CN107292072A - 一种基于风压差翻转漂移模型的海上搜寻区域估计法 - Google Patents
一种基于风压差翻转漂移模型的海上搜寻区域估计法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于风压差翻转漂移模型的海上搜寻区域估计法，包括以下步骤：对风速改变量归一化；根据目标漂移速度得到目标自身速度对风压差翻转的影响；根据归一化后的风速改变量和目标自身速度对风压差翻转的影响求取风压差翻转率，并判断当前风压差是否翻转；根据风压差翻转结构得到目标漂移模型；基于目标漂移模型采用蒙特卡洛法估计搜寻区域。本发明基于风压差翻转漂移模型的海上搜寻区域估计法所估计的搜寻区域能最大程度地包含搜救目标，而且面积小，能避免徒劳的搜寻无效区域，提高海上搜寻成功率。
Description
技术领域
本发明属于海上搜救领域，涉及海上漂浮物(或称为目标)漂移模型的建立以及搜寻区域的估计。
背景技术
随着经济贸易的发展和海洋开发战略的实施，远洋运输、捕捞、海上石油勘探等活动日益频繁，发生水上险情和事故的频率也与日俱增。发生海难时，为了最大限度地减少生命和财产损失，需要准确、快速地估计搜寻区域，进而提高海上搜救成功率。准确的搜寻区域划定包含两个要求：①搜寻区域以最大概率包含搜救目标，不至于遗漏搜救目标；②搜寻区域尽可能细致，尽可能小，使搜寻力量集中在最短的时间内搜寻可能性最高的区域。为了使搜寻区域满足以上两个要求，需要建立精确而且简单实用的漂移模型。
一直以来对漂移模型的研究中，风压差一直在风向的左侧或右侧。实际上，搜救目标的风压差方向会从风向右侧突变到左侧，或者从左侧突变到右侧，这种现象被称为风压差翻转。在恶劣天气下，受破碎波、强阵风的影响，搜救目标的风压差方向会突变；在极低或极高风速下，风压差容易翻转，在中等风速下，翻转的可能性较小。究其原因，有以下三个方面：①风压差翻转的原因尚不明确；②风压差速度方向改变不易测量；③没有行之有效的统计方法确定风压差翻转的概率。
海上漂浮物的运动存在很大的偶然性。蒙特卡洛法具有逼真地描述具有随机性质的事物及物理实验过程的特点，可以用于估计搜寻区域。在估计的事故位置附近产生符合某种概率分布的粒子群，对每个粒子进行漂移计算，在停止时刻，粒子群的凸包就是搜寻区域。该方法考虑了风速、流速、风压差和漂浮物初始位置的不确定性。
发明内容
本发明针对现有漂移模型的不足，考虑了风压差翻转，并提出了一种计算风压差翻转率的方法，基于考虑了风压差翻转的漂移模型，运用蒙特卡洛法估计搜寻区域。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于风压差翻转漂移模型的海上搜寻区域估计法，包括以下步骤：
对风速改变量归一化；
根据目标漂移速度得到目标自身速度对风压差翻转的影响；
根据归一化后的风速改变量和目标自身速度对风压差翻转的影响求取风压差翻转率，并判断当前风压差是否翻转；
根据风压差翻转结果得到目标漂移模型；
基于目标漂移模型采用蒙特卡洛法估计搜寻区域。
所述对风速改变量归一化具体为：
Δw、分别为归一化后的风幅改变量和风向改变量；b为风幅阈值，Vw表示风速，表示风向，n为当前时刻，π为风向改变量的归一化参数。
所述根据目标漂移速度得到目标自身速度对风压差翻转的影响具体为：
其中，δo表示目标漂移速度对风压差翻转的影响，a为目标漂移速度阈值，Vo为目标漂移速度。
所述风压差翻转率
α、β、γ分别为目标速度、风幅和风向影响的权重。
所述判断当前风压差是否翻转具体为：
其中，τ为翻转率阈值，Lc＋表示横风向分量在风向右侧，Lc-表示横风向分量在风向左侧；Lc(n)为第n时刻风压差横风向分量；
当Lre＞τ时，发生翻转；否则不发生翻转。
所述目标漂移模型为
