海上浮標(biāo)漂移軌跡預(yù)測分析系統(tǒng)研究

袁理 任虹 魯佩儀 王夢佳

摘要：浮標(biāo)是重要的水上助航標(biāo)志，航道環(huán)境復(fù)雜，浮標(biāo)漂移甚至丟失的情況頻繁發(fā)生，為保障浮標(biāo)的財(cái)產(chǎn)安全，避免漂浮成為水上障礙物，準(zhǔn)確預(yù)測浮標(biāo)漂移軌跡十分重要。本文根據(jù)浮標(biāo)漂移原理，基于蒙特卡洛方法，利用WebGIS方法建立能夠在網(wǎng)頁端使用的海上浮標(biāo)漂移跟蹤預(yù)測分析系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠自動接入環(huán)境數(shù)據(jù)，依據(jù)浮標(biāo)參數(shù)信息，利用SARMAP模型進(jìn)行漂移模擬計(jì)算，預(yù)測浮標(biāo)漂移軌跡與最優(yōu)搜尋區(qū)域。通過具備遙測數(shù)據(jù)的浮標(biāo)漂移案例驗(yàn)證，證明本系統(tǒng)模擬預(yù)測的浮標(biāo)漂移軌跡具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：浮標(biāo);蒙特卡洛;漂移模型;漂移軌跡;預(yù)測

中圖分類號：P731.23文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0引言

浮標(biāo)作為使用數(shù)量最多、應(yīng)用最為廣泛的水上助航標(biāo)志，大量使用于各通航水域。長江口上海港航道通航密度大，潮流復(fù)雜，經(jīng)常會發(fā)生浮標(biāo)被碰擦或碰撞造成浮標(biāo)發(fā)生漂移的事故。同時(shí)，浮標(biāo)在海面風(fēng)、海流、浪等環(huán)境動力因素以及外力作用下也會發(fā)生漂移，航標(biāo)管理部門由于缺少相應(yīng)的“浮標(biāo)漂移軌跡預(yù)測”分析手段來判斷浮標(biāo)漂移的方位和漂移軌跡，難以在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并捕捉浮標(biāo)。因此，為降低捕捉漂浮的時(shí)間、人力物力成本，可以利用現(xiàn)有海洋水文氣象環(huán)境信息，引入水上搜救模型來推算浮標(biāo)及其他水上助航設(shè)施的漂移軌跡，以提高轄區(qū)水上浮動標(biāo)志漂移后的捕捉成功率和效率，進(jìn)一步提升航標(biāo)應(yīng)急反應(yīng)能力和航標(biāo)助導(dǎo)航服務(wù)水平。

因此，設(shè)計(jì)一個(gè)海上浮標(biāo)漂移跟蹤服務(wù)分析系統(tǒng)，不僅可以提高航標(biāo)日常管理工作中搜尋、捕捉漂移浮標(biāo)的成功率和效率，而且可以服務(wù)于通航安全和水運(yùn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，既有效提升轄區(qū)助航應(yīng)急保障能力又能夠?yàn)閲彝旎卮罅拷?jīng)濟(jì)損失。

1原理與方法

海上漂移的浮標(biāo)在風(fēng)的作用下會沿著與風(fēng)向成一定夾角的方向漂移，可以將風(fēng)壓漂移速度分為與風(fēng)向一致的DWL和垂直風(fēng)向的CWL兩部分。國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心開發(fā)的海上失事目標(biāo)搜救應(yīng)急預(yù)報(bào)系統(tǒng)閉基于四階精度的拉格朗日漂移路徑模型預(yù)報(bào)了落水人員的漂移軌跡;以及挪威海和北海的搜救模型，其流場計(jì)算采用POM（PrincetonOcean Model）模式，并采用了蒙特卡洛算法確定搜尋區(qū)域，計(jì)算效果較好。海上試驗(yàn)方法對于風(fēng)致落水人員的漂移影響研究比較有效，但是對于海上浮標(biāo)的漂移軌跡分析又存在一定局限性，不同的浮標(biāo)類型需要重新進(jìn)行試驗(yàn)，因此亟須建立一種數(shù)學(xué)模型采取力學(xué)理論的方法預(yù)報(bào)浮標(biāo)的漂移軌跡。

