（交通信息工程及控制专业论文）海上搜救模拟人及其漂移模型研究.pdf

中文摘要 摘要 随着我国国内外贸易的发展，从事水上工作的人员迅速增加，与此同时，海难 事故时有发生，遇难人数不断增加。本文从试制海上搜救模拟人入手，以建立搜救 模拟人漂移模型为目的进行研究，为海事组织制定搜救决策提供数据参考和理论依 据，从而提高我国海上搜救的成功率。 首先，本文从人机工程学的角度出发，采用多元线性分析方法，对我国人体各 部分测量尺寸进行变量分析，根据人体尺寸测量值的算法，得出了适合我国标准人 体5 0 百分位的人体参数；结合对汽车碰撞模拟人、医学模拟人以及航空航天模拟人 的研究分析，确定搜救模拟人的性能指标、相关参数等基本要求；根据本文研究目 的，对搜救模拟人进行功能设计、参数设计、结构设计；完成对搜救模拟人制作材 料、电子设备、传感器等的选型研究；对搜救模拟人人体支架、关节连接、表皮材 料进行研究分析，并根据本文研究试验需要，进行总体设计；根据研究成果，对模 拟人进行配重、组装、水密，试制海上搜救模拟人。 然后，本文在对溢油漂移模型、失控船漂移模型以及浮标漂移模型研究分析的 基础上，以及对模拟人的自身因素考虑，通过对流场的引入，同时考虑风场的作用， 利用拉格朗日追踪法，建立搜救模拟人漂移模型；利用m a t l a b 与v b 集成的方法， 面向对象开发人机可视界面，实现模拟人的动态漂移运动模拟仿真，为以后完善系 统功能提供了研究方法。 最后，对模拟人进行实验测试，检验其功能性、材料性能、传感器以及电子定 位系统性能；基于漂流轨迹、运动状态，比较模拟人与真人的相似性；进行海上研 究验证搜救模拟人漂流模型的可行性，并对收集的漂流数据进行分析、处理，完善 搜救模拟人漂移数学模型。 本文的研究结果为进一步完善海上搜救决策提供了重要参考，促进了模拟人在 我国海上搜救领域的发展，为提高我国海上整体搜救实力具有一定的促进作用。 关键字：模拟人；漂移模型；m a t l a b 与v b 集成；搜救 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p i n go fn a t i o n a le c o n o m y , t h en u m b e ro fs t a f fe n g a gi nw o r k i n ga t s e ai n c r e a sr a p i d l y , a tt h es a m et i m e ，m a r i t i m ea c c i d e n t sh a v eb e e n i n go c c u r r e da l lt h e t i m e ，a n dt h en u m b e ro fd e a t hi nv i c t i m si si n c r e a s i n g i nt h a tc a s e ，t h i sp a p e r , s t a r t i n g f r o mt r y i n gt om a k er e s c u ed u m m y , f o rt h ep u r p o s eo fs e t t i n gu ps e a r c ha n dr e s c u e d u m m yd r i f tm o d e l ，t os t u d ys u p p l yd a t ar e f e r e n c ea n dt h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h er e s c u e o r g a n i z a t i o n ，s o ，t h er a t eo fo u rm a r i t i m er e s c u ee f f i c i e n c yw i l lb ei m p r o v e d f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rs t a r t i n gf r o mt h ee r g o n o m i c sp o i n to fv i e w , u s i n gt h em e t h o d o f m u l t i p l e l i n e a r a n a l y s i s ，t o s t u d y t h ev a r i o u s p a r t s o fc h i n a sh u m a n d i m e n s i o n s ，a c c o r d i n gt ot h ea l g o r i t h mb o d ys i z em e a s u r e m e n t s ，t og e tt h ep a r a m e t e ro f c h i n e s e 5 0 一p e r c e n t i l eb o d y ；a n dt h e n ，f o l l o w i n g t h e s t u d y i n g o nc a rc o l l i s i o n d u m m y , m e d i c a ld u m m ya n da e r o n a u t i c a ld u m m y , f i xo nt h ep e r f o r m a n c ei n d e xa n d r e l a t