[發(fā)明專(zhuān)利]一種海上搜救目標(biāo)漂移路徑的預(yù)測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310344535.6
• 申請(qǐng)日: 2013-08-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103366227A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-10-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 牟林;宋軍;李歡;高佳;李琰;劉首華;董軍興;李程
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 牟林;宋軍;李歡;高佳;李琰;劉首華;董軍興;李程
• 主分類(lèi)號(hào): G06Q10/04
• 分類(lèi)號(hào): G06Q10/04;G06Q50/26
• 代理公司: 天津市鼎和專(zhuān)利商標(biāo)代理有限公司 12101
• 代理人: 朱瑜

1.一種海上搜救目標(biāo)漂移路徑的預(yù)測(cè)方法，其特征在于該方法包括以下步驟：

S₁、收集歷史氣象數(shù)據(jù)，建立氣象數(shù)據(jù)庫(kù)；

S₂、利用大氣模型調(diào)用S₁數(shù)據(jù)庫(kù)中的相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算獲得海上遇險(xiǎn)事故發(fā)生地點(diǎn)周?chē)^(qū)的風(fēng)場(chǎng)；

S₃、獲取遇險(xiǎn)事故發(fā)生地點(diǎn)周?chē)^(qū)的現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，更新S₁建立的氣象數(shù)據(jù)庫(kù)；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)同化，提高S₂中大氣模型預(yù)報(bào)的風(fēng)場(chǎng)的精確度；

S₄、結(jié)合S₂風(fēng)場(chǎng)結(jié)果，采用海浪數(shù)值模型預(yù)報(bào)遇險(xiǎn)事故發(fā)生地點(diǎn)周?chē)^(qū)的波浪場(chǎng)；

S₅、基于TPXO全球潮汐衛(wèi)星高度計(jì)反演數(shù)據(jù)集提供的8個(gè)分潮M₂、S₂、N₂、K₂、K₁、O₁、P₁、Q₁的調(diào)和常數(shù)給出潮汐與環(huán)流的開(kāi)邊界條件；

S₆、以S₂大氣模型提供的風(fēng)場(chǎng)、S₄海浪數(shù)值模型提供的波浪場(chǎng)為強(qiáng)迫場(chǎng)，并結(jié)合S₅提供的潮汐和環(huán)流開(kāi)邊界條件，使用海流數(shù)值模型預(yù)報(bào)包含風(fēng)生流和潮流的三維流場(chǎng)；

S₇、基于S₂大氣模型提供的風(fēng)場(chǎng)、S₄海浪數(shù)值模型提供的波浪場(chǎng)以及S₆海流數(shù)值模型提供的三維流場(chǎng)，構(gòu)建風(fēng)漂速度計(jì)算模型、海上搜救目標(biāo)漂移軌跡計(jì)算模型、誤差傳遞模型和搜救半徑計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)對(duì)海上遇險(xiǎn)人員或船舶的動(dòng)態(tài)漂移軌跡預(yù)測(cè)；

S₈、基于以上計(jì)算結(jié)果，利用可視化技術(shù)將搜救目標(biāo)漂移路徑預(yù)測(cè)結(jié)果直觀顯示。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海上搜救目標(biāo)漂移路徑的預(yù)測(cè)方法，其特征在于，S₂所述的大氣模型為WRF，用該模型完成遇險(xiǎn)事故發(fā)生地點(diǎn)周?chē)^(qū)的未來(lái)48小時(shí)的風(fēng)場(chǎng)計(jì)算；該模型采用完全可壓縮非靜力歐拉方程組，水平網(wǎng)格采用Arakawa?C網(wǎng)格，垂直坐標(biāo)采用基于質(zhì)量的地形追隨η坐標(biāo)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海上搜救目標(biāo)漂移路徑的預(yù)測(cè)方法，其特征在于：S₃所述的獲取遇險(xiǎn)事故發(fā)生地點(diǎn)周?chē)^(qū)的現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)的方法為用下載工具定時(shí)自動(dòng)下載觀測(cè)站服務(wù)器提供的常規(guī)地面觀測(cè)數(shù)據(jù)、常規(guī)探空數(shù)據(jù)、船舶觀測(cè)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星海面風(fēng)觀測(cè)數(shù)據(jù)與衛(wèi)星輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海上搜救目標(biāo)漂移路徑的預(yù)測(cè)方法，其特征在于：S₃所述的數(shù)據(jù)同化的方法為3DVAR方法，為預(yù)報(bào)用的海流數(shù)值模型提供初始場(chǎng)與時(shí)變邊界條件。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海上搜救目標(biāo)漂移路徑的預(yù)測(cè)方法，其特征在于S₆所述的三維流場(chǎng)計(jì)算方法為：

