的风、流和搜索区域条件下五种不同类型漂移目标的目标探测性能。结果表明，在平行搜索组中，Moore模式实现了最高次数的最快目标探测，其次是Hilbert模式，而Morton模式在第二快探测次数方面表现突出。在扩展方形搜索组中，螺旋模式实现了最高次数的最快目标探测，其次是六边形和扩展方形模式；而在第二快探测次数方面，扩展方形模式排名第一，八边形模式紧随其后。然而，各模式的相对性能随搜索区域大小和环境条件而变化。本研究的主要贡献在于将搜索模式选择视为独立的SAR规划变量，为IAMSAR模式提供可行的替代方案，并通过数学和算法定义建立一个可复现、可扩展的框架，可用于未来的优化、决策支持和区域扫描计划。通过这种方式，本研究将“哪种搜索模式能最有效地覆盖指定搜索区域？”这一重大问题与基本SAR问题——“应在何处搜索目标？”——并列为系统性研究问题。

《从IAMSAR视角重构海上搜救搜索模式：基于情景的新型搜索模式评估》解读

海上运输承担着全球贸易的主要运量，但日益增长的航运密度也带来了更高的海事事故风险。海上搜救（Search and Rescue, SAR）行动的核心目标是尽快定位并安全救助遇险人员或物体。国际航空与海上搜救手册（IAMSAR Manual）为此提供了平行搜索、扩展方形搜索等标准模式。然而，现有SAR文献主要集中于漂移估计、概率搜索区域构建、路径优化、资源配置和无人机探测，对搜索模式本身的系统比较与替代模式开发明显不足。为此，研究人员提出应将搜索模式选择视为独立的SAR规划变量，开发并评估了8种新型搜索模式，以回答“哪种模式能最有效覆盖指定搜索区域”这一系统性研究问题。

研究人员以IAMSAR框架下广泛使用的平行搜索模式和扩展方形搜索模式为基线，分别提出替代模式：平行组包括Hilbert、Moore、Morton和V形编队（V-formation）模式；扩展方形组包括五边形、六边形、八边形和螺旋模式。所有模式均经数学定义和算法实现，并通过三阶段测试框架进行评估。总体结果表明，平行组中Moore模式取得最多最快目标探测次数，Hilbert模式次之；扩展方形组中螺旋模式显著领先，但传统扩展方形模式在第二快探测次数上仍居首位。各模式的相对性能随搜索区域面积、风/流条件及目标类型而变化，传统模式在特定条件下仍具优势。该研究将搜索模式选择转化为可比较、可复现的规划变量，为未来SAR优化和决策支持系统提供了可扩展的数学与算法框架。

在技术方法上，研究人员采用数学建模与算法实现生成搜索路径，所有坐标序列按线性段连接以保证几何连续性。三阶段测试中，阶段一排除风、流和漂移目标，评估基础扫描时间；阶段二建立2×2 km扇区网格并按螺旋ID排序，用于设定漂移目标初始位置；阶段三集成风、流和五种漂移目标的漂移（leeway）模型，包括水中人员（PIW）、40英尺集装箱、带海锚的救生筏顶篷（LCRF）、二战水雷（MINE）和油桶（OilDrum）。情景在23种区域尺寸（5–500 km²）、5种风速（0–5节）、5种流速（0–5节）以及8种风向/流向（0°–315°）下组合，共生成368,000个情景；船速固定为10节，搜索间距固定为2海里；计算在Python 3.13和Jupyter Notebook 7.4.5环境中完成。

4.2 第一阶段：基线区域覆盖性能评估。在无风无流、无目标漂移的条件下，对5–500 km²的23种面积进行测试。平行组中，Hilbert模式在较小面积及130–200 km²范围内扫描最快，平行搜索模式随面积增大而优势上升；Morton模式在较小面积中第二快。扩展方形组中，扩展方形模式在35–50 km²和90–120 km²范围扫描最快，五边形和六边形在其他面积区间领先；250 km²以上扩展方形模式为第二快。

4.3 第二阶段：用于确定漂移目标初始位置的扇区系统。研究人员将搜索区域划分为2×2 km的扇区，并以螺旋顺序从中心向外扩展，在500 km²区域内形成121个扇区。该阶段为不同初始目标位置提供了标准化表示，为第三阶段的目标漂移起点设定奠定了基础。

4.4 第三阶段：综合情景下的搜索模式性能评估。在全部情景中，平行组Moore模式获得最多最快探测次数（1,380,980次），Hilbert模式次之（1,248,807次）；Morton模式在第二快探测次数中最多（1,597,079次）。扩展方形组中，螺旋模式以2,148,058次最快探测显著领先，六边形（1,092,066次）和扩展方形（882,062次）随后；第二快探测次数中，扩展方形排第一（1,673,627次），八边形排第二（1,209,647次）。针对PIW目标的代表性情景（如AltEs_PIW_W3_C1）显示，扩展方形在20–35 km²占优，螺旋在70–350 km²占优，八边形在450–500 km²占优；平行组情景中，Moore在20–140 km²较多领先，Hilbert在300 km²以上突出。

4.5 敏感性分析。通过单变量敏感性分析，在流速固定为1节时改变风速（1–5节），两个组的最高首检率模式保持不变；在风速固定为1节时改变流速（1–5节），扩展方形组中螺旋仍保持最高，但平行组在流速≥2节时Moore超过Hilbert成为最高。总体表明，搜索模式性能对流速变化较风速变化更敏感。

讨论部分指出，Hilbert和Moore等具有空间连续性的路径可能通过减少方向突变而影响目标相遇时间，但这一解释仅基于几何特征，需实际海况验证。螺旋模式从中心连续外扩的结构可能有利于快速接触漂移目标，同样需要实测确认。研究强调，传统平行和扩展方形模式在特定面积下仍有优势，不能无条件用替代模式取代标准模式。五种漂移目标类型导致的性能差异小于风/流变化造成的影响。研究局限性包括未模拟波浪引起的视觉遮蔽、有效扫描宽度变化、船舶操纵性、多船协调以及实时风/流变化；因此，替代模式在投入实际运行前需经过模拟、训练和实船验证。

研究结论可翻译为：本研究比较了海上搜救中IAMSAR标准搜索模式与替代模式，并系统检验了搜索模式对目标探测性能的影响。结果显示，不同搜索模式在探测漂移目标时产生不同效果：平行组中Moore、Hilbert和Morton表现突出，扩展方形组中螺旋、六边形和扩展方形表现突出，但替代模式的优越性不能推广到所有搜索条件。相对性能取决于搜索区域大小、环境条件和目标运动。敏感性分析表明，风速变化不改变领先模式，而流速变化可改变平行组中的领先模式。目标类型差异存在但小于风/流效应。本研究的主要贡献在于提供可复现、可扩展的搜索模式描述，并建立三阶段评估框架；但性能排序仅在已评估的确定性情景内有效，未来需纳入概率性环境不确定性、平台机动性和传感器特性，以进一步验证模式的适用性。