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首页海上遇险搜寻概率模型:理论与仿真研究
本篇论文主要研究的是海上搜寻中的概率模型设计与仿真,针对的是国际海上人命救助中的一个重要环节。作者关注的是在实际搜救过程中,如何有效地确定遇险目标的搜索区域,特别是在遇险目标无法直接报告位置的情况下。论文以大连海事大学硕士学位论文的形式呈现,探讨了影响海上搜寻成功率的关键因素,如风压、风生流、浸没比和扫海宽度。 首先,作者对现有的搜寻救助理论和搜救决策支持系统的文献进行了全面的回顾,提炼出包含概率和发现概率这两个核心概念,通过对这些因素的综合分析,建立了相关的解析式,为搜寻策略的制定提供了理论基础。 接着,论文深入分析了遇险目标的漂移矢量,以AP98模型为基础,将风致漂移分解为顺风、左侧风和右侧风三个方向。针对落水人员的风致漂移,作者假设风漂速度与10米高度的风速相关,并通过线性回归和最小二乘法,精确拟合了模型参数,进而推导出了考虑风致和流致漂移影响下的漂移轨迹积分算法,模拟了遇险人员在海上的漂流路径。 在设计海上搜寻包含概率模型时,论文采用了蒙特卡洛方法。即假设大量随机粒子代表具有相同漂移特性的目标,这些粒子初始位于目标起始位置。通过模拟事故发生的海洋环境条件,利用建立的漂移模型赋予每个粒子相应的漂移速度,然后对这些粒子进行长时间的轨迹积分。最终,随机粒子的分布区域被识别为搜寻区域,并通过栅格法划分为更小的单元,以便于制定出更为精细和高效的搜寻计划。 这篇论文的核心贡献在于提供了一种基于概率模型的海上搜寻策略,旨在通过科学的方法优化搜寻效率,减少搜寻时间,提高搜救成功率,从而在实际操作中更好地保障遇险人员的生命安全和海洋生态的保护。
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大连海事大学学位硕士论文
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于空间关系的海上应急救援力量调度模型
[21]
。衣麟卓结合向量回归机理论(Support
Vector Regression,SVR)自身特点及船舶救助力量需求的相关特性,对 SVR 预测模型进
行优化,构建了基于主成分分析与支持向量回归机理论结合的船舶救助力量需求预测模
型
[22]
。王军等根据目标在海上的概率分布,以栅格法的方式将待搜寻区域划分成若干子
区域,并根据区域内包含概率值来研究救助向多求救点进行搜救力量分配的问题,最后
通过权重分析的出搜寻效率最高的救助船舶分配计划
[23]
。
1.2.2 海上漂移模型研究
海上遇险目标与陆地不同,由于海洋环境的流动性与不确定性,目标通常不是静止
的,这也就导致了其位置难以确定。而对海上漂移模型的研究,就通过建立漂浮物的运
动模型根据海况环境及自身特性来模拟出目标在海面的漂移矢量,有助于提高海上搜寻
效率。
对海上漂移模型的构建离不开实际漂流数据的观测,但囿于条件设备的影响,早期
的漂流实验只能通过间接观测的方法,利用浮漂、风力表等辅助设备来简单地读取环境
信息,漂浮物位置数据记录也比较粗略
[24]
。实验精度的过低导致这一阶段的研究人员无
法获得准确的数据来构建海上漂移模型,所进行的实验也仅仅只能起到参考作用,并不
能用以指导实际的搜寻计划,但其实验的本身却为后续的搜救研究人员提供了一个提升
搜救效率的新方向
[25,26]
。直到 1990 年以后,随着科技的发展,观测海洋环境的仪器逐
渐精确化、小型化、多元化。一些设备,如 GPS 定位系统、海流计、测风仪的出现,
让对海上漂移数据的直接观测成为可能。1993 年 Fitzgerald 等首次在漂移实验中用测流
计对海流速度进行直接测量
[27]
。值得关注的是并不是指直接测量法一定比间接观测的数
据更准确,在一些小型漂浮物的数据观测上,如果将观测仪器与其联结绑定,反而会破
坏目标本身漂移特质,所以在方法的选取上也要根据实际的试验环境灵活变化
[28]
。
在观测条件得到改善后,关于漂移模型的研究也得到了显著的发展。Breivik 提出了
海上漂流实验方法标准,并根据不同搜救目标影响其漂移轨迹的特性,对其实行了类别
划分
[29]
。Anderson 在完成对风压差方面的计算研究综述后,对海上漂浮物的受力平衡问
题进行了广义分析。提出了一套灵敏度判定方法,以检验漂移模型中各项影响参数的相
对权重
[30]
。1998 年 Allen 和 Plourde 在“Review of Leeway”一文中提出了一种新的风压
差预测模型,即
AP98
模型。与当时美国海岸警卫队搜寻计划方法所做的风压差预测相
比,该新模型通过测量高质量的风压差数据,大大减少了搜索区域的范围,并根据大量
实验对
63
种常见的搜寻对象的漂移模型系数和发散角进行了分类
[31]
。之后
Allen
继续对
漂移模型展开研究,在“
Leeway Divergence
”里给出了了
63
类风压漂移目标的下风分
量和侧风分量随风速的函数关系,基于
AP98