利用海浪數(shù)值模型SWAN來(lái)計(jì)算搜救相關(guān)海區(qū)的海浪分布情況及變化，利用大氣模型每十五分鐘輸出一次風(fēng)場(chǎng)并驅(qū)動(dòng)海浪數(shù)值模型，海浪譜在每一個(gè)格點(diǎn)上取36個(gè)頻率和12個(gè)方向，通過(guò)對(duì)源函數(shù)項(xiàng)和傳播項(xiàng)的積分，求得未來(lái)48小時(shí)內(nèi)每小時(shí)輸出一次的波浪場(chǎng)；

基于S₂大氣模型提供的風(fēng)場(chǎng)、S₄海浪數(shù)值模型提供的波浪場(chǎng)以及來(lái)自TPXO全球潮汐衛(wèi)星高度計(jì)反演數(shù)據(jù)集提供的8個(gè)分潮M₂、S₂、N₂、K₂、K₁、O₁、P₁、Q₁的調(diào)和常數(shù)給出潮汐與環(huán)流的開(kāi)邊界條件，在WRF模型和SWAN模型運(yùn)算完畢后，SHELL腳本自動(dòng)運(yùn)行海流數(shù)值模型FVCOM，并預(yù)報(bào)獲取遇險(xiǎn)事故發(fā)生地點(diǎn)周?chē)^(qū)的未來(lái)48小時(shí)的三維流場(chǎng)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海上搜救目標(biāo)漂移路徑的預(yù)測(cè)方法，其特征在于：S₇所述的風(fēng)漂速度計(jì)算模型、海上搜救目標(biāo)漂移軌跡計(jì)算模型、誤差傳遞模型和搜救半徑計(jì)算模型，其構(gòu)建方法包括：

（1）風(fēng)漂速度計(jì)算模型

根據(jù)海上搜救目標(biāo)風(fēng)漂移速度的計(jì)算方法，結(jié)合海上搜救目標(biāo)的狀態(tài)和幾何特性，建立不同類(lèi)型的海上搜救目標(biāo)的風(fēng)漂速度計(jì)算模型：

V_w=C_d·W

其中V_w為風(fēng)漂速度，W為海表面10米風(fēng)速，C_d為風(fēng)拖曳系數(shù)，該系數(shù)根據(jù)搜救目標(biāo)的排水狀態(tài)和在水中的浸沒(méi)比例等因素變化而變化。當(dāng)搜救目標(biāo)為船舶時(shí)，C_d在1%和5%之間。一般情況下，C_d取1%～3%，遇險(xiǎn)人員取1%，救生筏取3%，無(wú)動(dòng)力船只取2%；

