海上落水人員漂移軌跡可視化預(yù)測(cè)研究

夏山宏 徐純潔 羅修波 謝方偉 冷江南 田祖織

（1.黑龍江省水上交通救援中心，黑龍江哈爾濱 1 500119；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州 221116；3.泰州市金海運(yùn)船用設(shè)備有限責(zé)任公司，江蘇泰州 225300）

0 引 言

近年來，我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展壯大，海上運(yùn)輸貿(mào)易蓬勃發(fā)展，海上航行船舶與日俱增，隨之而來的是海上險(xiǎn)情逐年增加、海難事故頻發(fā)[1-2]。海洋事故發(fā)生后的海洋搜救以海上搜尋和海上救援為主，搜尋是海上救援的前提，快速、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)地預(yù)測(cè)海難事故中落水目標(biāo)及其漂移位置，將大大縮小搜救范圍、提高海上救援效率，因此，如何高效地開展海上搜尋成為海洋搜救的當(dāng)務(wù)之急[3-4]。

針對(duì)海上搜尋，美國(guó)、英國(guó)和法國(guó)等西方發(fā)達(dá)國(guó)家較早地開展了相關(guān)研究，開發(fā)出了搜救目標(biāo)漂移預(yù)測(cè)的計(jì)算機(jī)輔助決策系統(tǒng)，如POSSE、SAR IS 和MOTHY 等系統(tǒng)[5]。然而上述輔助決策系統(tǒng)在預(yù)測(cè)漂移軌跡時(shí)僅僅考慮了海風(fēng)與海流的作用，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際往往還存在較大差距。

為進(jìn)一步提升海上落水目標(biāo)漂移軌跡預(yù)測(cè)的精度，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此開展了大量研究。劉同木等[6]提出了一種基于受力分析的落水人員漂移軌跡方法，并通過海上仿真人漂移實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可靠性；劉柯等[7]采用Leeway 模型和拉格朗日追蹤法對(duì)內(nèi)河流道漂移物體的軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)，提出了結(jié)合航道邊界特征的最終漂移位置預(yù)測(cè)方法；王茹意等[8]在利用蒙特卡羅法預(yù)測(cè)海上落水遇險(xiǎn)人員漂移軌跡時(shí)，選取分段線性插值法來表述流場(chǎng)數(shù)據(jù)，獲得了更佳的預(yù)測(cè)效果；Zhu 等[9-10]基于大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)和多種數(shù)值模擬方法對(duì)海上目標(biāo)漂移運(yùn)動(dòng)模型和海上目標(biāo)搜尋區(qū)域計(jì)算模型進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并提出了相應(yīng)的模型改進(jìn)和算法。

本文在上述研究基礎(chǔ)之上，開展了海上落水人員漂移軌跡可視化預(yù)測(cè)研究，基于海上落水人員受力數(shù)學(xué)模型分別使用解析法和蒙特卡洛模擬法仿真得到落水人員漂流軌跡，并進(jìn)行對(duì)比；在Matlab AppDesigner 軟件上引入經(jīng)緯度信息和電子海圖搭建了海上落水人員漂移軌跡精準(zhǔn)可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了更高效更準(zhǔn)確地海上落水人員漂移預(yù)測(cè)。

1 海上落水人員漂移軌跡預(yù)測(cè)模型

海上落水人員在漂移的過程中，主要受到水上部分和水下部分兩方面的影響，其中，水上部分主要受到海流和波浪的影響，水下部分則主要受到海面風(fēng)的影響，另外海上落水人員漂移還受到科氏力的影響，因此，海上落水人員的漂移速度方程可以表示為：

根據(jù)牛頓第二定律，海上落水人員漂移軌跡的運(yùn)動(dòng)方程也可表示為：

式中：m 為落水人員質(zhì)量；V 為漂移運(yùn)動(dòng)速度；t 為時(shí)間；Fc為科氏力；Fwind為風(fēng)作用力；Fcurrent為海流作用力；Fwave為海浪作用力。