e dp a r a m e t e r so fr e s c u ed u m m y ；f o l l o w i n gt h ep r o p o s eo ft h ep a p e r , d e s i g nt h e f u n c t i o n ，p a r a m e t e r , s t r u c t u r a lo ft h er e s c u ed u m m y , f i n i s h i n gt h es t u d yo fp r o d u c t i o no f m a t e r i a l s ，e l e c t r o n i ce q u i p m e n t ，s e n s o ra n ds oo n ，b ys t u d y i n gt h ed u m m yb o d y b r a c k e t , j o i n t c o n n e c t i o na n ds k i n m a t e r i a l ，t o d e s i g n t h e d u m m y t o t a l s t r u c t u r e a c c o r d i n g t ot h e r e s e a r c h ，p r o d u c e t h er e s c u ed u m m yb yw a t e r t i g h t i n g ， a s s e m b l y i n g ，a n dw e i g h t i n g a n dt h e n ，t h i sp a p e ro nt h eb a s i so fa n a l y z i n go i ls p i l ld r i f tm o d e l ，o u to fc o n t r o l s h i p d r i f tm o d e la n db u o yd r i f t m o d e l ，b yt h i n k i n g o v e rt h eo w nf a c t o r so f d u m m y , t h r o u g ht h ei m p o r to ft h ef l o wf i e l d ，t a k i n gi n t oa c c o u n tt h er o l eo fw i n d ，u s i n g t h em e t h o do fl a g r a n g i a nt r a c k i n gm e t h o d ，s e t i n gu ps e a r c ha n dr e s c u ed u m m yd r i f t m o d e l ；u s i n gt h em e t h o d so fm a t l a ba n dv bi n t e g r a t i o n ，d e v e l o p i n gm a n - m a c h i n e v i s u a l i n t e r f a c e o b je c t o r i e n t e d ，c a r r y o u tt h em o t i o ns i m u l a t i o no ft h er e s c u e d u m m y , s u p p p l yt h es t u d ym e t h o df o ri m p r o v i n gt h es e a r c ha n dr e s c u es y s t e mf u n c t i o n f i n a l l y , c h e c ku pt h ep e r f o r m a n c eo fr e s c u ed u m m yb yt e s t i n gi t sf u n c t i o n a l i t y , c a p a c i t ym a t e r i a l s ，s e n s o r sa n de l e c t r o n i cs y s t e m sp e r f o r m a n c e ；b a s e do nt h ed r i f t 英文摘要 t r a j e c t o r y , m o v e m e n ts t a t u s ，c o m p a r e t h er e s c u e d u m m y w i t hr e a l p e r s o n f o r s i m i l a r i t y ；c h e c ku pt h ef e a s i b i l i t yo fr e s c u ed u m m y d r i f tm o d e lb yt e s t i n ga ts e a ，c o l l e c t t h ed r i f tt r a c k i n ga n dd r i f td a t af o ra n a l y z i n gt h e ma f t e rt h et e s ta ts e a ，s ot h a t ，t h ed r i f t m o d e lf u n c t i o n w i l lb ei m p r o v e d t h er e s u l to ft h i s p a p e rs t u d yp r o v i d