对开展海上物体漂移轨迹模拟研究的思考

叶伟强　于龙飞

(广州航海学院　广州　510725)

对开展海上物体漂移轨迹模拟研究的思考

叶伟强于龙飞

(广州航海学院广州510725)

摘要通过分析我国21世纪以来水上事故状况和相应搜救工作成果，对比已有搜救研究工作，在已有搜救系统基础上，提出通过数值仿真方法，对不同海面失事物体在不同海况下的漂移轨迹进行模拟计算，给出相应研究思路与步骤，以对早期海上搜救系统进行完善与改进。

关键词水上事故漂移轨迹模拟

2014年世界经济形势虽总体优于2013年，但航运市场依然缺乏复苏的强劲动力[1]。在此背景下，中国政府倡导设立亚洲基础设施投资银行(以下简称“亚投行”)，旨在完善亚洲发展中国家基础设施，加强各国间经贸联系。21世纪海上丝绸之路建设战略，更是直接指向亚洲各国之间的海上贸易与交流，对亚洲经济的整体融合与崛起具有十分重要的意义。所以，海上贸易必将迎来有力复苏。然而，与陆地相比，海洋环境复杂多变，所处海(水)域内人员众多、组成结构复杂、各处海域存在差异等原因，海难事故较易发生。尤其在各国间海上贸易将进一步加强的今后时期，事故发生次数与几率势必进一步增加。因此，加强海上交通管理，预防事故发生，并在事故发生后，实施有效的海面失事物体搜救，显得十分必要。

1　我国水上事故和搜救现状综述

根据近年来我国交通运输部发布的行业发展统计公报[2]，对我国近10年来的水上事故及相应的搜救工作进行综合描述，中国2002～2013年水上事故调查统计见表1。

表1　中国2002～2013年部分年水上事故调查统计表

由表1可见，随着管理部门监管力度的加大，发生的水上交通事故、死亡人数和沉船数，从整体上呈现逐年减少的趋势，但直接经济损失却没有得到有效改善，近10年间在较高数值上波动，见图1。

值得指出，水上事故导致的直接经济损失维持在一个较高状态，是在近几年国际航运市场一直表现低迷，复苏乏力的整体背景之下。

图1　2002～2013年中国水上事故直接经济损失

此外，对2012年东南沿海6省数据进行统计发现，东/南海沿海6省遇险人数占全国遇险人数近六成，见表2。该数据意味我国水上事故主要发生在东、南沿海区域。随着亚投行工作全面铺开，航运市场必然回暖，各国间海上协调问题将随之显现。届时海上航道将愈加繁忙，其水上事故预计亦将大幅上升，直接经济损失也会相应大幅增加。

表2　2012年我国东、南沿海6省遇险/获救人数统计表

与此同时，面对近10年来水上事故发生现状，我国各级管理机构积极应对，充分展开了各种情况的搜救工作。

2002～2013年中国各级机构的搜救行动统计数据见表3，具体趋势见图2，为了便于显示，图2中数据进行了相应比例缩放。

图2　2002～2013年搜救数据总图

年份类别搜救次数/(起)协调船舶/(艘次)协调飞机(架次)遇险人员/人获救人员/人救助成功率/%平均每天救助人数/(人·d-1)20021946398523131951272796.53520031889458126149121424395.539200718617830245250872422796.666200817846320199202801956596.554201121778600402193521871196.751201219547316352169571639296.745201321647507386213792069296.857

由图2及表3可见，水上事故发生次数逐年减少的同时，搜救次数却维持在一定水平或小幅增加，说明单次事故的搜救次数不断增加。其次，从出动搜救协调船舶与飞机架次来看，单次搜救出动的搜救力量明显增加，尤其是出动的飞机架次，2013出动的飞机搜救架次与2002年相比，增加幅度大于16倍。因此不难看出，我国每年投入的搜救成本从搜救次数，及单次搜救成本都快速提高。但搜救成功率则一直维持在96%～97%之间，即在单次搜救成本快速提高的同时，搜救成功率并没有明显提高。所以，有必要对搜救过程投入更多的研究工作，提高我国水上事故的搜救成功率。

2　复杂海况下三维物体漂移轨迹模拟计算探讨

海上搜救活动可以分为“搜寻”和“救助”2个部分[3]。“搜寻”是搜救的前提与首要任务，而搜寻的核心问题为：准确预测“目标在哪？将要去何处？”。从技术手段上说，要解决该核心问题，必须精确计算海域中不同目标体在不同的自然水文环境、不同水域地形中的水中运动轨迹[4]，方能提高判断目标体所在的具体位置和可能出现区域的准确率。所以，对海上目标体的漂移运动轨迹进行动态模拟仿真，对整个搜救工作的顺利、快速开展将起到至关重要的作用。且与物模试验相比，具有显著的成本和时间优势。

