人员海上漂移轨迹预测方法

申请号 CN201611120502.3 申请日 2016-12-08 公开(公告)号 CN106768837A 公开(公告)日 2017-05-31
申请人 国家海洋局北海预报中心; 深圳市脉可捷科技有限公司; 发明人 黄娟; 白涛; 高松; 张子轩; 徐江玲; 陶金波; 李杰; 李锐; 唐舒伟; 陈小宇;
摘要 本 发明 公开了一种落 水 人员海上漂移轨迹预测方法,包括以下步骤:a将上述仿真人 体模 型在 指定 位置 抛放,通过仿真 人体模型 上的GPS/北斗 定位 模 块 进行实时定位,记录仿真人体模型的实际漂移轨迹;b使用ADCP进行剖面海流分层定点观测;同步进行直读式海流计表层海流观测,以及手持 风 速仪进行海面风观测;c以海洋水动 力 模型为 基础 ,采用Lagrange粒子追踪方法,计算仿真人体模型在风和流的共同作用下的初步预测漂移轨迹;d将初步预测漂移轨迹与实际漂移轨迹进行对比分析,得出初步预测漂移轨迹的校正系数,对初步预测漂移轨迹进行校正,获得精准预测漂移轨迹。本发明可有效提高对落水人员在 海水 中漂流路线的预测 精度 。
权利要求

1.一种落人员海上漂移轨迹预测方法,其特征在于,采用下述结构的仿真人体模型,该仿真人体模型包括头部模型、躯干部模型、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、左脚掌模型和右脚掌模型,所述头部模型和躯干部模型之间通过颈关节模型连接,所述左上臂模型、右上臂模型分别和躯干部模型之间通过肩关节模型连接,所述左前臂模型和左上臂模型之间、右前臂模型和右上臂模型之间通过肘关节模型连接,所述左手掌模型和左前臂模型之间、右手掌模型和右前臂模型之间通过腕关节模型连接,所述左大腿模型、右大腿模型分别和躯干部模型之间通过髋关节模型连接,所述左小腿模型和左大腿模型之间、右小腿模型和右大腿模型之间通过膝关节模型连接,所述左脚掌模型和左小腿模型之间、右脚掌模型和右小腿模型之间通过踝关节模型连接;所述头部模型的内部设置有第一密封舱,躯干部模型的内部设置有第二密封舱,在第一密封舱和第二密封舱之间设置有线缆穿管;所述第一密封舱的内部设置有GPS/北斗定位,第二密封舱的内部设置有通信部件和供电部件;该方法包括以下步骤:
a将上述仿真人体模型在指定位置抛放,通过仿真人体模型上的GPS/北斗定位模块进行实时定位,记录仿真人体模型的实际漂移轨迹;
b使用ADCP进行剖面海流分层定点观测,观测时间间隔1min,观测时长为25小时;同步进行直读式海流计表层海流观测,观测时间间隔30min,以及手持速仪进行海面风观测,观测时间间隔30min;
c以海洋水动模型为基础,采用Lagrange粒子追踪方法,计算仿真人体模型在风和流的共同作用下的初步预测漂移轨迹;
d将初步预测漂移轨迹与实际漂移轨迹进行对比分析,得出初步预测漂移轨迹的校正系数,对初步预测漂移轨迹进行校正,获得精准预测漂移轨迹;
e获取实际落水人员处的观测数据,重复上述计算步骤,并进行校正,获得落水人员海上漂移预测轨迹。
2.根据权利要求1所述的一种落水人员海上漂移轨迹预测方法,其特征在于,步骤c中:
还需考虑模型参数的不确定性,在计算的移动位移上增加扰动项,给出轨迹运行范围。
3.根据权利要求1所述的一种落水人员海上漂移轨迹预测方法,其特征在于:所述颈关节模型为由柔性材料制成的连接柱结构,所述肩关节模型为万向节连接结构,所述肘关节模型、腕关节模型和膝关节模型为直铰链连接结构,所述髋关节模型和踝关节模型为球铰链连接结构。
4.根据权利要求1所述的一种落水人员海上漂移轨迹预测方法,其特征在于:所述肩关节模型、肘关节模型、腕关节模型、髋关节模型、膝关节模型和踝关节模型上均设置有手动定结构。
5.根据权利要求1所述的一种落水人员海上漂移轨迹预测方法,其特征在于:所述躯干部模型的内部还设置有配重调节舱,配重调节舱位于第二密封舱的下方,在第二密封舱和配重调节舱之间设置有脊椎支杆。
6.根据权利要求1所述的一种落水人员海上漂移轨迹预测方法,其特征在于:所述躯干部模型上设置有外部充电和系统调试接口,所述头部模型在对应嘴巴、头顶和后脑的位置处设置有用于安装天线延长杆的孔位。
7.根据权利要求1所述的一种落水人员海上漂移轨迹预测方法,其特征在于:该仿真人体模型还配套有全身覆盖衣物。