其中，P0为目标初始位置，Pt为目标t时刻的位置，t′为积分变量；
Vc＝Vsc+Vwc
Vo＝Vc+L
Vc为总水流速度，Vsc为海流，Vwc为风生流；Vo为目标的漂移速度，L为风压差，L(n)＝Ld(n)+Lc(n)，L(n)为第n时刻的风压差，Ld(n)为第n时刻风压差顺风向分量。
所述基于目标漂移模型采用蒙特卡洛法估计搜寻区域包括以下步骤：
首先，在估计的事故位置附近生成服从某种概率分布的粒子，初始风压差在风向左右两侧的粒子数目各占一半；
然后，用漂移模型对每个粒子的漂移轨迹进行预测，得到每个粒子的当前位置；
设定时间后，包围所有粒子凸包的最小平行四边形即为搜寻区域。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明基于风压差翻转漂移模型的海上搜寻区域估计法所估计的搜寻区域能最大程度地包含搜救目标，而且面积小，能避免徒劳的搜寻无效区域，提高海上搜寻成功率。
2.本发明确定搜寻区域，并不是简单地将所有粒子的凸包作为搜寻区域，这使得搜寻区域形状不规则，不利于搜寻，而是将包围所有粒子凸包的最小平行四边形所围区域定为搜寻区域。
3.本发明考虑了风压差翻转，提出了定量计算风压差翻转率的方法，并将影响风压差翻转的各量归一化，便于计算和设定风压差翻转率阈值。
附图说明
图1是风压差矢量分量图；
图2是目标漂移速度矢量计算图；
图3是初始粒子分布图；
图4a是考虑风压差翻转估计搜寻区域；
图4b是不考虑风压差翻转估计搜寻区域；
图5是不考虑风压差导致估计搜寻区域失效示例图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明公开了一种估计海上漂浮物搜寻区域的方法，一方面该方法考虑了风压差翻转，并提出一种风压差翻转率的计算方法，进而建立漂浮物的漂移模型；另一方面基于所建立的漂移模型，采用适合问题本身随机性质的蒙特卡洛法估计漂浮物的搜寻区域。
风压差翻转率计算方法如下。
目标偏离风向的角度称为风压差角Lα。风压差L与物体类型、浸没比等有关。将风压差分解为顺风向分量Ld和横风向分量Lc，如图1所示，图中Vw表示风速。风压差分解公式为
Ld＝adW10+bd (1.a)
Lc+＝ac+W10+bc+ (1.b)
Lc-＝ac-W10+bc- (1.c)
式中，W10表示海面10m风速，Lc＋表示横风向分量在风向右侧，Lc-反之。通常，Lc＋、Lc-关于风速对称。ad、bd、ac+、bc+、ac-、bc-为通过查阅表1拟合实际测量数据得到的线性系数，称为风压系数。风压差分解公式中，拟合之后的直线与实际数据产生的直线之间的误差即风压系数的扰动项∈d服从正态分布，该正态分布均值为0，方差为ρ，同样ρ可以通过查阅表1得到。则
同理，可以得到加入扰动项后的
风速突然改变的瞬间，目标运动的不确定性变大，风压差容易发生翻转。风速改变包括风向和大小。为便于度量风速改变量，将风向和风幅的改变量归一化。风向的改变即为两向量的夹角，取值范围为[0,π]，可将风向改变量的归一化参数设为π。归一化以后的风幅和风向改变量Δw、分别为
其中，b为风幅阈值，表示风向。
建立目标漂移速度与风压差翻转之间的联系。目标漂移速度越小，对外界环境的改变越敏感，运动方向越容易发生改变。目标漂移速度对风压差翻转的影响δo表示为
其中，a为目标漂移速度阈值，Vo为目标漂移速度。
风压差翻转率Lre为风向改变量Δw、风幅改变量目标漂移速度对风压差翻转的影响δo的加权和，即
其中，α、β、γ分别为目标速度、风幅和风向影响的权重。
设翻转率阈值为τ，当Lre＞τ时发生翻转，反之，不发生，n为当前时刻，
即
风压差横风向分量Lc(n)，与风压差翻转率的大小和前一时刻横风向分量Lc(n-1)有关，其中，τ为风压差翻转率阈值，可取为1。
