對(duì)開展海上物體漂移軌跡模擬研究的思考

葉偉強(qiáng)　于龍飛

(廣州航海學(xué)院　廣州　510725)

對(duì)開展海上物體漂移軌跡模擬研究的思考

葉偉強(qiáng)于龍飛

(廣州航海學(xué)院廣州510725)

摘要通過分析我國21世紀(jì)以來水上事故狀況和相應(yīng)搜救工作成果，對(duì)比已有搜救研究工作，在已有搜救系統(tǒng)基礎(chǔ)上，提出通過數(shù)值仿真方法，對(duì)不同海面失事物體在不同海況下的漂移軌跡進(jìn)行模擬計(jì)算，給出相應(yīng)研究思路與步驟，以對(duì)早期海上搜救系統(tǒng)進(jìn)行完善與改進(jìn)。

關(guān)鍵詞水上事故漂移軌跡模擬

2014年世界經(jīng)濟(jì)形勢(shì)雖總體優(yōu)于2013年，但航運(yùn)市場(chǎng)依然缺乏復(fù)蘇的強(qiáng)勁動(dòng)力[1]。在此背景下，中國政府倡導(dǎo)設(shè)立亞洲基礎(chǔ)設(shè)施投資銀行(以下簡(jiǎn)稱“亞投行”)，旨在完善亞洲發(fā)展中國家基礎(chǔ)設(shè)施，加強(qiáng)各國間經(jīng)貿(mào)聯(lián)系。21世紀(jì)海上絲綢之路建設(shè)戰(zhàn)略，更是直接指向亞洲各國之間的海上貿(mào)易與交流，對(duì)亞洲經(jīng)濟(jì)的整體融合與崛起具有十分重要的意義。所以，海上貿(mào)易必將迎來有力復(fù)蘇。然而，與陸地相比，海洋環(huán)境復(fù)雜多變，所處海(水)域內(nèi)人員眾多、組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、各處海域存在差異等原因，海難事故較易發(fā)生。尤其在各國間海上貿(mào)易將進(jìn)一步加強(qiáng)的今后時(shí)期，事故發(fā)生次數(shù)與幾率勢(shì)必進(jìn)一步增加。因此，加強(qiáng)海上交通管理，預(yù)防事故發(fā)生，并在事故發(fā)生后，實(shí)施有效的海面失事物體搜救，顯得十分必要。

1　我國水上事故和搜救現(xiàn)狀綜述

根據(jù)近年來我國交通運(yùn)輸部發(fā)布的行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)[2]，對(duì)我國近10年來的水上事故及相應(yīng)的搜救工作進(jìn)行綜合描述，中國2002～2013年水上事故調(diào)查統(tǒng)計(jì)見表1。

表1　中國2002～2013年部分年水上事故調(diào)查統(tǒng)計(jì)表

由表1可見，隨著管理部門監(jiān)管力度的加大，發(fā)生的水上交通事故、死亡人數(shù)和沉船數(shù)，從整體上呈現(xiàn)逐年減少的趨勢(shì)，但直接經(jīng)濟(jì)損失卻沒有得到有效改善，近10年間在較高數(shù)值上波動(dòng)，見圖1。

值得指出，水上事故導(dǎo)致的直接經(jīng)濟(jì)損失維持在一個(gè)較高狀態(tài)，是在近幾年國際航運(yùn)市場(chǎng)一直表現(xiàn)低迷，復(fù)蘇乏力的整體背景之下。

圖1　2002～2013年中國水上事故直接經(jīng)濟(jì)損失

此外，對(duì)2012年東南沿海6省數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，東/南海沿海6省遇險(xiǎn)人數(shù)占全國遇險(xiǎn)人數(shù)近六成，見表2。該數(shù)據(jù)意味我國水上事故主要發(fā)生在東、南沿海區(qū)域。隨著亞投行工作全面鋪開，航運(yùn)市場(chǎng)必然回暖，各國間海上協(xié)調(diào)問題將隨之顯現(xiàn)。屆時(shí)海上航道將愈加繁忙，其水上事故預(yù)計(jì)亦將大幅上升，直接經(jīng)濟(jì)損失也會(huì)相應(yīng)大幅增加。

