海上落水人员漂移轨迹可视化预测研究

夏山宏 徐纯洁 罗修波 谢方伟 冷江南 田祖织

（1.黑龙江省水上交通救援中心，黑龙江哈尔滨 1 500119；2.中国矿业大学 机电工程学院，江苏徐州 221116；3.泰州市金海运船用设备有限责任公司，江苏泰州 225300）

0 引 言

近年来，我国海洋经济持续发展壮大，海上运输贸易蓬勃发展，海上航行船舶与日俱增，随之而来的是海上险情逐年增加、海难事故频发[1-2]。海洋事故发生后的海洋搜救以海上搜寻和海上救援为主，搜寻是海上救援的前提，快速、准确、动态地预测海难事故中落水目标及其漂移位置，将大大缩小搜救范围、提高海上救援效率，因此，如何高效地开展海上搜寻成为海洋搜救的当务之急[3-4]。

针对海上搜寻，美国、英国和法国等西方发达国家较早地开展了相关研究，开发出了搜救目标漂移预测的计算机辅助决策系统，如POSSE、SAR IS 和MOTHY 等系统[5]。然而上述辅助决策系统在预测漂移轨迹时仅仅考虑了海风与海流的作用，预测结果与实际往往还存在较大差距。

为进一步提升海上落水目标漂移轨迹预测的精度，国内外学者对此开展了大量研究。刘同木等[6]提出了一种基于受力分析的落水人员漂移轨迹方法，并通过海上仿真人漂移实验验证了其可靠性；刘柯等[7]采用Leeway 模型和拉格朗日追踪法对内河流道漂移物体的轨迹进行预测，提出了结合航道边界特征的最终漂移位置预测方法；王茹意等[8]在利用蒙特卡罗法预测海上落水遇险人员漂移轨迹时，选取分段线性插值法来表述流场数据，获得了更佳的预测效果；Zhu 等[9-10]基于大量的观测数据和多种数值模拟方法对海上目标漂移运动模型和海上目标搜寻区域计算模型进行了系统研究，并提出了相应的模型改进和算法。

本文在上述研究基础之上，开展了海上落水人员漂移轨迹可视化预测研究，基于海上落水人员受力数学模型分别使用解析法和蒙特卡洛模拟法仿真得到落水人员漂流轨迹，并进行对比；在Matlab AppDesigner 软件上引入经纬度信息和电子海图搭建了海上落水人员漂移轨迹精准可视化系统，实现了更高效更准确地海上落水人员漂移预测。

1 海上落水人员漂移轨迹预测模型

海上落水人员在漂移的过程中，主要受到水上部分和水下部分两方面的影响，其中，水上部分主要受到海流和波浪的影响，水下部分则主要受到海面风的影响，另外海上落水人员漂移还受到科氏力的影响，因此，海上落水人员的漂移速度方程可以表示为：

根据牛顿第二定律，海上落水人员漂移轨迹的运动方程也可表示为：

式中：m 为落水人员质量；V 为漂移运动速度；t 为时间；Fc为科氏力；Fwind为风作用力；Fcurrent为海流作用力；Fwave为海浪作用力。

以东西方向x 轴，南北方向为y 轴建立平面直角坐标系，其中正东方向为x 轴正方向，正北向为y 轴正方向。落水人员在水平和垂向速度分别设为u 和v，将海风作用力、海浪作用力、海流作用力和科氏力分别分解到水平和垂直两个方向，则上式可变换为：

2 海上落水人员漂移轨迹预测仿真参数设置

海上落水人员漂移轨迹与自身质量、海风和海流相关，本文落水人员质量取70 kg，海风作用横截面积取0.4 m2，其中风速取5.2 m/s，风向角取15°，海流作用横截面积取1.0 m2，其中流速取0.5 m/s，流向角取10°，波高平均取值为1.6 m，浪向角取10°。由于海风海流处于实时变化之中，仿真模拟时设置一定范围，具体参数见表1。

表1 模拟海上落水人员漂移轨迹具体参数

3 海上落水人员漂移轨迹预测对比

目前，海上落水人员漂移轨迹预测方法主要有解析法、蒙特卡洛模拟法、拉格朗日粒子追踪法等，为了更好地验证模型的有效性，本文选择解析法和蒙特卡洛模拟法两种方法进行海上落水人员漂移轨迹预测的相互印证，漂移轨迹预测和印证流程如图1 所示。