说明书全文

人员海上漂移轨迹预测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种海上目标物漂移轨迹预测方法,具体地说是涉及一种落水人员海上漂移轨迹预测方法,属于海上搜救技术领域。

背景技术

[0002] 随着海洋开发规模的扩大,海事活动的频繁,海难事故更为人们所关注。海难事故在政治、经济、军事上都会给世界沿海各国带来巨大灾难,不仅是人员伤亡和财产的损失,还会给社会发展带来不良影响。因此,海上搜救工作越来越得到各沿海国家的重视。对于快速发展的海上运输业和渔上捕捞业,海上搜救行动能够给人员及财产的安全提供不可替代的保障作用。
[0003] 目前,我国的海上搜救指挥协调工作主要依靠搜救指挥人员的经验和判断,尚不能根据海上失事地点水文气象状况等,快速高效地预报失事人员的漂移轨迹,这在很大程度上影响了指挥与协调工作的快速性和准确性,往往会使搜救行动贻误时机。

发明内容

[0004] 基于上述技术问题,本发明提供一种落水人员海上漂移轨迹预测方法。
[0005] 本发明所采用的技术解决方案是:
[0006] 一种落水人员海上漂移轨迹预测方法,采用下述结构的仿真人体模型,该仿真人体模型包括头部模型、躯干部模型、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、左脚掌模型和右脚掌模型,所述头部模型和躯干部模型之间通过颈关节模型连接,所述左上臂模型、右上臂模型分别和躯干部模型之间通过肩关节模型连接,所述左前臂模型和左上臂模型之间、右前臂模型和右上臂模型之间通过肘关节模型连接,所述左手掌模型和左前臂模型之间、右手掌模型和右前臂模型之间通过腕关节模型连接,所述左大腿模型、右大腿模型分别和躯干部模型之间通过髋关节模型连接,所述左小腿模型和左大腿模型之间、右小腿模型和右大腿模型之间通过膝关节模型连接,所述左脚掌模型和左小腿模型之间、右脚掌模型和右小腿模型之间通过踝关节模型连接;所述头部模型的内部设置有第一密封舱,躯干部模型的内部设置有第二密封舱,在第一密封舱和第二密封舱之间设置有线缆穿管;所述第一密封舱的内部设置有GPS/北斗定位,第二密封舱的内部设置有通信部件和供电部件;
[0007] 该方法包括以下步骤:
[0008] a将上述仿真人体模型在指定位置抛放,通过仿真人体模型上的GPS/北斗定位模块进行实时定位,记录仿真人体模型的实际漂移轨迹;
[0009] b使用ADCP进行剖面海流分层定点观测,观测时间间隔1min,观测时长为25小时;同步进行直读式海流计表层海流观测,观测时间间隔30min,以及手持速仪进行海面风观测,观测时间间隔30min;
[0010] c以海洋水动模型为基础,采用Lagrange粒子追踪方法,计算仿真人体模型在风和流的共同作用下的初步预测漂移轨迹;
[0011] d将初步预测漂移轨迹与实际漂移轨迹进行对比分析,得出初步预测漂移轨迹的校正系数,对初步预测漂移轨迹进行校正,获得精准预测漂移轨迹;
[0012] e获取实际落水人员处的观测数据,重复上述计算步骤,并进行校正,获得落水人员海上漂移预测轨迹。
[0013] 上述步骤c中:还需考虑模型参数的不确定性,在计算的移动位移上增加扰动项,给出轨迹运行范围。
[0014] 优选的,所述颈关节模型为由柔性材料制成的连接柱结构,所述肩关节模型为万向节连接结构,所述肘关节模型、腕关节模型和膝关节模型为直铰链连接结构,所述髋关节模型和踝关节模型为球铰链连接结构。
[0015] 优选的,所述肩关节模型、肘关节模型、腕关节模型、髋关节模型、膝关节模型和踝关节模型上均设置有手动定结构。
[0016] 优选的,所述躯干部模型的内部还设置有配重调节舱,配重调节舱位于第二密封舱的下方,在第二密封舱和配重调节舱之间设置有脊椎支杆。
[0017] 优选的,所述躯干部模型上设置有外部充电和系统调试接口,所述头部模型在对应嘴巴、头顶和后脑的位置处设置有用于安装天线延长杆的孔位。
[0018] 优选的,该仿真人体模型还配套有全身覆盖衣物。
[0019] 本发明的有益技术效果是:
[0020] 本发明采用的仿真人体模型具备与真人外形相似的躯体部件和基本结构,各躯体部件通过各个活动关节进行连接,从而可较为真实地模拟真人落水后的情形,提高对落水人员在海水中漂流路线的预测精度。同时,通过ADCP、海流计、风速仪等进行风流观测,并根据观测数据采用Lagrange粒子追踪方法计算漂移轨迹,再通过与实际记录的漂移轨迹进行对比校正,获得较为精准的漂移轨迹,提高了营救工作的快速性和准确性。附图说明