海面漂浮物主要受風(fēng)、流、波的影響，通過對其分析可以得，風(fēng)對海面漂移物速度的影響主要有兩個(gè)方面，一是風(fēng)對物體上部的力即暴露空氣中的部分產(chǎn)生的拖曳力，二是海水流動。同時(shí)，當(dāng)海水受風(fēng)生流和海流的共同作用就會對漂移物產(chǎn)生拖拽力，波浪也會對漂移物有推動作用。海面以上的風(fēng)力作用受到空氣密度、物體本身的拖曳力系數(shù)、露出水面的部分等因素影響。海流產(chǎn)生的拖拽力是海洋表面大范圍內(nèi)海水定向流動造成的?？紤]海流的條件是當(dāng)遇險(xiǎn)點(diǎn)距離海岸25n mile范圍外或者當(dāng)海水深度大于100m時(shí)，而表層海流是影響浮標(biāo)漂移的主要因素。根據(jù)文獻(xiàn)的研究，浮標(biāo)露在海面的體積與波浪的波長比較起來要小很多，波浪不因浮體而散射或反射，幾乎全部透過，此時(shí)波浪作用力很小，可以忽略，因此本文不作考慮。

對錨鏈斷裂，發(fā)生自由漂移的浮標(biāo)的運(yùn)動軌跡進(jìn)行模擬預(yù)測，關(guān)鍵是獲得合適的流場和風(fēng)場，建立合適的海上漂移模型。以往的漂移預(yù)測中，計(jì)算漂浮物的位置一般預(yù)測當(dāng)前最有可能所在的某一區(qū)域，漂移速度V入=V水+aV風(fēng)其中，a作為風(fēng)因子，很大程度上要依靠經(jīng)驗(yàn)來決定。根據(jù)《國際航空和海上搜救手冊》，目前各國海上救助部門對于入水目標(biāo)的漂移位置的確定，基本上是根據(jù)事故發(fā)生時(shí)或者人員落水時(shí)的風(fēng)壓和總流壓差的疊加運(yùn)算即二者的矢量合成得到漂移方向及速度，最后利用拉格朗日追蹤法模擬漂移軌跡?？紤]到海面上的風(fēng)場和流場在不斷變化，并非穩(wěn)定，而風(fēng)因子a值受外在環(huán)境影響較大，導(dǎo)致區(qū)域計(jì)算結(jié)果的漂移誤差具有隨機(jī)性和不可預(yù)測性，所以僅僅依靠有限個(gè)參考基點(diǎn)對救助目標(biāo)的漂移作出預(yù)測是不可靠的。為了降低搜救區(qū)域的計(jì)算誤差，本文根據(jù)浮標(biāo)漂移區(qū)域的變化，利用蒙特卡洛方法，構(gòu)造—個(gè)概率模型，使模型的參數(shù)等于問題的解，然后通過觀察模型得出參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特性，最后給出所求解的近似值。

蒙特卡洛法又稱統(tǒng)計(jì)模擬方法，是非常重要的數(shù)值計(jì)算方法，在20世紀(jì)中期由于電子計(jì)算機(jī)發(fā)明，提高了計(jì)算效率而被提出的一種重要方法。1972年，美國海岸警衛(wèi)隊(duì)首次將蒙特卡洛法應(yīng)用至搜救作業(yè)系統(tǒng)中。蒙特卡洛法的原理是把目標(biāo)抽象成一組相互獨(dú)立的粒子集合，根據(jù)建立的漂移模型，由漂移速度來估算各粒子的運(yùn)動軌跡。粒子在海面上的漂移運(yùn)動滿足馬爾科夫過程，因此粒子集未來所處位置的概率密度函數(shù)僅僅依賴于海洋環(huán)境狀態(tài)。蒙特卡洛法運(yùn)用了統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，通過引入粒子仿真法能夠模擬目標(biāo)漂移計(jì)算過程中所有不確定因素，同時(shí)能夠有效地結(jié)合逐漸豐富且精確的海洋環(huán)境動力數(shù)據(jù)。此外當(dāng)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，可以使用分布式運(yùn)算使模擬過程分布獨(dú)立進(jìn)行，能夠快速獲取結(jié)果。