以東西方向x 軸，南北方向?yàn)閥 軸建立平面直角坐標(biāo)系，其中正東方向?yàn)閤 軸正方向，正北向?yàn)閥 軸正方向。落水人員在水平和垂向速度分別設(shè)為u 和v，將海風(fēng)作用力、海浪作用力、海流作用力和科氏力分別分解到水平和垂直兩個(gè)方向，則上式可變換為：

2 海上落水人員漂移軌跡預(yù)測(cè)仿真參數(shù)設(shè)置

海上落水人員漂移軌跡與自身質(zhì)量、海風(fēng)和海流相關(guān)，本文落水人員質(zhì)量取70 kg，海風(fēng)作用橫截面積取0.4 m2，其中風(fēng)速取5.2 m/s，風(fēng)向角取15°，海流作用橫截面積取1.0 m2，其中流速取0.5 m/s，流向角取10°，波高平均取值為1.6 m，浪向角取10°。由于海風(fēng)海流處于實(shí)時(shí)變化之中，仿真模擬時(shí)設(shè)置一定范圍，具體參數(shù)見表1。

表1 模擬海上落水人員漂移軌跡具體參數(shù)

3 海上落水人員漂移軌跡預(yù)測(cè)對(duì)比

目前，海上落水人員漂移軌跡預(yù)測(cè)方法主要有解析法、蒙特卡洛模擬法、拉格朗日粒子追蹤法等，為了更好地驗(yàn)證模型的有效性，本文選擇解析法和蒙特卡洛模擬法兩種方法進(jìn)行海上落水人員漂移軌跡預(yù)測(cè)的相互印證，漂移軌跡預(yù)測(cè)和印證流程如圖1 所示。

圖1 漂移軌跡預(yù)測(cè)和對(duì)比流程

解析法是通過分析海上落水人員受力情況，得到落水人員漂流動(dòng)力學(xué)方程，通過解析動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算出落水人員漂移軌跡的方法。從理論上講，只要能夠綜合考慮到所有受力情況，解析法得到的落水人員漂流軌跡是準(zhǔn)確無誤的。但是由于海上環(huán)境復(fù)雜，落水人員自身和海上環(huán)境一直處于動(dòng)態(tài)變化之中，在建立動(dòng)力學(xué)方程時(shí)會(huì)忽略一些因素，因此會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。本文考慮落水人員自身質(zhì)量、海風(fēng)作用力、海流作用力和科氏力綜合作用，基本吻合海上落水人員受力情況，在Matlab 軟件中通過求解公式（3）和公式（4）可以得到落水人員的漂移軌跡。

蒙特卡洛模擬法是隨著科學(xué)技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生的數(shù)值模擬統(tǒng)計(jì)方法，通過概率統(tǒng)計(jì)的方法來計(jì)算某種事件發(fā)生的概率。海上落水人員漂移軌跡模擬中，通過擬合大量抽象粒子的位置來預(yù)測(cè)落水人員漂移曲線，仿真中抽象出的粒子數(shù)越多，仿真結(jié)果越接近實(shí)際值。蒙特卡洛模擬法以公式（1）和公式（2）為基礎(chǔ)，仿真模擬落水人員的漂流軌跡。

圖2 所示為解析法和蒙特卡洛法兩種方法得到的海上落水人員的漂移軌跡對(duì)比，紅色軌跡表示解析法得到的漂移軌跡，黑色軌跡表示蒙特卡洛模擬法得到的預(yù)測(cè)漂移軌跡。由圖2 的漂移軌跡對(duì)比圖可以看出，解析法和蒙特卡洛模擬法仿真得到的海上落水人員漂移軌跡初始階段保持一致。隨著漂移時(shí)間增加，兩者軌跡出現(xiàn)一定偏差，但是漂移軌跡基本保持吻合，兩種漂移軌跡預(yù)測(cè)方法實(shí)現(xiàn)了互相印證，模型的有效性得到了印證。但是表示落水人員位置時(shí)采用了直角坐標(biāo)系南北坐標(biāo)和東西坐標(biāo)來反映落水人員位置，這與實(shí)際海上利用經(jīng)緯度信息搜尋人員不符合，為了更準(zhǔn)確更直觀地反映出海上落水人員的漂移軌跡，更好地服務(wù)海上搜救，需對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，下一章節(jié)將以解析法為基礎(chǔ)進(jìn)一步研究海上落水人員漂移軌跡精準(zhǔn)可視化預(yù)測(cè)。