Lc+、Lc-关于风速对称。那么，风压差L(n)为
L(n)＝Ld(n)+Lc(n) (8)
在公式(6)中，当α＝β＝γ＝0时，Lre≡0，将这种情况定义为不考虑风压差翻转。
目标的漂移轨迹可以被预测。如图2所示，目标漂移速度Vo计算公式为
其中，Vc为总水流速度，Vsc为海流速度，Vwc为风生流速度。
据此，目标漂移模型为
其中，P0为目标初始位置，Pt为目标t时刻的位置，t′为积分变量。
蒙特卡洛法具有逼真地描述具有随机性质的事物以及物理实验过程的特点，而海上漂浮物的漂移具有很大的随机性，故蒙特卡洛法非常适合该问题的求解。
运用蒙特卡洛法估计搜寻区域，首先在估计的事故位置附近生成大量服从某种概率分布(如正态分布)的粒子，初始风压差在风向左右两侧的粒子数目各占一半。然后，用所建立的漂移模型对每个粒子的漂移轨迹进行预测，得到每个粒子的当前位置。一段时间后，包围所有粒子位置凸包的最小平行四边形即搜寻区域。
本发明假设粒子的漂移满足马尔科夫过程，即目标未来位置的条件概率分布(式11)仅依赖于当前状态，与到达当前状态的历史路径无关。
p(xn+1|xn，xn-1，xn-2，...，x1)＝p(xn+1|xn) (11)其中，xi(i＝1,2,3,…n…)表示第i时刻目标的位置，p表示条件概率。
单个粒子的随机漂移过程可表示为
Δx＝Vo(n)ΔT+dε (12)
xn+1＝xn+Δx (13)
其中，Vo(n)为第n时刻目标的漂移速度，ΔT为离散时间步长，dε为位置的随机扰动项，该扰动项符合高斯分布；xn表示第n时刻粒子的位置。
本发明基于风压差翻转漂移模型的海上搜寻区域估计法，包括如下步骤：
(1)选取风压系数。风压系数和漂浮物的种类有关，美国、加拿大等国家经过对大量实验数据分析拟合得到的经验公式如表1(根据参考文献:AllenA.Plourde J V.Review of leeway:field experiments and implementation,ReportCG-D-08[R].Groton:US Coast Guard Research and Development Cnter,1999.)所示。DWL栏的斜率、截距即公式(1.a)中的ad、bd，+CWL栏的斜率、截距即公式(1.b)中的ac＋、bc＋；-CWL栏的斜率、截距即公式(1.c)中的ac-、bc-；表1中的方差一栏用于产生服从正态分布风压系数扰动项∈d，进而计算加入扰动项后的风压系数，计算方法如公式(2.a)、(2.b)所示。
(2)在估计的事故位置附近，产生一定数目的粒子。在事故位置附近产生符合圆高斯分布的粒子，一般粒子数目在1000左右为宜，初始风压差在风向左右两侧的粒子数目各占一半，即各500左右。
确定搜寻区域。利用获取到的流场和风场数据，根据公式(7)、(8)计算每一时刻的风压差，根据公式(9)计算每个粒子每一时刻的漂移速度，根据公式(12)和(13)计算每个粒子每一时刻的位置，直到停止时刻。在停止时刻，包围所有粒子凸包的最小平行四边形所围区域即搜寻区域。
表1 漂浮物种类与风压系数
续表1
下面根据实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将更加明显。
(1)假设遇难船舶为机动船-沿岸货轮，根据表1得其风压系数，如表2所示。
表2 遇难船舶风压系数
(2)假设事故位置坐标为(0,0)，产生800个符合圆高斯分布的粒子，如图3所示。
(3)目标漂移速度阈值a＝5m/s，风幅阈值b＝15m/s，目标漂移速度权重α、风幅权重β、风向权重γ分别取值为α＝1、β＝1、γ＝1。MATLAB软件生成风场和流场数据。在此条件下所估计的搜寻区域如图4a所示。