模型初步建立了漂移目标数据库。并在对
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海上搜寻包含概率模型设计与仿真
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其中 4 类漂移对象实验数据进行分析时,发现其侧风分量的符号会以每小时 4%频率发
生变化,且与风压差类别或风速无关。提出了在漂移过程中,可能会出现垂直侧风向变
化,从而导致对最终形成的蒙特卡罗模拟搜索区域概率分布有显著影响的观点
[32]
。
Breivik 及 Allen,通过典型遇险条件下 20 英尺集装箱的风压实验,发现计算出的搜索区
域没有考虑侧风致漂移矢量且具有不确定性,将严重降低搜索区域的扩展速度,并提出
为不同的浸没水平的漂移目标生成搜索区域的建议
[33]
。随着 AP98 模型的不断改进与发
展,使其成为目前最精确的一代漂移模型,目前已经被多个国家的海上搜救决策支持系
统选用,作为模拟目标海上漂移轨迹的重要工具。
我国学者也对海上漂移模型做出了许多研究,翁怡婵在台湾海峡区域进行了漂移数
据模拟,经过仿真发现,当目标的风压系数取
0.01
时,漂移的模拟轨迹于实际数据有较
好的相性
[34]
。李金铎通过东海渔船的漂移实验发现,渔船在漂移的过程中速度主要取决
海流,而方向则由风向控制,根据具体数据拟合的风导系数值大概为 0.1
[35]
。黄娟通过
对模拟假人、绿潮和无动力船的漂移实验进行分析,发现落水人员与绿潮的漂流轨迹相
似,而船舶漂移轨迹则与二者有一定出入。并采用拉格朗日粒子追踪法,根据实验数据
拟合了模型中的风流参数
[36]
。陈海涛等利用东方红 2 号停船时的无动力漂移数据,基于
AP98 模型,采用最小二乘法拟合了三个风向上风压斜率、截距、标准差的参数值。但
因数据采集中,船舶迎风时存在人为干扰及流速层的选择,导致其模型与实际无动力船
的漂移轨迹仍有一定差距
[37]
。徐强强等人根据东海预报中心的漂移实验资料数据,确定
了人、船漂移模型的最优参数,并对其误差在最优参数附近的增减幅度进行了比较
[38]
。
旷芳芳结合南海搜救演习的实验记录,依靠风、流场参数拟合数据推导模拟人及救生筏
的漂移模型系数。并在完成对实验的分析后,提出风致漂移速度的增减并不只由风速决
定的观点
[39]
。徐江玲基于大型浮漂的漂移数据,引入波浪对漂移模型的影响,认为在对
大型漂浮物漂流轨迹进行模拟时应考虑浸没比对其造成的波浪参数扰动
[40]
。
1.2.3 海上搜救决策支持系统
从 1970 年开始,计算机技术逐渐普及,学者们试图将搜寻理论与方法与计算机运
算能力以及地理信息系统(Geographic Information System,GIS)提供的数据支持有机地结
合起来,使海上搜寻计划过程更加效率化、精确化、智能化。此后,各国均致力于开发
利用计算机技术的海上搜救决策支持系统
[41]
,下面做简单介绍。
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大连海事大学学位硕士论文
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表 1.2 国内外典型海上搜救决策支持系统
Tab. 1.2 Typical search and rescue planning program in the domestic and overseas
国家
系统名称
系统特点
加拿大
CANSARP
采用网格环境数据;用相同的流、风数据
进行基准运算,选择奇数个不同的风压角。
英国
SARIS
SARIS 包含 SAD(搜索范围的界定工具)
和 SAC(搜索范围涵盖工具),SAD 内置了潮
汐、水流等诸多搜寻目标风压参数数据;采用
UKCG3 搜寻计划方法,可计算出最左、最右、
零风压偏差下的三个基准。
美国
SAROPS
SAROPS 系统即 Search and Rescue
Optimal Planning System(搜寻救援最优规划
系统)。SAROPS 有着直观的向导式用户界面,
最多可容纳 4 加权搜索对象,可预报航行危
险,有着丰富的风、流环境综合数据库,可显
示漂移动画,支持搜寻成功概率(POS)的优化,
支持多个案件等等。
中国
国家海上搜救环境
保障服务平台
该平台基于 SOA 架构和 S57 电子海图,
集成了多模型和多环境数据源交互式专业预
测功能。针对 12 个海难事故易发区的精细化
预报系统,实现了对中国海级、海区级和海难
事故易发区的三级精细化数值预报系统优化。
加拿大海岸警卫队开发的 CANSARP 系统将 GIS 集成到海上搜救决策支持系统中。
使用
C-S
系统结构,利用高度网格化逼近实时的观测和预报环境数据
(
图
1.1)
,使用
Min/Max
方式获得最后的搜寻区域,但前一天的基准无法作为后续漂移规划的起始区域
[42]
。
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