[0021] 图1为本发明所采用仿真人体模型的整体结构示意图;
[0022] 图2为图1中仿真人体模型的局部结构示意图。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明。
[0024] 一种落水人员海上漂移轨迹预测方法,采用下述结构的仿真人体模型,如图1、2所示,包括头部模型1、躯干部模型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、左脚掌模型13和右脚掌模型14。所述头部模型1和躯干部模型2之间通过颈关节模型15连接。所述左上臂模型3、右上臂模型4分别和躯干部模型2之间通过肩关节模型16连接。所述左前臂模型5和左上臂模型3之间、右前臂模型6和右上臂模型4之间通过肘关节模型17连接。所述左手掌模型7和左前臂模型5之间、右手掌模型8和右前臂模型6之间通过腕关节模型18连接。所述左大腿模型9、右大腿模型10分别和躯干部模型2之间通过髋关节模型19连接。所述左小腿模型11和左大腿模型9之间、右小腿模型12和右大腿模型10之间通过膝关节模型20连接。所述左脚掌模型13和左小腿模型11之间、右脚掌模型14和右小腿模型12之间通过踝关节模型21连接。所述颈关节模型15为由柔性材料制成的连接柱结构,所述肩关节模型16为万向节连接结构,所述肘关节模型17、腕关节模型18和膝关节模型20为直铰链连接结构,所述髋关节模型19和踝关节模型21为球铰链连接结构。而为了在海上对该仿真人体模型进行定位跟踪,模型内部应具备放置电子部件的空间,可根据需求灵活嵌入各类现成的定位和发射电子模块,因此人体模型内需预留设备密封舱以放置电子部件。所述头部模型1的内部设置有第一密封舱22,躯干部模型2的内部设置有第二密封舱23,在第一密封舱22和第二密封舱23之间设置有线缆穿管24。第一密封舱22和第二密封舱23的内部可根据实际需要预留多个电子部件的安装位置及固定孔位。所述第一密封舱22的内部设置有GPS/北斗定位模块,第二密封舱23的内部设置有通信部件和供电部件。该方法包括以下步骤:
[0025] a将上述仿真人体模型在指定位置抛放,通过仿真人体模型上的GPS/北斗定位模块进行实时定位,记录仿真人体模型的实际漂移轨迹;
[0026] b使用ADCP进行剖面海流分层定点观测,观测时间间隔1min,观测时长为25小时;同步进行直读式海流计表层海流观测,观测时间间隔30min,以及手持风速仪进行海面风观测,观测时间间隔30min;
[0027] c以海洋水动力模型为基础,采用Lagrange粒子追踪方法,计算仿真人体模型在风和流的共同作用下的初步预测漂移轨迹;
[0028] d将初步预测漂移轨迹与实际漂移轨迹进行对比分析,得出初步预测漂移轨迹的校正系数,对初步预测漂移轨迹进行校正,获得精准预测漂移轨迹;
[0029] e获取实际落水人员处的观测数据,重复上述计算步骤,并进行校正,获得落水人员海上漂移预测轨迹。
[0030] 步骤c中:还需考虑模型参数的不确定性,在计算的移动位移上增加扰动项,给出轨迹运行范围。
[0031] 上述仿真人体模型中关节与肢体的连接方式及活动范围如下表1所示:
[0032] 表1
[0033]
[0034] 由于考虑到人体模型在水中模拟不同漂流姿态的需求,所述肩关节模型16、肘关节模型17、腕关节模型18、髋关节模型19、膝关节模型20和踝关节模型21上均设置有手动锁定结构。关节被锁定后具备一定的固定强度,在海水中漂流时不会因海浪的拍打而肆意改变姿态。另外由于人体模型的头部需要安装定位及通信天线,因此颈关节模型前后活动范围应比真人颈部活动范围大,初步测算人体模型颈部的前后活动范围需要到±80°以上。
[0035] 另外,综合参考临床医学、汽车碰撞试验等仿真人研制时所参考的相关参数,必要时可根据实际情况进行修正。根据2015年全国18岁及以上成年男性和女性的平均身高分别为167.1cm和155.8cm,平均体重分别为66.2kg和57.3kg。对海上搜救用仿真人体模型的基本尺寸参数等进行具体设计。
[0036] 表2为模型基本尺寸参数。
[0037] 表2
[0038]
[0039] 表3为静止形态尺寸参数。
[0040] 表3