2.1现有研究工作

针对不断发生的海难事故，各级管理部门在不断加大搜救资源投入、提升管理水平的同时，也联合科研院所展开了不少研究工作，如广东省海上搜寻与救助协调系统的研制工作在2008年5月即已获得完成[5]，但从后续已有的广东省搜救统计数据来看，该省遇险人数虽得到有效控制，但搜救成功率并没有明显提高，见表4。

表4　广东省水上事故与搜救数据统计

该现象可能和现有搜救研究工作具有以下特点相关。

(1) 推算公式以国外计算公式为参考。如漂移轨迹预报所采用的漂移公式，多直接采用国外的风致漂移经验公式[6]进行估算，且主要考虑风和波高，对波长与流的影响没有过多考虑。而实际情况中，流速与波长对物体的漂移轨迹有显著影响。

(2) 对海上搜救环境的研究[7]多采用先单个分析，再简单矢量叠加的方式。如对流速的考虑即为如此，先单个分析风生流、海流、潮流等因素，再进行矢量叠加。

(3) 对海域中结构物的漂移运动轨迹的理论研究多，模拟仿真少。目前多直接采用经验公式或数学预测模型来推算，但对实际的漂移运动动态过程仿真研究较少，从而较少真实、细致地分析海中物体漂移运动过程，已有研究也是以简单二维模拟为主。

(4)海上环境相差较大。我国北/南方水域存在明显不同的特点[8]，如北方海域水温低，受寒潮影响为主；南海海域则水域面积大、台风多。

2.2模拟计算内容

对海上搜救环境进行分析和理论计算，建立相应数学模型；对不同海上目标体(如救生筏与落水者)在事故发生区域建立几何模型；通过流体计算仿真软件，根据不同水文环境、不同地形水域，设定相应定解条件，并组合成典型工况；对典型工况下，物体的运动轨迹进行计算与模拟仿真；根据计算结果总结出有意义的定性结论，为搜救工作提供参考依据。

2.3研究步骤与思路

(1) 建立落水物体模型。对受关注目标体建立几何模型，对各物体自身密度、尺寸、水中浸没比例进行分析，确定物体在水中的运动姿态，准确分析其所受的风、浪、流等作用力。

(2) 分析水文环境因素。分析各因素对漂移运动轨迹的影响，如不同波长波浪对目标体影响不同，短波影响较大，而长波几乎不受影响等，并讨论因素间的相互影响和耦合关系。

(3) 分析地域地形。地形结构对流场运动具有一定影响，如肩胛角对波浪有聚合作用。

(4) 典型工况下的物体运动轨迹仿真模拟。

(5) 分析数值模拟结果，提交研究报告。对数值计算结果进行分析，并形成完整项目报告。对计算过程中出现的问题与现象进行讨论分析，给出下一步研究建议。

(6) 整理数值计算研究结果，完善已有搜寻与救助系统的相应模块，改进现有软件系统。以上工作如图3所示。

图3　海上物体漂移轨迹模拟步骤示意图

3　结语

通过对我国21世纪水上事故发生规律及搜救工作进行数据统计与分析，结合我国搜救工作研究成果，提出针对实际海况中，对不同海上事故物体的漂移轨迹进行模拟的思路，并给出数值计算内容、思路与研究步骤。在条件许可情况下，可以对该数值研究工作进行后续延伸，如在三维试验水池中进行一定比例的物模试验，以验证数值模拟结果。在管理部门指导下，也可以选择一定水域，进行物体漂移轨迹实况实验，进一步验证数值与物模试验结果，然后通过获得检验的数值模型，对不同海域、各种海况下的任何复杂物体漂移轨迹进行模拟仿真，为我国的搜救工作提供科学的参考依据。

参考文献

[1]中华人民共和国国家统计局．2014年世界经济形势回顾与2015年展望[Z].北京：国家统计局国际统计信息中心，2015.

[2]中华人民共和国交通运输部.2013年交通运输行业发展统计公报[Z].北京：交通运输部综合规划司,2014.

[3]邱平.海上最佳搜寻区域与搜寻方法的研究[D].大连:大连海事大学,2006.

[4]张有为.海上搜救模拟人及其漂移模型研究[D].大连:大连海事大学,2010.

[5]毕修颖.广东省海上搜寻与救助协调系统软件使用说明书[Z]. 广州 广东海事局，2008.

[6]刘汉明，苗兰森，臧海鹏.风、流、浪联合作用下的水面失事难船漂流运动仿真模型研究[C].博鳌.中国交通运输部救助打捞局，第四届中国国际救捞论坛论文集，2007:86-89.

[7]范希伟.海上搜救环境研究[D].大连:大连海事大学,2013.

[8]姜华林.海上搜救中搜寻区域的确定模型研究[D].大连:大连理工大学,2011.

收稿日期：2015-04-29

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.052