海上落水人員漂流軌跡影響因素分析

陳海斌 郭陽陽 張 龍 田祖織 薛興旺 謝方偉

（1.泰州市金海運(yùn)船用設(shè)備有限責(zé)任公司，泰州 225300；2.中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，徐州 221116）

0 引 言

隨著我國海洋科技力量的增強(qiáng)，海上運(yùn)輸業(yè)和旅游業(yè)的不斷發(fā)展，海上航行船舶日益增多的同時(shí)卻也導(dǎo)致海上遇險(xiǎn)事故頻發(fā)，快速準(zhǔn)確尋找到海上遇險(xiǎn)落水目標(biāo)是成功救援的保障，因此如何實(shí)現(xiàn)落水目標(biāo)高效準(zhǔn)確的軌跡預(yù)測顯得尤為重要[1-3]。

為了提高海上落水人員漂流軌跡預(yù)測精準(zhǔn)度，國內(nèi)外學(xué)者在漂流軌跡影響因素方面開展了較為豐富的研究。黃娟等[4]對落水人員、綠潮和無動(dòng)力船進(jìn)行了漂流預(yù)測的海上試驗(yàn)，確立了三種海上漂流物漂流軌跡的主要影響因素；徐江玲等[5]研究了波浪因素對海上漂浮物漂流軌跡的作用，發(fā)現(xiàn)考慮波浪作用的漂流軌跡預(yù)報(bào)誤差更小；譚鵬[6]從漂流目標(biāo)自身性質(zhì)和環(huán)境因素兩個(gè)方面，對搜索目標(biāo)漂流運(yùn)動(dòng)的影響因素做出了分析并給出了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；Chen等[7]建立了海上漂浮物追溯分析的Leeway-Trace模型，并討論了風(fēng)和潮汐對漂流軌跡追溯分析的影響。

本文基于前文所述研究基礎(chǔ)，綜合考慮海上落水人員漂流軌跡的影響因素，深入研究了海上落水人員關(guān)鍵參數(shù)和海況等級對漂流軌跡的影響，期望為精準(zhǔn)地預(yù)測落水人員漂流軌跡提供有益參考，提高海上搜救效率。

1 漂移軌跡預(yù)測數(shù)學(xué)模型建立

一般而言，海上落水人員落水情況分為兩種，一種是海上遇險(xiǎn)落水人員無初速度的落水，一種是航空人員海上遇險(xiǎn)帶有一定初速度落水，本文研究第一種無初速度落水人員的漂流軌跡。

目前，研究海上落水人員漂流軌跡的方法主要有解析法[8]、蒙特卡洛模擬法[2]和拉格朗日粒子追蹤法[9]等。本文采用解析法建立落水人員漂流運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，使用Matlab軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解和漂流軌跡模擬。落水人員在海風(fēng)作用力、海流作用力、海浪作用力和科氏力的共同作用下在海上漂流，則根據(jù)牛頓第二定律，海上落水人員的漂流軌跡動(dòng)力學(xué)方程可表示為：

式中：m為落水人員質(zhì)量；V為漂流運(yùn)動(dòng)速度；t為時(shí)間；Fc為科氏力；Fcu為海流作用力；Fw為風(fēng)作用力；Fwa為海浪作用力。

2 海上落水人員漂移軌跡仿真參數(shù)設(shè)置

2.1 落水人員參數(shù)設(shè)置

漂流軌跡模擬仿真所涉及的落水人員關(guān)鍵參數(shù)主要有落水人員質(zhì)量、海風(fēng)作用力和海流作用力，其中海風(fēng)作用力根據(jù)海風(fēng)作用橫截面積和海風(fēng)作用系數(shù)計(jì)算得到，海流作用力根據(jù)海流作用橫截面積和海流作用拖曳系數(shù)計(jì)算得到。

如表1所示，落水人員質(zhì)量在40～80 kg范圍之間取值，海風(fēng)作用系數(shù)取0.131，海風(fēng)作用橫截面積在0.2～1.0 m2范圍之間取值，海流拖曳系數(shù)取0.989，海流作用橫截面積在0.6～1.4 m2范圍之間取值。

表1 落水人員關(guān)鍵參數(shù)

2.2 海況參數(shù)設(shè)置

為了研究海況數(shù)據(jù)對海上落水人員漂流軌跡的影響，如圖1所示，模擬得到了一級到五級的海況數(shù)據(jù)，如圖1(a)、(b)、(c)、(d)和圖1(e)所示，分別是一到五級海況下海風(fēng)過程風(fēng)速數(shù)據(jù)、海流過程流速數(shù)據(jù)和海浪過程數(shù)據(jù)。其中一級到三級海況屬于低等級海況，四級和五級海況屬于高等級海況。

圖1 一級到五級海況數(shù)據(jù)

3 關(guān)鍵參數(shù)對海上落水人員漂移軌跡影響分析

為了深入探究落水人員關(guān)鍵參數(shù)對漂流軌跡的影響，基于海上落水人員漂流軌跡預(yù)測動(dòng)力學(xué)方程（1），運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行建模求解與仿真分析，獲得了三級海況下落水人員的漂流軌跡。

