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.泰州市金海運船用設備有限責任公司，泰州 225300；2.中國礦業大學 機電工程學院，徐州 221116）

0 引 言

隨著我國海洋科技力量的增強，海上運輸業和旅游業的不斷發展，海上航行船舶日益增多的同時卻也導致海上遇險事故頻發，快速準確尋找到海上遇險落水目標是成功救援的保障，因此如何實現落水目標高效準確的軌跡預測顯得尤為重要[1-3]。

為了提高海上落水人員漂流軌跡預測精準度，國內外學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、綠潮和無動力船進行了漂流預測的海上試驗，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，發現考慮波浪作用的漂流軌跡預報誤差更小；譚鵬[6]從漂流目標自身性質和環境因素兩個方面，對搜索目標漂流運動的影響因素做出了分析并給出了相應的數學模型；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，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鍵參數和海況等級對漂流軌跡的影響，期望為精準地預測落水人員漂流軌跡提供有益參考，提高海上搜救效率。

1 漂移軌跡預測數學模型建立

一般而言，海上落水人員落水情況分為兩種，一種是海上遇險落水人員無初速度的落水，一種是航空人員海上遇險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動學方程，使用Matlab軟件進行運動學方程求解和漂流軌跡模擬。落水人員在海風作用力、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，則根據牛頓第二定律，海上落水人員的漂流軌跡動力學方程可表示為：

式中：m為落水人員質量；V為漂流運動速度；t為時間；Fc為科氏力；Fcu為海流作用力；Fw為風作用力；Fwa為海浪作用力。

2 海上落水人員漂移軌跡仿真參數設置

2.1 落水人員參數設置

漂流軌跡模擬仿真所涉及的落水人員關鍵參數主要有落水人員質量、海風作用力和海流作用力，其中海風作用力根據海風作用橫截面積和海風作用系數計算得到，海流作用力根據海流作用橫截面積和海流作用拖曳系數計算得到。

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

表1 落水人員關鍵參數

2.2 海況參數設置

為了研究海況數據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據，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過程風速數據、海流過程流速數據和海浪過程數據。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 一級到五級海況數據

3 關鍵參數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鍵參數對漂流軌跡的影響，基于海上落水人員漂流軌跡預測動力學方程（1），運用Matlab軟件進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量、海風作用面積、海流作用面積三個關鍵參數對漂流軌跡的影響結果。

圖2 不同質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設置了五種不同質量人員，從圖中可以看出質量較小的落水人員漂流距離較遠，質量較大的落水人員漂流軌跡較近，與客觀規律相符。

圖3為考慮落水人員海風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設置了五種不同海風作用面積情形，從圖中可以看出不同海風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作用面積對落水人員漂流軌跡影響較小。

圖3 不同海風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設置了五種不同海流作用面積情形，從圖中可以看出：當落水人員受海流作用面積較小時，漂流距離較近；當落水人員受海流作用面積較大時，漂流距離較遠。

綜合圖2至圖4所示模擬結果可以看出，正常海況下，在落水人員三個關鍵參數當中，落水人員質量和海流作用面積對落水人員漂流軌跡影響較大，而海風作用面積對漂流軌跡的影響程度較小。

由于落水人員三個關鍵參數是隨人員體型同時變化的，因此，綜合考慮三種關鍵參數，設置了五種不同體型的落水人員進行漂流軌跡模擬（具體參數如表1所示），模擬結果如圖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，這是因為落水人員質量越大，漂流距離越短，與此同時，海流作用面積越大，漂流距離越遠，兩者對落水人員漂流軌跡影響呈負相關。因此，正常海況下，海上遇險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行了仿真模擬。仿真過程中采用的數據為圖1（a）、（b）、（c）、（d）和（e）所示的一級到五級海況數據。上述數據忽略了風向、流向及浪向角的影響。仿真模擬結果如圖6所示。

圖6 海況等級對落水人員對漂流軌跡影響

圖6為相同人員參數條件、不同海況等級條件下的落水人員漂流軌跡對比，結合五級海況下海風、海流、海浪大小及方向的數據可以看出：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，海風方向（風向角）對漂流軌跡的影響較??；而高等級海況下（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，漂流軌跡的方向變為由海流方向及海風方向雙重主導，且海風方向（風向角）的影響比重逐漸增大。

5 結 論

為了探究海上落水人員關鍵參數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軟件中對模型進行模擬仿真，得到了三級海況下不同落水人員質量、不同海風作用面積以及不同海流作用面積三個關鍵參數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，研究結果表明低等級海況時落水人員三個關鍵參數中落水人員質量、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逐漸轉向由海風主導。研究結果對于海上搜救具有重要參考意義。