本發(fā)明涉及一種海上目標(biāo)物漂移軌跡預(yù)測方法，具體地說是涉及一種落水人員海上漂移軌跡預(yù)測方法，屬于海上搜救技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著海洋開發(fā)規(guī)模的擴大，海事活動的頻繁，海難事故更為人們所關(guān)注。海難事故在政治、經(jīng)濟、軍事上都會給世界沿海各國帶來巨大災(zāi)難，不僅是人員傷亡和財產(chǎn)的損失，還會給社會發(fā)展帶來不良影響。因此，海上搜救工作越來越得到各沿海國家的重視。對于快速發(fā)展的海上運輸業(yè)和漁上捕撈業(yè)，海上搜救行動能夠給人員及財產(chǎn)的安全提供不可替代的保障作用。

目前，我國的海上搜救指揮協(xié)調(diào)工作主要依靠搜救指揮人員的經(jīng)驗和判斷，尚不能根據(jù)海上失事地點水文氣象狀況等，快速高效地預(yù)報失事人員的漂移軌跡，這在很大程度上影響了指揮與協(xié)調(diào)工作的快速性和準(zhǔn)確性，往往會使搜救行動貽誤時機。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種落水人員海上漂移軌跡預(yù)測方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)解決方案是：

一種落水人員海上漂移軌跡預(yù)測方法，采用下述結(jié)構(gòu)的仿真人體模型，該仿真人體模型包括頭部模型、軀干部模型、左上臂模型、右上臂模型、左前臂模型、右前臂模型、左手掌模型、右手掌模型、左大腿模型、右大腿模型、左小腿模型、右小腿模型、左腳掌模型和右腳掌模型，所述頭部模型和軀干部模型之間通過頸關(guān)節(jié)模型連接，所述左上臂模型、右上臂模型分別和軀干部模型之間通過肩關(guān)節(jié)模型連接，所述左前臂模型和左上臂模型之間、右前臂模型和右上臂模型之間通過肘關(guān)節(jié)模型連接，所述左手掌模型和左前臂模型之間、右手掌模型和右前臂模型之間通過腕關(guān)節(jié)模型連接，所述左大腿模型、右大腿模型分別和軀干部模型之間通過髖關(guān)節(jié)模型連接，所述左小腿模型和左大腿模型之間、右小腿模型和右大腿模型之間通過膝關(guān)節(jié)模型連接，所述左腳掌模型和左小腿模型之間、右腳掌模型和右小腿模型之間通過踝關(guān)節(jié)模型連接；所述頭部模型的內(nèi)部設(shè)置有第一密封艙，軀干部模型的內(nèi)部設(shè)置有第二密封艙，在第一密封艙和第二密封艙之間設(shè)置有線纜穿管；所述第一密封艙的內(nèi)部設(shè)置有GPS/北斗定位模塊，第二密封艙的內(nèi)部設(shè)置有通信部件和供電部件；

該方法包括以下步驟：

a將上述仿真人體模型在指定位置拋放，通過仿真人體模型上的GPS/北斗定位模塊進行實時定位，記錄仿真人體模型的實際漂移軌跡；

b使用ADCP進行剖面海流分層定點觀測，觀測時間間隔1min，觀測時長為25小時；同步進行直讀式海流計表層海流觀測，觀測時間間隔30min，以及手持風(fēng)速儀進行海面風(fēng)觀測，觀測時間間隔30min；

c以海洋水動力模型為基礎(chǔ)，采用Lagrange粒子追蹤方法，計算仿真人體模型在風(fēng)和流的共同作用下的初步預(yù)測漂移軌跡；

d將初步預(yù)測漂移軌跡與實際漂移軌跡進行對比分析，得出初步預(yù)測漂移軌跡的校正系數(shù)，對初步預(yù)測漂移軌跡進行校正，獲得精準(zhǔn)預(yù)測漂移軌跡；