基于浮標(biāo)漂移模擬預(yù)測模型，綜合利用計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)，建立一個(gè)結(jié)構(gòu)合理、使用舒暢、結(jié)果呈現(xiàn)清晰的浮標(biāo)漂移跟蹤服務(wù)分析系統(tǒng)。參照《國際航空和海上搜救手冊》，利用浮標(biāo)漂移模型基本原理，結(jié)合蒙特卡羅方法建立浮標(biāo)漂移分析預(yù)測模型。自動接入氣象模式數(shù)據(jù)、用戶自定義環(huán)境數(shù)據(jù)及其他時(shí)空環(huán)境數(shù)據(jù)，作為模型動力條件?；赪ebGIS方法建立平臺，用戶輸入模型參數(shù)，在線驅(qū)動浮標(biāo)漂移預(yù)測分析模型。

2系統(tǒng)介紹

2.1系統(tǒng)架構(gòu)

海上浮標(biāo)漂移跟蹤預(yù)測分析系統(tǒng)采用B/S端的三層架構(gòu)模式，即由WebGIS圖形交互界面、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和空間關(guān)系型數(shù)據(jù)庫三大部分組成。

本系統(tǒng)界面基于HTML5/JS前端開發(fā)語言、Vue前端開發(fā)框架開發(fā)而成，用戶通過訪問瀏覽器就可以直接完成與系統(tǒng)平臺的人機(jī)交互操作，無需安裝額外的插件或程序，使用非常簡便。我們將WebGIS技術(shù)應(yīng)用到海上浮標(biāo)漂移跟蹤預(yù)測分析系統(tǒng)界面的構(gòu)建中，使得浮標(biāo)遙測實(shí)際軌跡、浮標(biāo)漂移預(yù)測結(jié)果信息可以通過與不同類型的在線網(wǎng)絡(luò)地圖疊加進(jìn)行直觀清晰的展示。

而通過數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)、模型服務(wù)、地圖服務(wù)、分析服務(wù)、管理服務(wù)等WebService核心服務(wù)與服務(wù)器端存儲系統(tǒng)所需資源的空間關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)海洋氣象模式或自定義環(huán)境數(shù)據(jù)的無縫接入、浮標(biāo)漂移預(yù)測模型運(yùn)算與模擬結(jié)果地圖快速疊加展示等系統(tǒng)主要功能。

系統(tǒng)開發(fā)中我們選用開源空間關(guān)系型數(shù)據(jù)庫PostgreSQL作為核心數(shù)據(jù)庫，并添加POSTGIS空間擴(kuò)展模塊，來增加PostgreSQL數(shù)據(jù)庫在存儲管理空間數(shù)據(jù)的能力。系統(tǒng)應(yīng)用所需的數(shù)據(jù)層主要包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)庫、模型數(shù)據(jù)庫、EDS數(shù)據(jù)庫和搜救對象數(shù)據(jù)庫。

2.2功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)支持用戶使用SARMAP搜救模型進(jìn)行浮標(biāo)漂移預(yù)測（見圖1），并提供浮標(biāo)漂移行為參數(shù)數(shù)據(jù)。浮標(biāo)漂移在線實(shí)時(shí)更新預(yù)測是系統(tǒng)的核心功能。通過在界面輸入浮標(biāo)漂移基本參數(shù)（包括浮標(biāo)類型、最后已知位置坐標(biāo)及對應(yīng)時(shí)間或最后已知航線信息和對應(yīng)時(shí)間等）、預(yù)測分析方法、流場、風(fēng)場信息等浮標(biāo)漂移預(yù)測模擬的關(guān)鍵參數(shù)信息，在線實(shí)時(shí)提交到服務(wù)器端進(jìn)行模擬運(yùn)算并將浮標(biāo)漂移預(yù)測結(jié)果顯示在WebGIS地圖界面，同時(shí)可以結(jié)合浮標(biāo)最新遙測信號修正預(yù)測軌跡和搜救范圍結(jié)果，能夠?qū)崿F(xiàn)對漂移浮標(biāo)漂移方向和漂移范圍的實(shí)時(shí)陜速在線更新預(yù)測。