圖2到圖4所示為仿真分析的三級海況下不同落水人員質(zhì)量、海風(fēng)作用面積、海流作用面積三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對漂流軌跡的影響結(jié)果。

圖2 不同質(zhì)量落水人員對漂流軌跡影響

圖4 不同海流作用面積對漂流軌跡影響

圖2為僅考慮落水人員質(zhì)量差異下的漂流軌跡對比圖，以10 kg為間隔從40 kg到80 kg設(shè)置了五種不同質(zhì)量人員，從圖中可以看出質(zhì)量較小的落水人員漂流距離較遠(yuǎn)，質(zhì)量較大的落水人員漂流軌跡較近，與客觀規(guī)律相符。

圖3為考慮落水人員海風(fēng)作用面積差異下的漂流軌跡對比圖，以0.2 m2為間隔從0.2 m2到1.0 m2設(shè)置了五種不同海風(fēng)作用面積情形，從圖中可以看出不同海風(fēng)作用面積下落水人員漂流軌跡的重合度較高，表明正常海況下海風(fēng)作用面積對落水人員漂流軌跡影響較小。

圖3 不同海風(fēng)作用面積對漂流軌跡影響

圖4為僅考慮落水人員海流作用面積差異下的漂流軌跡對比圖，以0.2 m2為間隔從0.6 m2到1.4 m2設(shè)置了五種不同海流作用面積情形，從圖中可以看出：當(dāng)落水人員受海流作用面積較小時(shí)，漂流距離較近；當(dāng)落水人員受海流作用面積較大時(shí)，漂流距離較遠(yuǎn)。

綜合圖2至圖4所示模擬結(jié)果可以看出，正常海況下，在落水人員三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)當(dāng)中，落水人員質(zhì)量和海流作用面積對落水人員漂流軌跡影響較大，而海風(fēng)作用面積對漂流軌跡的影響程度較小。

由于落水人員三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是隨人員體型同時(shí)變化的，因此，綜合考慮三種關(guān)鍵參數(shù)，設(shè)置了五種不同體型的落水人員進(jìn)行漂流軌跡模擬（具體參數(shù)如表1所示），模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同模擬落水人員對漂流軌跡影響

從圖中可以看出五種不同體型的落水人員漂流軌跡是相近的，這是因?yàn)槁渌藛T質(zhì)量越大，漂流距離越短，與此同時(shí)，海流作用面積越大，漂流距離越遠(yuǎn)，兩者對落水人員漂流軌跡影響呈負(fù)相關(guān)。因此，正常海況下，海上遇險(xiǎn)落水人員是比較集中的，對于救援人員來說，只要迅速找到人群聚集位置，就可以大大提升搜救效率和成功率。

4 海況等級對海上落水人員漂移軌跡影響分析

五級五種海況條件下落水人員漂流軌跡進(jìn)行了仿真模擬。仿真過程中采用的數(shù)據(jù)為圖1（a）、（b）、（c）、（d）和（e）所示的一級到五級海況數(shù)據(jù)。上述數(shù)據(jù)忽略了風(fēng)向、流向及浪向角的影響。仿真模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 海況等級對落水人員對漂流軌跡影響

圖6為相同人員參數(shù)條件、不同海況等級條件下的落水人員漂流軌跡對比，結(jié)合五級海況下海風(fēng)、海流、海浪大小及方向的數(shù)據(jù)可以看出：在低等級海況下（一至三級海況），落水人員漂流軌跡基本保持一致，人員聚集比較明顯，漂流軌跡方向的改變由海流方向主導(dǎo)，海風(fēng)方向（風(fēng)向角）對漂流軌跡的影響較?。欢叩燃壓r下（四級、五級），落水人員漂流距離相較低等級海況明顯加大，且增幅明顯，漂流軌跡的方向變?yōu)橛珊Ａ鞣较蚣昂ｏL(fēng)方向雙重主導(dǎo)，且海風(fēng)方向（風(fēng)向角）的影響比重逐漸增大。

5 結(jié) 論

為了探究海上落水人員關(guān)鍵參數(shù)和海況等級對落水人員漂流軌跡的影響，建立了海上落水人員漂流軌跡模型，在MATLAB軟件中對模型進(jìn)行模擬仿真，得到了三級海況下不同落水人員質(zhì)量、不同海風(fēng)作用面積以及不同海流作用面積三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)下落水人員的漂流軌跡，并且模擬仿真得到了不同海況下落水人員的漂流軌跡，研究結(jié)果表明低等級海況時(shí)落水人員三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)中落水人員質(zhì)量、海流作用面積對落水人員漂流軌跡影響較大；隨著海況等級的增大，落水人員漂流軌跡方向的改變由海流主導(dǎo)逐漸轉(zhuǎn)向由海風(fēng)主導(dǎo)。研究結(jié)果對于海上搜救具有重要參考意義。