表2　2012年我國東、南沿海6省遇險(xiǎn)/獲救人數(shù)統(tǒng)計(jì)表

與此同時(shí)，面對(duì)近10年來水上事故發(fā)生現(xiàn)狀，我國各級(jí)管理機(jī)構(gòu)積極應(yīng)對(duì)，充分展開了各種情況的搜救工作。

2002～2013年中國各級(jí)機(jī)構(gòu)的搜救行動(dòng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表3，具體趨勢(shì)見圖2，為了便于顯示，圖2中數(shù)據(jù)進(jìn)行了相應(yīng)比例縮放。

圖2　2002～2013年搜救數(shù)據(jù)總圖

年份類別搜救次數(shù)/(起)協(xié)調(diào)船舶/(艘次)協(xié)調(diào)飛機(jī)(架次)遇險(xiǎn)人員/人獲救人員/人救助成功率/%平均每天救助人數(shù)/(人·d-1)20021946398523131951272796.53520031889458126149121424395.539200718617830245250872422796.666200817846320199202801956596.554201121778600402193521871196.751201219547316352169571639296.745201321647507386213792069296.857

由圖2及表3可見，水上事故發(fā)生次數(shù)逐年減少的同時(shí)，搜救次數(shù)卻維持在一定水平或小幅增加，說明單次事故的搜救次數(shù)不斷增加。其次，從出動(dòng)搜救協(xié)調(diào)船舶與飛機(jī)架次來看，單次搜救出動(dòng)的搜救力量明顯增加，尤其是出動(dòng)的飛機(jī)架次，2013出動(dòng)的飛機(jī)搜救架次與2002年相比，增加幅度大于16倍。因此不難看出，我國每年投入的搜救成本從搜救次數(shù)，及單次搜救成本都快速提高。但搜救成功率則一直維持在96%～97%之間，即在單次搜救成本快速提高的同時(shí)，搜救成功率并沒有明顯提高。所以，有必要對(duì)搜救過程投入更多的研究工作，提高我國水上事故的搜救成功率。

2　復(fù)雜海況下三維物體漂移軌跡模擬計(jì)算探討

海上搜救活動(dòng)可以分為“搜尋”和“救助”2個(gè)部分[3]?！八褜ぁ笔撬丫鹊那疤崤c首要任務(wù)，而搜尋的核心問題為：準(zhǔn)確預(yù)測(cè)“目標(biāo)在哪？將要去何處？”。從技術(shù)手段上說，要解決該核心問題，必須精確計(jì)算海域中不同目標(biāo)體在不同的自然水文環(huán)境、不同水域地形中的水中運(yùn)動(dòng)軌跡[4]，方能提高判斷目標(biāo)體所在的具體位置和可能出現(xiàn)區(qū)域的準(zhǔn)確率。所以，對(duì)海上目標(biāo)體的漂移運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬仿真，對(duì)整個(gè)搜救工作的順利、快速開展將起到至關(guān)重要的作用。且與物模試驗(yàn)相比，具有顯著的成本和時(shí)間優(yōu)勢(shì)。

2.1現(xiàn)有研究工作

針對(duì)不斷發(fā)生的海難事故，各級(jí)管理部門在不斷加大搜救資源投入、提升管理水平的同時(shí)，也聯(lián)合科研院所展開了不少研究工作，如廣東省海上搜尋與救助協(xié)調(diào)系統(tǒng)的研制工作在2008年5月即已獲得完成[5]，但從后續(xù)已有的廣東省搜救統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，該省遇險(xiǎn)人數(shù)雖得到有效控制，但搜救成功率并沒有明顯提高，見表4。

表4　廣東省水上事故與搜救數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

該現(xiàn)象可能和現(xiàn)有搜救研究工作具有以下特點(diǎn)相關(guān)。

(1) 推算公式以國外計(jì)算公式為參考。如漂移軌跡預(yù)報(bào)所采用的漂移公式，多直接采用國外的風(fēng)致漂移經(jīng)驗(yàn)公式[6]進(jìn)行估算，且主要考慮風(fēng)和波高，對(duì)波長(zhǎng)與流的影響沒有過多考慮。而實(shí)際情況中，流速與波長(zhǎng)對(duì)物體的漂移軌跡有顯著影響。