系統(tǒng)提供蒙特卡洛方法和IAMSAR方法供用戶選擇進(jìn)行浮標(biāo)漂移預(yù)測分析，漂移起始點(diǎn)位置支持在地圖上直接選取或輸入經(jīng)緯度坐標(biāo)。系統(tǒng)提供全球GFS風(fēng)場和HYCOM流場或用戶自定風(fēng)場和流場作為模擬計(jì)算所需的環(huán)境場。系統(tǒng)提供漂移軌跡、漂移粒子、歷史軌跡、概率網(wǎng)格、搜索區(qū)域、模型風(fēng)場、模型流場等要素在地圖上的動態(tài)疊加展示（見圖2）。用戶可對漂移模型計(jì)算結(jié)果要素的顏色、標(biāo)簽等自定義設(shè)置，并控制需要展示的要素種類。系統(tǒng)能夠同時(shí)在地圖上疊加展示浮標(biāo)遙測數(shù)據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際漂移軌跡，提供預(yù)測漂移軌跡與實(shí)際漂移軌跡對比，用戶可以驗(yàn)證本系統(tǒng)預(yù)測分析數(shù)據(jù)的有效性。

3案例分析與驗(yàn)證

本文利用系統(tǒng)對2.4m鋼質(zhì)燈浮進(jìn)行漂移模擬，根據(jù)浮標(biāo)材質(zhì)、浮標(biāo)形狀、浮標(biāo)大小、浮標(biāo)重量等信息設(shè)置浮標(biāo)漂移行為參數(shù)，錄入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行漂移模擬。本文回顧了3個(gè)浮標(biāo)漂移案例，以浮標(biāo)的設(shè)置位置作為漂移模擬起始點(diǎn)，利用浮標(biāo)已有的遙測信息與最后找回的位置等信息驗(yàn)證系統(tǒng)模擬效果。據(jù)此對浮標(biāo)搜救對象數(shù)據(jù)庫進(jìn)行充實(shí)完善并且對浮標(biāo)搜.aN型進(jìn)行調(diào)參，找到最優(yōu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)基于大量漂失樣本案例的基礎(chǔ)上逐步完善浮標(biāo)搜救對象數(shù)據(jù)庫，提升系統(tǒng)預(yù)測漂移軌跡的可靠性。

3.1S6漂移案例

2018年7月11日，航標(biāo)值班人員發(fā)現(xiàn)S6（中2.4m鋼質(zhì)燈?。┌l(fā)生漂移，由于S6燈浮安裝了航標(biāo)遙測系統(tǒng)，2h左右會回傳燈浮實(shí)時(shí)漂移的位置，最終在7月15日13：00成功抓回了S6燈浮。