图3～图5：x、y坐标轴的单位为m；设定x、y轴正向为北、东，设定x、y轴负向为南、西；
图4a、图4b、图5：圆圈上的点表示初始风压差在风向左侧的粒子，星型上的点表示初始风压差在风向右侧的粒子，线框所围区域即估计搜寻区域，图5中间的实点为目标漂移一定时间后的实际位置。图4a表示考虑风压差翻转的估计搜寻区域，图4b表示不考虑风压差翻转的估计搜寻区域。
实施例分析：从图4a和图4b可以看出，考虑风压差翻转之后，左右两个搜寻区域不再孤立，它们之间的区域也成为搜寻区域。当实际情况发生风压差翻转，而搜救计划者没有考虑时，很有可能遗漏搜救目标，发生如图5所示的情况，从而导致搜寻计划失败。本发明提出的风压差翻转率计算方法提高了漂移模型的精度，从而提高了估计搜寻区域的可信性。
Claims (7)
1.一种基于风压差翻转漂移模型的海上搜寻区域估计法，其特征在于包括以下步骤：
对风速改变量归一化；
根据目标漂移速度得到目标自身速度对风压差翻转的影响；
根据归一化后的风速改变量和目标自身速度对风压差翻转的影响求取风压差翻转率，并判断当前风压差是否翻转；
根据风压差翻转结果得到目标漂移模型；
基于目标漂移模型采用蒙特卡洛法估计搜寻区域。
2.根据权利要求1所述的一种基于风压差翻转漂移模型的海上搜寻区域估计法，其特征在于所述对风速改变量归一化具体为：
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Δw、分别为归一化后的风幅改变量和风向改变量；b为风幅阈值，Vw表示风速，表示风向，n为当前时刻，π为风向改变量的归一化参数。
3.根据权利要求1所述的一种基于风压差翻转漂移模型的海上搜寻区域估计法，其特征在于所述根据目标漂移速度得到目标自身速度对风压差翻转的影响具体为：
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其中，δo表示目标漂移速度对风压差翻转的影响，a为目标漂移速度阈值，Vo为目标漂移速度。
4.根据权利要求1所述的一种基于风压差翻转漂移模型的海上搜寻区域估计法，其特征在于所述风压差翻转率
α、β、γ分别为目标速度、风幅和风向影响的权重。
5.根据权利要求1所述的一种基于风压差翻转漂移模型的海上搜寻区域估计法，其特征在于所述判断当前风压差是否翻转具体为：
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其中，τ为翻转率阈值，Lc+表示横风向分量在风向右侧，Lc-表示横风向分量在风向左侧；Lc(n)为第n时刻风压差横风向分量；
当Lre＞τ时，发生翻转；否则不发生翻转。
6.根据权利要求1所述的一种基于风压差翻转漂移模型的海上搜寻区域估计法，其特征在于所述目标漂移模型为
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其中，P0为目标初始位置，Pt为目标t时刻的位置，t′为积分变量；
Vc＝Vsc+Vwc
Vo＝Vc+L
Vc为总水流速度，Vsc为海流，Vwc为风生流；Vo为目标的漂移速度，L为风压差，L(n)＝Ld(n)+Lc(n)，L(n)为第n时刻的风压差，Ld(n)为第n时刻风压差顺风向分量。
7.根据权利要求1所述的一种基于风压差翻转漂移模型的海上搜寻区域估计法，其特征在于所述基于目标漂移模型采用蒙特卡洛法估计搜寻区域包括以下步骤：
首先，在估计的事故位置附近生成服从某种概率分布的粒子，初始风压差在风向左右两侧的粒子数目各占一半；
然后，用漂移模型对每个粒子的漂移轨迹进行预测，得到每个粒子的当前位置；
设定时间后，包围所有粒子凸包的最小平行四边形即为搜寻区域。
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