(2) 對(duì)海上搜救環(huán)境的研究[7]多采用先單個(gè)分析，再簡(jiǎn)單矢量疊加的方式。如對(duì)流速的考慮即為如此，先單個(gè)分析風(fēng)生流、海流、潮流等因素，再進(jìn)行矢量疊加。

(3) 對(duì)海域中結(jié)構(gòu)物的漂移運(yùn)動(dòng)軌跡的理論研究多，模擬仿真少。目前多直接采用經(jīng)驗(yàn)公式或數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型來推算，但對(duì)實(shí)際的漂移運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)過程仿真研究較少，從而較少真實(shí)、細(xì)致地分析海中物體漂移運(yùn)動(dòng)過程，已有研究也是以簡(jiǎn)單二維模擬為主。

(4)海上環(huán)境相差較大。我國北/南方水域存在明顯不同的特點(diǎn)[8]，如北方海域水溫低，受寒潮影響為主；南海海域則水域面積大、臺(tái)風(fēng)多。

2.2模擬計(jì)算內(nèi)容

對(duì)海上搜救環(huán)境進(jìn)行分析和理論計(jì)算，建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型；對(duì)不同海上目標(biāo)體(如救生筏與落水者)在事故發(fā)生區(qū)域建立幾何模型；通過流體計(jì)算仿真軟件，根據(jù)不同水文環(huán)境、不同地形水域，設(shè)定相應(yīng)定解條件，并組合成典型工況；對(duì)典型工況下，物體的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行計(jì)算與模擬仿真；根據(jù)計(jì)算結(jié)果總結(jié)出有意義的定性結(jié)論，為搜救工作提供參考依據(jù)。

2.3研究步驟與思路

(1) 建立落水物體模型。對(duì)受關(guān)注目標(biāo)體建立幾何模型，對(duì)各物體自身密度、尺寸、水中浸沒比例進(jìn)行分析，確定物體在水中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，準(zhǔn)確分析其所受的風(fēng)、浪、流等作用力。

(2) 分析水文環(huán)境因素。分析各因素對(duì)漂移運(yùn)動(dòng)軌跡的影響，如不同波長(zhǎng)波浪對(duì)目標(biāo)體影響不同，短波影響較大，而長(zhǎng)波幾乎不受影響等，并討論因素間的相互影響和耦合關(guān)系。

(3) 分析地域地形。地形結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)具有一定影響，如肩胛角對(duì)波浪有聚合作用。

(4) 典型工況下的物體運(yùn)動(dòng)軌跡仿真模擬。

(5) 分析數(shù)值模擬結(jié)果，提交研究報(bào)告。對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，并形成完整項(xiàng)目報(bào)告。對(duì)計(jì)算過程中出現(xiàn)的問題與現(xiàn)象進(jìn)行討論分析，給出下一步研究建議。

(6) 整理數(shù)值計(jì)算研究結(jié)果，完善已有搜尋與救助系統(tǒng)的相應(yīng)模塊，改進(jìn)現(xiàn)有軟件系統(tǒng)。以上工作如圖3所示。

圖3　海上物體漂移軌跡模擬步驟示意圖

3　結(jié)語

通過對(duì)我國21世紀(jì)水上事故發(fā)生規(guī)律及搜救工作進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，結(jié)合我國搜救工作研究成果，提出針對(duì)實(shí)際海況中，對(duì)不同海上事故物體的漂移軌跡進(jìn)行模擬的思路，并給出數(shù)值計(jì)算內(nèi)容、思路與研究步驟。在條件許可情況下，可以對(duì)該數(shù)值研究工作進(jìn)行后續(xù)延伸，如在三維試驗(yàn)水池中進(jìn)行一定比例的物模試驗(yàn)，以驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果。在管理部門指導(dǎo)下，也可以選擇一定水域，進(jìn)行物體漂移軌跡實(shí)況實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值與物模試驗(yàn)結(jié)果，然后通過獲得檢驗(yàn)的數(shù)值模型，對(duì)不同海域、各種海況下的任何復(fù)雜物體漂移軌跡進(jìn)行模擬仿真，為我國的搜救工作提供科學(xué)的參考依據(jù)。

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收稿日期：2015-04-29

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.052