本文以S6燈浮漂移為例，應(yīng)用系統(tǒng)搜救模型對浮標(biāo)從設(shè)置位置漂移后的漂移軌跡進(jìn)行預(yù)測，并將搜救模型模擬結(jié)果與實(shí)際遙測的S6燈浮漂移軌跡進(jìn)行對比來驗(yàn)證系統(tǒng)模型應(yīng)用的可靠性。圖3是根據(jù)搜救模型模擬得出的S6燈浮漂移軌跡（圖中左：棕色漂移軌跡點(diǎn)）和實(shí)際遙測得到的S6燈浮漂移軌跡（圖中右：藍(lán)色漂移軌跡點(diǎn)），此時(shí)是S6燈浮抓回時(shí)刻（7月15日13：00）對應(yīng)的模型模擬得到的搜索區(qū)域和概率網(wǎng)格。結(jié)合兩圖可以看出，總體上，浮標(biāo)漂移軌跡方向和形態(tài)與實(shí)際遙測的結(jié)果吻合度很高，給出的搜索區(qū)域也涵蓋了實(shí)際抓回海域。浮標(biāo)從原始固定位置開始漂移時(shí)，在向東偏轉(zhuǎn)的北向流和向南偏轉(zhuǎn)的東南風(fēng)的共同作用下，浮標(biāo)向東北方向漂移，到7月11日1：00，預(yù)測軌跡點(diǎn)與實(shí)際遙測位置之間相距1.78n mile。預(yù)測結(jié)果總體準(zhǔn)確，但預(yù)測浮標(biāo)漂移軌跡比實(shí)際遙測漂移軌跡要偏左，更靠近沿岸海域。主要原因是海洋條件復(fù)雜，會遇到很多突發(fā)情況，比如船舶拖拽或二次撞擊、漁船拖網(wǎng)等，可能是由于S6燈浮在漂移后被航行的船舶拖帶了一段距離導(dǎo)致向外海偏移了4n mile左右，而這部分外界因素沒有考慮到模型模擬過程中。

3.2W41漂移案例

2019年10月14日23：01后，航標(biāo)值班人員發(fā)現(xiàn)W41（φ2.4m鋼質(zhì)燈?。╅_始出現(xiàn)漂移，在2019年10月15日4：01，W41燈浮上安裝的航標(biāo)遙測系統(tǒng)傳回了燈浮漂移位置和距離，最終在10月21日12：02在花鳥山附近被發(fā)現(xiàn)，歷時(shí)約6.5天。從以上浮標(biāo)漂移案例來看，在遙測位置和距離返回的前2h內(nèi)，我們看到遙測位置筆直地向東南方向移動，懷疑在此期間受到了拖拽，故驗(yàn)證模擬開始時(shí)間選擇為2019年10月15日5：00。

本文以W41燈浮漂移為例，應(yīng)用浮標(biāo)漂移跟蹤分析模型對浮標(biāo)從設(shè)置位置漂移后的漂移軌跡進(jìn)行預(yù)測，并將搜救模型模擬結(jié)果與實(shí)際遙測的W41燈浮漂移軌跡進(jìn)行對比來驗(yàn)證此模型應(yīng)用的可靠性。圖4是根據(jù)搜救模型模擬得出的W41燈浮漂移軌跡（圖中左：棕色漂移軌跡線和墨綠色漂移軌跡點(diǎn)）和實(shí)際遙測得到的W41燈浮漂移軌跡（圖中右：水藍(lán)色漂移軌跡點(diǎn)），給出的是W41燈浮模擬88h（10月18日21：00）對應(yīng)的模型模擬得到的搜索區(qū)域和概率網(wǎng)格。由于10月18日21：00以后，W41燈浮基本在嵊泗列島東南側(cè)海域附近打轉(zhuǎn)，可以看出，總體上，浮標(biāo)漂移軌跡方向和形態(tài)與實(shí)際遙測的結(jié)果吻合度很高，不僅給出的搜索區(qū)域也涵蓋了實(shí)際抓回海域，而且預(yù)測軌跡點(diǎn)與實(shí)際遙測位置最小的地方相差小于0.5n mile。

3.3“云沉14”號漂移案例

2019年11月19日6：46后，航標(biāo)值班人員發(fā)現(xiàn)“云沉14”號（φ2.4m鋼質(zhì)燈浮），開始出現(xiàn)移動。浮標(biāo)開始移動后至2019年11月26日16：01，“云沉14”號燈浮上安裝的航標(biāo)遙測系統(tǒng)傳回了燈浮漂移位置和距離。

分析上述浮標(biāo)漂移軌跡得出，在11月19日6：46至11月19日20：54之間，“云沉14”號燈浮徑直向東南方向移動;在11月19日20：54至11月24日2：56之間，“云沉14”號燈浮，在半徑約為2nmile的范圍內(nèi)打轉(zhuǎn);在11月24日5：27至11月24日17：03之間，“云沉14”號燈浮在原地打轉(zhuǎn)。因此，可以推測出在上述期間“云沉14”號燈浮受到了拖拽，故驗(yàn)證模擬開始時(shí)間選擇為2019年11月24日17：33。