e獲取實際落水人員處的觀測數(shù)據(jù)，重復(fù)上述計算步驟，并進行校正，獲得落水人員海上漂移預(yù)測軌跡。

上述步驟c中：還需考慮模型參數(shù)的不確定性，在計算的移動位移上增加擾動項，給出軌跡運行范圍。

優(yōu)選的，所述頸關(guān)節(jié)模型為由柔性材料制成的連接柱結(jié)構(gòu)，所述肩關(guān)節(jié)模型為萬向節(jié)連接結(jié)構(gòu)，所述肘關(guān)節(jié)模型、腕關(guān)節(jié)模型和膝關(guān)節(jié)模型為直鉸鏈連接結(jié)構(gòu)，所述髖關(guān)節(jié)模型和踝關(guān)節(jié)模型為球鉸鏈連接結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，所述肩關(guān)節(jié)模型、肘關(guān)節(jié)模型、腕關(guān)節(jié)模型、髖關(guān)節(jié)模型、膝關(guān)節(jié)模型和踝關(guān)節(jié)模型上均設(shè)置有手動鎖定結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，所述軀干部模型的內(nèi)部還設(shè)置有配重調(diào)節(jié)艙，配重調(diào)節(jié)艙位于第二密封艙的下方，在第二密封艙和配重調(diào)節(jié)艙之間設(shè)置有脊椎支桿。

優(yōu)選的，所述軀干部模型上設(shè)置有外部充電和系統(tǒng)調(diào)試接口，所述頭部模型在對應(yīng)嘴巴、頭頂和后腦的位置處設(shè)置有用于安裝天線延長桿的孔位。

優(yōu)選的，該仿真人體模型還配套有全身覆蓋衣物。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果是：

本發(fā)明采用的仿真人體模型具備與真人外形相似的軀體部件和基本結(jié)構(gòu)，各軀體部件通過各個活動關(guān)節(jié)進行連接，從而可較為真實地模擬真人落水后的情形，提高對落水人員在海水中漂流路線的預(yù)測精度。同時，通過ADCP、海流計、風(fēng)速儀等進行風(fēng)流觀測，并根據(jù)觀測數(shù)據(jù)采用Lagrange粒子追蹤方法計算漂移軌跡，再通過與實際記錄的漂移軌跡進行對比校正，獲得較為精準(zhǔn)的漂移軌跡，提高了營救工作的快速性和準(zhǔn)確性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所采用仿真人體模型的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中仿真人體模型的局部結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與具體實施方式對本發(fā)明作進一步說明。

一種落水人員海上漂移軌跡預(yù)測方法，采用下述結(jié)構(gòu)的仿真人體模型，如圖1、2所示，包括頭部模型1、軀干部模型2、左上臂模型3、右上臂模型4、左前臂模型5、右前臂模型6、左手掌模型7、右手掌模型8、左大腿模型9、右大腿模型10、左小腿模型11、右小腿模型12、左腳掌模型13和右腳掌模型14。所述頭部模型1和軀干部模型2之間通過頸關(guān)節(jié)模型15連接。所述左上臂模型3、右上臂模型4分別和軀干部模型2之間通過肩關(guān)節(jié)模型16連接。所述左前臂模型5和左上臂模型3之間、右前臂模型6和右上臂模型4之間通過肘關(guān)節(jié)模型17連接。所述左手掌模型7和左前臂模型5之間、右手掌模型8和右前臂模型6之間通過腕關(guān)節(jié)模型18連接。所述左大腿模型9、右大腿模型10分別和軀干部模型2之間通過髖關(guān)節(jié)模型19連接。所述左小腿模型11和左大腿模型9之間、右小腿模型12和右大腿模型10之間通過膝關(guān)節(jié)模型20連接。所述左腳掌模型13和左小腿模型11之間、右腳掌模型14和右小腿模型12之間通過踝關(guān)節(jié)模型21連接。所述頸關(guān)節(jié)模型15為由柔性材料制成的連接柱結(jié)構(gòu)，所述肩關(guān)節(jié)模型16為萬向節(jié)連接結(jié)構(gòu)，所述肘關(guān)節(jié)模型17、腕關(guān)節(jié)模型18和膝關(guān)節(jié)模型20為直鉸鏈連接結(jié)構(gòu)，所述髖關(guān)節(jié)模型19和踝關(guān)節(jié)模型21為球鉸鏈連接結(jié)構(gòu)。而為了在海上對該仿真人體模型進行定位跟蹤，模型內(nèi)部應(yīng)具備放置電子部件的空間，可根據(jù)需求靈活嵌入各類現(xiàn)成的定位和發(fā)射電子模塊，因此人體模型內(nèi)需預(yù)留設(shè)備密封艙以放置電子部件。所述頭部模型1的內(nèi)部設(shè)置有第一密封艙22，軀干部模型2的內(nèi)部設(shè)置有第二密封艙23，在第一密封艙22和第二密封艙23之間設(shè)置有線纜穿管24。第一密封艙22和第二密封艙23的內(nèi)部可根據(jù)實際需要預(yù)留多個電子部件的安裝位置及固定孔位。所述第一密封艙22的內(nèi)部設(shè)置有GPS/北斗定位模塊，第二密封艙23的內(nèi)部設(shè)置有通信部件和供電部件。該方法包括以下步驟：