（2）海上搜救目標(biāo)漂移軌跡計(jì)算模型

海上搜救目標(biāo)漂移軌跡計(jì)算模型為：

S=S0+∫t0t0+ΔtVtdt+S′]]>

其中，S₀為搜救目標(biāo)的初始位置，V_t為t時(shí)刻搜救目標(biāo)的漂移速度，為空間和時(shí)間的函數(shù)，S′為因?yàn)橥牧饔绊懓l(fā)生的隨機(jī)走動(dòng)距離。搜救目標(biāo)以速度V_t經(jīng)時(shí)間步長(zhǎng)Δt后漂移至S，該模型采用了拉格朗日追蹤法，其核心就是求解V_t；這里V_t是各個(gè)海洋環(huán)境動(dòng)力要素作用過(guò)程所產(chǎn)生的分速度的合成。本發(fā)明認(rèn)為作為預(yù)測(cè)搜救目標(biāo)的V_t主要由風(fēng)漂速度、表面流速和波余流流速構(gòu)成；

（3）誤差傳遞模型和搜救半徑計(jì)算模型

（a）誤差傳遞模型

搜救目標(biāo)的漂移軌跡求解方法如下：

S=Σi=1k(SW+SC)=Σi=1k(Cd·W[i]+V)·t]]>

這里，S為搜救目標(biāo)的漂移位移，S_W和S_C分別代表風(fēng)和流作用下的位移，C_d為風(fēng)拖曳系數(shù)，W代表海表面10米風(fēng)速，V代表流速（包括表面流速和波余流流速），t代表漂移時(shí)間；

預(yù)測(cè)的軌跡是分段線性疊加計(jì)算，最終的預(yù)測(cè)軌跡誤差也是由各階段產(chǎn)生的誤差合成而來(lái)；每個(gè)階段的測(cè)量可以看作獨(dú)立，總誤差由各個(gè)階段產(chǎn)生的誤差按線性方式進(jìn)行合成；對(duì)于每個(gè)階段，風(fēng)、流的誤差對(duì)最后預(yù)測(cè)軌跡的誤差影響是風(fēng)、流兩者誤差的疊加；

以下首先建立每個(gè)階段的誤差計(jì)算模型：

由誤差理論，當(dāng)間接測(cè)量量y是直接測(cè)量量x_i（i=1，2，3…n）的線性函數(shù)時(shí)，即：

y=a0+Σi=1naixi]]>

這里α₀和α_i均為非隨機(jī)但是未觀測(cè)到參數(shù)，y的方差D_y為：

Dy=Σi=1nai2Dxi+2Σi<jaiajσxiσxj]]>

當(dāng)x₁，x₂,…x_n之間不相關(guān)時(shí)，間接測(cè)量量y的方差為：

Dy=Σi=1nai2Dxi]]>

其均方根差為：

σy=[Σi=1nai2σxi2]1/2]]>

當(dāng)間接測(cè)量量y是直接測(cè)量量x_i（i=1，2,3…n）的非線性函數(shù)時(shí)，則：

y=f(x_i)（i=1，2，3…n）

其方差為：

Dy=Σi=1nai2Dxi+2Σi<jaiajσxixj]]>

這里，

ai=(∂f∂xi)x=mx]]>

ρ_ij是x_i，x_j的相關(guān)系數(shù)；

當(dāng)x₁，x₂,…x_n之間不相關(guān)時(shí)，ρ_ij=0，間接測(cè)量量的方差為：

Dy=Σi=1n(∂f∂xi)x=m2]]>Dxi=Σi=1naiσxi2]]>

其均方根差為：

σy=[Σi=1nai2σxi2]1/2]]>

若y₁，y₂,…y_m均為幾個(gè)間接測(cè)量量x₁，x₂,…x_n的線性函數(shù)，即：

y_r=f(x_ri)（r=1，2，3…m）

則可用向量和矩陣符號(hào)表示為：

Y=A₀+AX

其中：

Y=y1y2···ym,]]>X=x1x2···xn,]]>A0=a10a20···am0,]]>A=[ari]=a11a12···a1na21a22···a2n···am1am2···amn]]>