图1 漂移轨迹预测和对比流程

解析法是通过分析海上落水人员受力情况，得到落水人员漂流动力学方程，通过解析动力学方程计算出落水人员漂移轨迹的方法。从理论上讲，只要能够综合考虑到所有受力情况，解析法得到的落水人员漂流轨迹是准确无误的。但是由于海上环境复杂，落水人员自身和海上环境一直处于动态变化之中，在建立动力学方程时会忽略一些因素，因此会产生一定的误差。本文考虑落水人员自身质量、海风作用力、海流作用力和科氏力综合作用，基本吻合海上落水人员受力情况，在Matlab 软件中通过求解公式（3）和公式（4）可以得到落水人员的漂移轨迹。

蒙特卡洛模拟法是随着科学技术和电子计算机技术发展产生的数值模拟统计方法，通过概率统计的方法来计算某种事件发生的概率。海上落水人员漂移轨迹模拟中，通过拟合大量抽象粒子的位置来预测落水人员漂移曲线，仿真中抽象出的粒子数越多，仿真结果越接近实际值。蒙特卡洛模拟法以公式（1）和公式（2）为基础，仿真模拟落水人员的漂流轨迹。

图2 所示为解析法和蒙特卡洛法两种方法得到的海上落水人员的漂移轨迹对比，红色轨迹表示解析法得到的漂移轨迹，黑色轨迹表示蒙特卡洛模拟法得到的预测漂移轨迹。由图2 的漂移轨迹对比图可以看出，解析法和蒙特卡洛模拟法仿真得到的海上落水人员漂移轨迹初始阶段保持一致。随着漂移时间增加，两者轨迹出现一定偏差，但是漂移轨迹基本保持吻合，两种漂移轨迹预测方法实现了互相印证，模型的有效性得到了印证。但是表示落水人员位置时采用了直角坐标系南北坐标和东西坐标来反映落水人员位置，这与实际海上利用经纬度信息搜寻人员不符合，为了更准确更直观地反映出海上落水人员的漂移轨迹，更好地服务海上搜救，需对模型进行进一步的优化，下一章节将以解析法为基础进一步研究海上落水人员漂移轨迹精准可视化预测。

图2 两种方法漂移轨迹对比图

4 MATLAB 模拟仿真与可视化预测

解析法建立的模型中引入直角坐标系来表示海上落水人员位置，这与海上实际搜救情况和北斗定位系统显示的数据不符合。因此，在运用Matlab AppDesigner 软件搭建的海上落水人员漂移轨迹可视化预测系统中引入了经纬度信息，将直角坐标转化为经纬度坐标信息，为了更方便搜救人员定位和搜救指挥中心调度搜救力量，同时还引入电子海图来显示落水人员漂移轨迹。

海上落水人员漂移轨迹可视化预测系统主程序界面、漂移轨迹数据界面和海况数据界面三个板块组成。其中主程序界面主要分为三个区域，如图3所示：第一个区域具备参数录入功能，救援人员可以根据实际海况数据和遇险人员具体信息将落水人员的关键参数、海况参数、落水时间和落水位置输入系统；第二个区域具备查询漂移轨迹和落水人员位置功能，救援人员可以根据落水人员的落水时长来获取落水人员漂移各个时刻的的经纬度位置信息，以便于快速定位救援地点；第三个区域具备漂移轨迹显示功能，引入的电子海图可以更清晰显示遇险人员落水区域，更方便搜救指挥中心调度搜救力量，提高搜救成功率。

图3 海上落水人员漂移轨迹可视化预测系统

图4 所示为系统运行界面显示，红色曲线代表落水人员的漂移预测轨迹，根据系统显示可以准确地获取落水人员落水点、飘移终点和漂移轨迹曲线，也可以移动星标位置来查看某位置处的时间信息。

图4 海上落水人员漂移轨迹可视化预测

同时，系统的漂移轨迹数据和海况数据两个板块可以实时记录信息并存储导出，为后续海上搜救行动总结经验和后续优化提供支撑材料，其界面显示结果如图5 和图6 所示。

图5 漂移轨迹数据和海况数据记录界面

图6 海况数据和海况数据记录界面

5 结 论

本文通过分析海上落水人员受力信息，建立了海上落水人员漂移轨迹数学模型，分别基于解析法和蒙特卡洛模拟法得到了海上落水人员的漂移轨迹，对比结果表明：两种方法得到的漂移轨迹基本一致，验证了模型的有效性。在Matlab AppDesigner 软件上引入经纬度坐标和电子海图搭建了海上落水人员漂移轨迹可视化预测系统，可以实现海上落水人员漂移轨迹的精准可视化预测，大大提高海上搜救遇险落水人员和指挥中心调度海上救援力量的效率，研究内容和结果对海上搜救具备一定参考指导意义。