本文以“云沉14”號燈浮漂移為例，應(yīng)用浮標(biāo)漂移跟蹤分析模型對浮標(biāo)從設(shè)置位置漂移后的漂移軌跡進(jìn)行預(yù)測，并將搜救模型模擬結(jié)果與實(shí)際遙測的“云沉14”號燈浮漂移軌跡進(jìn)行對比來驗(yàn)證此模型應(yīng)用的可靠性。圖5是根據(jù)搜救模型模擬得出的“云沉14”號燈浮漂移軌跡（圖中墨綠色軌跡點(diǎn)）和實(shí)際遙測得到的“云沉14”號燈浮漂移軌跡（圖中水藍(lán)色軌跡點(diǎn)），11月24日17：33浮標(biāo)漂移了大約131h。圖5給出的是“云沉14”號燈浮漂移后模擬47h（11月24日16：33）對應(yīng)的模型模擬得到的搜索區(qū)域和概率網(wǎng)格。11月26日16：48左右，“云沉14”號燈浮漂移至泗礁山島北部海域，結(jié)合兩圖可以看出，總體上，排除人為因素干擾后，預(yù)測“云沉14”號燈浮漂移軌跡方向和形態(tài)及最終預(yù)測搜尋大概率區(qū)域與實(shí)際遙測位置較為相近。

4總結(jié)與展望

本文基于浮標(biāo)漂移模型，利用蒙特卡洛方法，采用WebGIS方法建立能夠在網(wǎng)頁端使用的浮標(biāo)漂移跟蹤預(yù)測分析系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠自動接入或輸入風(fēng)場、流場等環(huán)境場，調(diào)取浮標(biāo)參數(shù)進(jìn)行漂移模擬，輸出預(yù)測軌跡與分布概率。系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際浮標(biāo)漂移預(yù)測模擬，能夠很好地支持航標(biāo)現(xiàn)場管理與運(yùn)維工作。經(jīng)與浮標(biāo)漂移遙測數(shù)據(jù)位置對比，本系統(tǒng)能夠較好地模擬預(yù)測浮標(biāo)發(fā)生漂移后的位置。

浮標(biāo)漂移模型的準(zhǔn)確性很大程度上依賴于環(huán)境動力場的準(zhǔn)確率，因此利用精度更高，準(zhǔn)確率更高的風(fēng)場與流場，能夠很好地提高浮標(biāo)漂移預(yù)測模型的準(zhǔn)確性。浮標(biāo)漂移參數(shù)的合理性是影響浮標(biāo)漂移預(yù)測的重要因素，但浮標(biāo)參數(shù)的獲取依賴于大量試驗(yàn)測試與模擬矯正，因此獲取更符合實(shí)際情況的浮標(biāo)參數(shù)是大幅提高浮標(biāo)漂移預(yù)測的準(zhǔn)確性與可靠性的關(guān)鍵。

由于實(shí)際海洋環(huán)境復(fù)雜多變，浮標(biāo)在漂移過程中會遇到很多模型沒有考慮的外界因素，如船舶撞擊、漁船拖網(wǎng)等。今后研究中，可以考慮在模型實(shí)際模擬過程中引入浮標(biāo)實(shí)時(shí)遙測位置對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，有利于提高下一步模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性與模擬結(jié)果的可靠性，減少外界因素的影響。

在準(zhǔn)確預(yù)測浮標(biāo)漂移軌跡的基礎(chǔ)上，可以計(jì)算目標(biāo)漂移軌跡及其最終位置的概率分布，進(jìn)而確定最優(yōu)的搜救區(qū)域。即在搜救區(qū)域確定的基礎(chǔ)上，尋求一種搜救資源在時(shí)間和空間上的最優(yōu)分配方案。輔助決策者在最短的時(shí)間內(nèi)利用有限的搜尋資源制定搜尋方案以提高海上遇險(xiǎn)目標(biāo)搜尋工作的成功概率。