a將上述仿真人體模型在指定位置拋放，通過仿真人體模型上的GPS/北斗定位模塊進行實時定位，記錄仿真人體模型的實際漂移軌跡；

b使用ADCP進行剖面海流分層定點觀測，觀測時間間隔1min，觀測時長為25小時；同步進行直讀式海流計表層海流觀測，觀測時間間隔30min，以及手持風(fēng)速儀進行海面風(fēng)觀測，觀測時間間隔30min；

c以海洋水動力模型為基礎(chǔ)，采用Lagrange粒子追蹤方法，計算仿真人體模型在風(fēng)和流的共同作用下的初步預(yù)測漂移軌跡；

d將初步預(yù)測漂移軌跡與實際漂移軌跡進行對比分析，得出初步預(yù)測漂移軌跡的校正系數(shù)，對初步預(yù)測漂移軌跡進行校正，獲得精準(zhǔn)預(yù)測漂移軌跡；

e獲取實際落水人員處的觀測數(shù)據(jù)，重復(fù)上述計算步驟，并進行校正，獲得落水人員海上漂移預(yù)測軌跡。

步驟c中：還需考慮模型參數(shù)的不確定性，在計算的移動位移上增加擾動項，給出軌跡運行范圍。

上述仿真人體模型中關(guān)節(jié)與肢體的連接方式及活動范圍如下表1所示：

表1

由于考慮到人體模型在水中模擬不同漂流姿態(tài)的需求，所述肩關(guān)節(jié)模型16、肘關(guān)節(jié)模型17、腕關(guān)節(jié)模型18、髖關(guān)節(jié)模型19、膝關(guān)節(jié)模型20和踝關(guān)節(jié)模型21上均設(shè)置有手動鎖定結(jié)構(gòu)。關(guān)節(jié)被鎖定后具備一定的固定強度，在海水中漂流時不會因海浪的拍打而肆意改變姿態(tài)。另外由于人體模型的頭部需要安裝定位及通信天線，因此頸關(guān)節(jié)模型前后活動范圍應(yīng)比真人頸部活動范圍大，初步測算人體模型頸部的前后活動范圍需要到±80°以上。

另外，綜合參考臨床醫(yī)學(xué)、汽車碰撞試驗等仿真人研制時所參考的相關(guān)參數(shù)，必要時可根據(jù)實際情況進行修正。根據(jù)2015年全國18歲及以上成年男性和女性的平均身高分別為167.1cm和155.8cm，平均體重分別為66.2kg和57.3kg。對海上搜救用仿真人體模型的基本尺寸參數(shù)等進行具體設(shè)計。

表2為模型基本尺寸參數(shù)。

表2

表3為靜止形態(tài)尺寸參數(shù)。

表3

表4為模型生理學(xué)參數(shù)。

表4

表5為模型材料類型。

表5

另外，為避免造成仿真人體模型頭重腳輕的情況，所述軀干部模型2的內(nèi)部還設(shè)置有配重調(diào)節(jié)艙25，以用于人體模型的重心調(diào)節(jié)和密度調(diào)節(jié)。配重調(diào)節(jié)艙25位于第二密封艙23的下方，在第二密封艙23和配重調(diào)節(jié)艙25之間設(shè)置有脊椎支桿26。

進一步的，所述軀干部模型2上設(shè)置有外部充電和系統(tǒng)調(diào)試接口，而考慮到人體模型在海上需要模擬直立、俯臥、仰臥三種漂流姿態(tài)，不同姿態(tài)下都需要保證通信天線高于海面一定距離，所述頭部模型在對應(yīng)嘴巴、頭頂和后腦的位置處設(shè)置有用于安裝天線延長桿的孔位。在實際測試時可根據(jù)不同姿態(tài)的設(shè)置情況安裝天線延長桿，桿體采用材質(zhì)較輕的中空管材，內(nèi)部穿4芯線纜到桿頂，桿頂可固定安裝通信天線及信標(biāo)燈。