則其誤差向量為：

σ_Y=Aσ

其中，σ=(σ₁，σ₂，…σ_n)^T

若y₁，y₂,…y_m均為幾個(gè)間接測(cè)量量x₁，x₂,…x_n的非線性函數(shù)，即：

y_r=f(x_ri)（r=1，2，3…m）

則其誤差向量為：

σ_Y=Aσ

其中，σ=(σ₁，σ₂，…σ_n)^T，

對(duì)于漂浮物軌跡預(yù)測(cè)問(wèn)題，若不考慮風(fēng)拖曳系數(shù)C_d的誤差影響，直接測(cè)量量為風(fēng)、流速度分量W_U，W_V，V_U，V_V，間接測(cè)量量為預(yù)測(cè)軌跡位置的北向坐標(biāo)Y_N和東向坐標(biāo)Y_E，則直接測(cè)量量對(duì)間接測(cè)量量的誤差傳遞規(guī)律滿(mǎn)足線性函數(shù)的規(guī)律。

此時(shí)，m=2，n=4，

則：Y=y1y2=YEYN,]]>X=x1x2x3x4=WUWVVUVV,]]>A₀=0，A=[ari]=a11a12a13a14a21a22a23a24]]>

對(duì)每一階段k(k=1，2，…K)，a_ij(i=1，2；j=1，2，3，4)為：

a₁₁[k]=a₂₂[k]=C_d·t，a₁₃[k]=a₂₄[k]=t，a₁₂[k]=a₁₄[k]=a₂₁[k]=a₂₃[k]=0，即：

A=Cd·t0t00Cd·t0t]]>

則其誤差向量為：

σ_Y=Aσ

其中，σ=(σWU,σWV,σVU,σVV)T]]>

若考慮風(fēng)中漂移系數(shù)C_d的誤差影響，則直接測(cè)量量V_U，V_V對(duì)間接測(cè)量量的誤差傳遞規(guī)律滿(mǎn)足線性函數(shù)的規(guī)律，而直接測(cè)量量W_U，W_V及C_d對(duì)間接測(cè)量量的誤差傳遞規(guī)律則應(yīng)按非線性函數(shù)的傳遞規(guī)律進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)相應(yīng)的誤差理論，此時(shí)的系數(shù)矩陣A的元素應(yīng)為相應(yīng)的偏導(dǎo)數(shù)，則：

Y=y1y2=YEYN,]]>X=x1x2x3x4x5=WUWVVUVVCd,]]>A₀=0，A=[ari]=a11a12a13a14a15a21a22a23a24a25]]>

對(duì)每一階段k(k=1，2，…K)，a_ij(i=1，2；j=1，2，3，4，5)為：

a₁₁[k]=a₂₂[k]=C_d·t，a₁₃[k]=a₂₄[k]=t，a₁₂[k]=a₁₄[k]=a₂₁[k]=a₂₃[k]=0，即：

A=Cd·t0t0WU·t0Cd·t0tWV·t]]>

則其誤差向量為：

σ_Y=Aσ

其中，σ=(σWU,σWV,σVV,σVV,σCd)T]]>

由此，建立了每個(gè)階段的誤差計(jì)算模型；

設(shè)每個(gè)階段的誤差為σ_i(i=1，2，…k)，則最終的預(yù)測(cè)軌跡誤差應(yīng)按線性方式合成，即：

σTotal=[Σi=1Kσi]1/2]]>

（b）搜救半徑計(jì)算模型

通過(guò)搜救目標(biāo)在指定時(shí)刻處在半徑R圓內(nèi)的概率P可求出R，搜救半徑計(jì)算模型為：

P=1-exp[-R2ΔTr22T]]]>

其中：T為從推算開(kāi)始時(shí)起的物體漂移時(shí)間；r為ΔT時(shí)間的推算均方差（根據(jù)風(fēng)和流的預(yù)報(bào)誤差計(jì)算）；ΔT為時(shí)段，風(fēng)和流的速度和方向在這一時(shí)段內(nèi)是常量；

由此，根據(jù)給定的概率P就可計(jì)算出搜尋半徑R。