[0041]
[0042] 表4为模型生理学参数。
[0043] 表4
[0044]
[0045] 表5为模型材料类型。
[0046] 表5
[0047]
[0048] 另外,为避免造成仿真人体模型头重脚轻的情况,所述躯干部模型2的内部还设置有配重调节舱25,以用于人体模型的重心调节和密度调节。配重调节舱25位于第二密封舱23的下方,在第二密封舱23和配重调节舱25之间设置有脊椎支杆26。
[0049] 进一步的,所述躯干部模型2上设置有外部充电和系统调试接口,而考虑到人体模型在海上需要模拟直立、俯卧、仰卧三种漂流姿态,不同姿态下都需要保证通信天线高于海面一定距离,所述头部模型在对应嘴巴、头顶和后脑的位置处设置有用于安装天线延长杆的孔位。在实际测试时可根据不同姿态的设置情况安装天线延长杆,杆体采用材质较轻的中空管材,内部穿4芯线缆到杆顶,杆顶可固定安装通信天线及信标灯。
[0050] 由于预留接口均与内部密封舱的电子部件相连,因此所有接口连接部位,包括延长杆与人体模型连接部、空闲延长杆接口、电池充电接口等,在封闭后应具备良好的水密性和耐腐蚀性,长期泡在海水中不会漏水或严重腐蚀。
[0051] 进一步的,该仿真人体模型还需要具备配套的全身覆盖衣物(含头套、手套、腰带、子),以模仿真人落水时穿着衣物的情况,为便于海上发现,颜色应为鲜明色(如亮黄色或草绿色),且衣物应能够耐海水腐蚀,不会因为海水浸泡而腐烂。衣物上应设计腰带,以便于人体模型在海中的投放、回收时的钩曳操作,因此腰带需要具备牢固性,不会因钩曳而轻易脱落。
[0052] 下面对相关的实验过程进行简要说明:
[0053] 海上实验区域为青岛市大公岛附近海域。中心点坐标为120.57°E,35.92°N。测流点位置为(120°31′E,36°3′N),仿真人体模型抛放点为(120°27.5′E,36°2′N)。
[0054] 海上实验时间为2015年7月15日04:00点从指定码头出发开展海上实验,海上实验时间持续12小时,于18:00点开始回收相关仪器设备,回收后由海上试验领队统一指挥返航。
[0055] A船和B船分别负责两个仿真人体模型的抛放、跟踪和回收。两船到达指定位置附近后,抛锚待命。15日06时分别进行仿真人体模型A(配重140斤)和仿真人体模型B(配重100斤)的抛放。仿真人体模型通过绑定便携式GPS及漂流浮标两种方式进行定位。6:00时至18:00两船分别对两个假人进行跟踪,每间隔15分钟记录船舶位置及假人与船舶的相对位置和相对方位。18:00时,对两个假人分别进行回收,船舶返航。全程进行影像记录。
[0056] C船负责定点测流。15日06时开始使用ADCP进行剖面海流分层定点观测,观测时间间隔1min,观测时长为25小时。同步进行直读式海流计表层海流观测,观测时间间隔30min,以及手持风速仪进行海面风观测,观测时间间隔30min。
[0057] 海上实验共接收漂流轨迹数据2组(连续12小时,两组仿真人体模型的跟踪数据),实测流数据2组(ADCP和直读式海流计,连续25小时),实测风数据1组(连续25小时)。
[0058] ADCP定点观测的流速和流向随时间变化情况如下:该位置海流为正规半日潮,涨潮流向约为250°,落潮流向约为75°,平均流速在45.9cm/s左右,最大流速达108cm/s。
[0059] 手持风速仪观测的海表面风速和风向观测数据随时间变化情况如下:该位置该时间段内风向为100°~200°之间,属于西南风。15日傍晚风速较大,最大达6.9m/s,随后风力减弱,平均风速在3.7m/s。
[0060] 现有的海上搜救应急漂移预测模型主要以海洋水动力模型为基础,采用Lagrange粒子追踪方法,计算漂浮物体在风和流的共同作用下的漂移轨迹。并考虑模型参数的不确定性,在计算的移动位移上增加扰动项,给出轨迹运行范围,即搜救范围。
[0061] 海上漂移物的漂移轨迹,除了与当地的海况和自然环境有关以外,漂移物的自身特性也对漂移轨迹有很大的而影响,比方说浸没比例和压载状况。因此,针对不同的目标物,风和流的作用系数要根据实际情况予以调整。
[0062] 对落水人员来说,受到的海流的作用比较大,因此在对落水人员的漂移预测中,采用风的作用系数0.5。经对比可以看出,漂移预测结果跟实际观测值吻合较好。
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