由于預(yù)留接口均與內(nèi)部密封艙的電子部件相連，因此所有接口連接部位，包括延長桿與人體模型連接部、空閑延長桿接口、電池充電接口等，在封閉后應(yīng)具備良好的水密性和耐腐蝕性，長期泡在海水中不會漏水或嚴(yán)重腐蝕。

進一步的，該仿真人體模型還需要具備配套的全身覆蓋衣物(含頭套、手套、腰帶、鞋子)，以模仿真人落水時穿著衣物的情況，為便于海上發(fā)現(xiàn)，顏色應(yīng)為鮮明色(如亮黃色或草綠色)，且衣物應(yīng)能夠耐海水腐蝕，不會因為海水浸泡而腐爛。衣物上應(yīng)設(shè)計腰帶，以便于人體模型在海中的投放、回收時的鉤曳操作，因此腰帶需要具備牢固性，不會因鉤曳而輕易脫落。

下面對相關(guān)的實驗過程進行簡要說明：

海上實驗區(qū)域為青島市大公島附近海域。中心點坐標(biāo)為120.57°E，35.92°N。測流點位置為(120°31′E，36°3′N)，仿真人體模型拋放點為(120°27.5′E，36°2′N)。

海上實驗時間為2015年7月15日04:00點從指定碼頭出發(fā)開展海上實驗，海上實驗時間持續(xù)12小時，于18:00點開始回收相關(guān)儀器設(shè)備，回收后由海上試驗領(lǐng)隊統(tǒng)一指揮返航。

A船和B船分別負(fù)責(zé)兩個仿真人體模型的拋放、跟蹤和回收。兩船到達指定位置附近后，拋錨待命。15日06時分別進行仿真人體模型A(配重140斤)和仿真人體模型B(配重100斤)的拋放。仿真人體模型通過綁定便攜式GPS及漂流浮標(biāo)兩種方式進行定位。6:00時至18:00兩船分別對兩個假人進行跟蹤，每間隔15分鐘記錄船舶位置及假人與船舶的相對位置和相對方位角。18:00時，對兩個假人分別進行回收，船舶返航。全程進行影像記錄。

C船負(fù)責(zé)定點測流。15日06時開始使用ADCP進行剖面海流分層定點觀測，觀測時間間隔1min，觀測時長為25小時。同步進行直讀式海流計表層海流觀測，觀測時間間隔30min，以及手持風(fēng)速儀進行海面風(fēng)觀測，觀測時間間隔30min。

海上實驗共接收漂流軌跡數(shù)據(jù)2組(連續(xù)12小時，兩組仿真人體模型的跟蹤數(shù)據(jù))，實測流數(shù)據(jù)2組(ADCP和直讀式海流計，連續(xù)25小時)，實測風(fēng)數(shù)據(jù)1組(連續(xù)25小時)。

ADCP定點觀測的流速和流向隨時間變化情況如下：該位置海流為正規(guī)半日潮，漲潮流向約為250°，落潮流向約為75°，平均流速在45.9cm/s左右，最大流速達108cm/s。

手持風(fēng)速儀觀測的海表面風(fēng)速和風(fēng)向觀測數(shù)據(jù)隨時間變化情況如下：該位置該時間段內(nèi)風(fēng)向為100°～200°之間，屬于西南風(fēng)。15日傍晚風(fēng)速較大，最大達6.9m/s，隨后風(fēng)力減弱，平均風(fēng)速在3.7m/s。

現(xiàn)有的海上搜救應(yīng)急漂移預(yù)測模型主要以海洋水動力模型為基礎(chǔ)，采用Lagrange粒子追蹤方法，計算漂浮物體在風(fēng)和流的共同作用下的漂移軌跡。并考慮模型參數(shù)的不確定性，在計算的移動位移上增加擾動項，給出軌跡運行范圍，即搜救范圍。

海上漂移物的漂移軌跡，除了與當(dāng)?shù)氐暮r和自然環(huán)境有關(guān)以外，漂移物的自身特性也對漂移軌跡有很大的而影響，比方說浸沒比例和壓載狀況。因此，針對不同的目標(biāo)物，風(fēng)和流的作用系數(shù)要根據(jù)實際情況予以調(diào)整。

對落水人員來說，受到的海流的作用比較大，因此在對落水人員的漂移預(yù)測中，采用風(fēng)的作用系數(shù)0.5。經(jīng)對比可以看出，漂移預(yù)測結(jié)果跟實際觀測值吻合較好。