海上落水人员漂流轨迹影响因素分析

陈海斌 郭阳阳 张 龙 田祖织 薛兴旺 谢方伟

（1.泰州市金海运船用设备有限责任公司，泰州 225300；2.中国矿业大学 机电工程学院，徐州 221116）

0 引 言

随着我国海洋科技力量的增强，海上运输业和旅游业的不断发展，海上航行船舶日益增多的同时却也导致海上遇险事故频发，快速准确寻找到海上遇险落水目标是成功救援的保障，因此如何实现落水目标高效准确的轨迹预测显得尤为重要[1-3]。

为了提高海上落水人员漂流轨迹预测精准度，国内外学者在漂流轨迹影响因素方面开展了较为丰富的研究。黄娟等[4]对落水人员、绿潮和无动力船进行了漂流预测的海上试验，确立了三种海上漂流物漂流轨迹的主要影响因素；徐江玲等[5]研究了波浪因素对海上漂浮物漂流轨迹的作用，发现考虑波浪作用的漂流轨迹预报误差更小；谭鹏[6]从漂流目标自身性质和环境因素两个方面，对搜索目标漂流运动的影响因素做出了分析并给出了相应的数学模型；Chen等[7]建立了海上漂浮物追溯分析的Leeway-Trace模型，并讨论了风和潮汐对漂流轨迹追溯分析的影响。

本文基于前文所述研究基础，综合考虑海上落水人员漂流轨迹的影响因素，深入研究了海上落水人员关键参数和海况等级对漂流轨迹的影响，期望为精准地预测落水人员漂流轨迹提供有益参考，提高海上搜救效率。

1 漂移轨迹预测数学模型建立

一般而言，海上落水人员落水情况分为两种，一种是海上遇险落水人员无初速度的落水，一种是航空人员海上遇险带有一定初速度落水，本文研究第一种无初速度落水人员的漂流轨迹。

目前，研究海上落水人员漂流轨迹的方法主要有解析法[8]、蒙特卡洛模拟法[2]和拉格朗日粒子追踪法[9]等。本文采用解析法建立落水人员漂流运动学方程，使用Matlab软件进行运动学方程求解和漂流轨迹模拟。落水人员在海风作用力、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，则根据牛顿第二定律，海上落水人员的漂流轨迹动力学方程可表示为：

式中：m为落水人员质量；V为漂流运动速度；t为时间；Fc为科氏力；Fcu为海流作用力；Fw为风作用力；Fwa为海浪作用力。

2 海上落水人员漂移轨迹仿真参数设置

2.1 落水人员参数设置

漂流轨迹模拟仿真所涉及的落水人员关键参数主要有落水人员质量、海风作用力和海流作用力，其中海风作用力根据海风作用横截面积和海风作用系数计算得到，海流作用力根据海流作用横截面积和海流作用拖曳系数计算得到。

如表1所示，落水人员质量在40～80 kg范围之间取值，海风作用系数取0.131，海风作用横截面积在0.2～1.0 m2范围之间取值，海流拖曳系数取0.989，海流作用横截面积在0.6～1.4 m2范围之间取值。

表1 落水人员关键参数

2.2 海况参数设置

为了研究海况数据对海上落水人员漂流轨迹的影响，如图1所示，模拟得到了一级到五级的海况数据，如图1(a)、(b)、(c)、(d)和图1(e)所示，分别是一到五级海况下海风过程风速数据、海流过程流速数据和海浪过程数据。其中一级到三级海况属于低等级海况，四级和五级海况属于高等级海况。

图1 一级到五级海况数据

3 关键参数对海上落水人员漂移轨迹影响分析

为了深入探究落水人员关键参数对漂流轨迹的影响，基于海上落水人员漂流轨迹预测动力学方程（1），运用Matlab软件进行建模求解与仿真分析，获得了三级海况下落水人员的漂流轨迹。

图2到图4所示为仿真分析的三级海况下不同落水人员质量、海风作用面积、海流作用面积三个关键参数对漂流轨迹的影响结果。

图2 不同质量落水人员对漂流轨迹影响

图4 不同海流作用面积对漂流轨迹影响

图2为仅考虑落水人员质量差异下的漂流轨迹对比图，以10 kg为间隔从40 kg到80 kg设置了五种不同质量人员，从图中可以看出质量较小的落水人员漂流距离较远，质量较大的落水人员漂流轨迹较近，与客观规律相符。

图3为考虑落水人员海风作用面积差异下的漂流轨迹对比图，以0.2 m2为间隔从0.2 m2到1.0 m2设置了五种不同海风作用面积情形，从图中可以看出不同海风作用面积下落水人员漂流轨迹的重合度较高，表明正常海况下海风作用面积对落水人员漂流轨迹影响较小。

图3 不同海风作用面积对漂流轨迹影响

图4为仅考虑落水人员海流作用面积差异下的漂流轨迹对比图，以0.2 m2为间隔从0.6 m2到1.4 m2设置了五种不同海流作用面积情形，从图中可以看出：当落水人员受海流作用面积较小时，漂流距离较近；当落水人员受海流作用面积较大时，漂流距离较远。

综合图2至图4所示模拟结果可以看出，正常海况下，在落水人员三个关键参数当中，落水人员质量和海流作用面积对落水人员漂流轨迹影响较大，而海风作用面积对漂流轨迹的影响程度较小。

由于落水人员三个关键参数是随人员体型同时变化的，因此，综合考虑三种关键参数，设置了五种不同体型的落水人员进行漂流轨迹模拟（具体参数如表1所示），模拟结果如图5所示。

图5 不同模拟落水人员对漂流轨迹影响

从图中可以看出五种不同体型的落水人员漂流轨迹是相近的，这是因为落水人员质量越大，漂流距离越短，与此同时，海流作用面积越大，漂流距离越远，两者对落水人员漂流轨迹影响呈负相关。因此，正常海况下，海上遇险落水人员是比较集中的，对于救援人员来说，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 海况等级对海上落水人员漂移轨迹影响分析

五级五种海况条件下落水人员漂流轨迹进行了仿真模拟。仿真过程中采用的数据为图1（a）、（b）、（c）、（d）和（e）所示的一级到五级海况数据。上述数据忽略了风向、流向及浪向角的影响。仿真模拟结果如图6所示。

图6 海况等级对落水人员对漂流轨迹影响

图6为相同人员参数条件、不同海况等级条件下的落水人员漂流轨迹对比，结合五级海况下海风、海流、海浪大小及方向的数据可以看出：在低等级海况下（一至三级海况），落水人员漂流轨迹基本保持一致，人员聚集比较明显，漂流轨迹方向的改变由海流方向主导，海风方向（风向角）对漂流轨迹的影响较小；而高等级海况下（四级、五级），落水人员漂流距离相较低等级海况明显加大，且增幅明显，漂流轨迹的方向变为由海流方向及海风方向双重主导，且海风方向（风向角）的影响比重逐渐增大。

5 结 论

为了探究海上落水人员关键参数和海况等级对落水人员漂流轨迹的影响，建立了海上落水人员漂流轨迹模型，在MATLAB软件中对模型进行模拟仿真，得到了三级海况下不同落水人员质量、不同海风作用面积以及不同海流作用面积三个关键参数下落水人员的漂流轨迹，并且模拟仿真得到了不同海况下落水人员的漂流轨迹，研究结果表明低等级海况时落水人员三个关键参数中落水人员质量、海流作用面积对落水人员漂流轨迹影响较大；随着海况等级的增大，落水人员漂流轨迹方向的改变由海流主导逐渐转向由海风主导。研究结果对于海上搜救具有重要参考意义。