圖2 兩種方法漂移軌跡對(duì)比圖

4 MATLAB 模擬仿真與可視化預(yù)測(cè)

解析法建立的模型中引入直角坐標(biāo)系來表示海上落水人員位置，這與海上實(shí)際搜救情況和北斗定位系統(tǒng)顯示的數(shù)據(jù)不符合。因此，在運(yùn)用Matlab AppDesigner 軟件搭建的海上落水人員漂移軌跡可視化預(yù)測(cè)系統(tǒng)中引入了經(jīng)緯度信息，將直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為經(jīng)緯度坐標(biāo)信息，為了更方便搜救人員定位和搜救指揮中心調(diào)度搜救力量，同時(shí)還引入電子海圖來顯示落水人員漂移軌跡。

海上落水人員漂移軌跡可視化預(yù)測(cè)系統(tǒng)主程序界面、漂移軌跡數(shù)據(jù)界面和海況數(shù)據(jù)界面三個(gè)板塊組成。其中主程序界面主要分為三個(gè)區(qū)域，如圖3所示：第一個(gè)區(qū)域具備參數(shù)錄入功能，救援人員可以根據(jù)實(shí)際海況數(shù)據(jù)和遇險(xiǎn)人員具體信息將落水人員的關(guān)鍵參數(shù)、海況參數(shù)、落水時(shí)間和落水位置輸入系統(tǒng)；第二個(gè)區(qū)域具備查詢漂移軌跡和落水人員位置功能，救援人員可以根據(jù)落水人員的落水時(shí)長(zhǎng)來獲取落水人員漂移各個(gè)時(shí)刻的的經(jīng)緯度位置信息，以便于快速定位救援地點(diǎn)；第三個(gè)區(qū)域具備漂移軌跡顯示功能，引入的電子海圖可以更清晰顯示遇險(xiǎn)人員落水區(qū)域，更方便搜救指揮中心調(diào)度搜救力量，提高搜救成功率。

圖3 海上落水人員漂移軌跡可視化預(yù)測(cè)系統(tǒng)

圖4 所示為系統(tǒng)運(yùn)行界面顯示，紅色曲線代表落水人員的漂移預(yù)測(cè)軌跡，根據(jù)系統(tǒng)顯示可以準(zhǔn)確地獲取落水人員落水點(diǎn)、飄移終點(diǎn)和漂移軌跡曲線，也可以移動(dòng)星標(biāo)位置來查看某位置處的時(shí)間信息。

圖4 海上落水人員漂移軌跡可視化預(yù)測(cè)

同時(shí)，系統(tǒng)的漂移軌跡數(shù)據(jù)和海況數(shù)據(jù)兩個(gè)板塊可以實(shí)時(shí)記錄信息并存儲(chǔ)導(dǎo)出，為后續(xù)海上搜救行動(dòng)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和后續(xù)優(yōu)化提供支撐材料，其界面顯示結(jié)果如圖5 和圖6 所示。

圖5 漂移軌跡數(shù)據(jù)和海況數(shù)據(jù)記錄界面

圖6 海況數(shù)據(jù)和海況數(shù)據(jù)記錄界面

5 結(jié) 論

本文通過分析海上落水人員受力信息，建立了海上落水人員漂移軌跡數(shù)學(xué)模型，分別基于解析法和蒙特卡洛模擬法得到了海上落水人員的漂移軌跡，對(duì)比結(jié)果表明：兩種方法得到的漂移軌跡基本一致，驗(yàn)證了模型的有效性。在Matlab AppDesigner 軟件上引入經(jīng)緯度坐標(biāo)和電子海圖搭建了海上落水人員漂移軌跡可視化預(yù)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)海上落水人員漂移軌跡的精準(zhǔn)可視化預(yù)測(cè)，大大提高海上搜救遇險(xiǎn)落水人員和指揮中心調(diào)度海上救援力量的效率，研究?jī)?nèi)容和結(jié)果對(duì)海上搜救具備一定參考指導(dǎo)意義。