e sa ni m p o r t a n tr e f e r e n c e f o rf u r t h e r i m p r o v i n gt h es e a r c ha n dr e s c u ed e c i s i o n m a k i n g ，a n dp r o m o t e st h ed u m m yd e v e l o p i n g i nc h i n a ss e a r c ha n dr e s c u ed o m a i n ；t h ep a p e r ss t u d ym a k eac e r t a i nr o l ei ni m p r o v i n g t h en a t i o n a ls e a r c ha n dr e s c u es t r e n g t h k e yw o r d s ：d u m m y ；d r i f tm o d e l ；m a t l a bi n t e g r a t i o nw i t hv b ；s e a r c ha n dr e s c u e 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：渔土塑遨撞型厶拯墓逯整搓型婴窟：。除论文中已经注明引 用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表或未公 开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 与毒逝易 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密回( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：愀汤导师签名：纱每步 日期：砰年月形日 海上搜救模拟人及其漂移模型研究 1 。1 研究的背景和必要性 第1 章绪论 近年来，随着我国国民经济的快速发展，国内外贸易的拓展推动了海上交通 运输和水上旅游业的繁荣，我国从事水上工作的人员迅速增加，与此同时，海难 事故时常发生，导致遇难人数居高不下。 我国拥有大陆海岸线1 8 0 0 0 多公里，海域面积达3 0 0 多万平方公里，海上交 通流量大，运输密度高，通航范围大，通航环境复杂，加上近年来气候变化异常， 自然灾害和人为因素导致涉海活动和水上作业的安全事故频发，海上运输安全形 势依然严峻，救捞工作面临巨大挑战。 图1 1 是2 0 0 2 年至2 0 0 8 年全国水上交通事故统计表，包括海难事故引起的 死亡、失踪人数，以及海难所引起的经济损失。 时间全国jk 上交通事故统计 一1 一。一一e 一 一一一一一一1 t “ 、 一 事故件数 ! 沉船艘数死亡、失踪人数4 经济损失( 百万) ； 2 0 0 2 7 3 43 8 44 6 31 6 1 3 5 f 2 0 0 36 3 43 4 34 9 83 8 0 0 9 2 0 0 45 6 23 3 0 4 8 93 6 8 9 1 l 2 0 0 55 3 23 0 6 4 7 9 4 9 5 0 0 ，i 2 0 0 64 4 02 5 03 7 6 4 4 3 0 0 莨 2 0 0 74 2 02 4 83 7 2 4 0 2 o o 2 0 0 83 4 22 1 33 5 l5 1 9 0 0 图1 1 海难遇难人数及经济损欠 f i g 1 1s h i p w r e c kd e a t ht o l la n de c o n o m i cl o s s e s 海上搜救服务 2 1 是政府协调一切公共事务活动，并在营救后将其转移到安全 地点的行动，是国家应急救助体系的重要组成部分，也是国家经济发展的重要保 障，一个国家的搜救服务水平的高低，是该国家综合国力强弱的重要标志。我国 从保障水上人民财产安全以及预控重大海难事故发生的角度出发，加大了投入和 建设力度，我国的搜救力量和搜救工作在逐步规范化和程序化。2 0 0 6 年初，国家 第1 章绪论 编制和颁布了国家海上搜救应急预案等从组织机构和程序上对我国的搜救工 作进行了规范。 纵观目前我国搜救力量发展的总体状况，我国加大搜救力量的投入主要侧重 于搜救装备上的更新，强调在海难事故中的救助能力。在实际的搜救过程中，当 前国内外对人员落水的救助技术和理论还比较落后，搜救区域和搜救方法的选择， 主要还是依靠过去经验的作指导，不能满足信息时代的需要。目前国际上制定搜 救策略主要还是采用解析法，依据以往的经验进行推测，没有确切的理论数据做 指导。组织行动存在一定程度的盲目性，搜救任务缺乏系统性，这一现状已经无 法适用我国搜救的总体发展趋势，制定搜救策略和进行救助行动需要更为科学的 方法作指导。 目前，模拟人在很多领域都有很好的运用，对其行业的发展起到了促进作用。 例如，汽车碰撞试验，医学人体试验，以及宇宙飞船上天，都需要模拟人进行先 驱试验。模拟人是社会发展不可或缺的有用工具。 本文从研究海上最佳搜救区域的目的出发，研究制作海上搜救模拟人，并使 用搜救模拟人进行海上漂移试验，搜集其在不同海况下、不同海域的漂移轨迹及 漂移数据，组建数据库，并建立数学模型，为海上救助落水人员提供可靠的理论 依据及数据支持，提高我国海上救助能力。根据搜救漂移模型提高搜救的及时性、 准确性，从而提高救助效率；为海上救助部门提供有效的辅助，弥补我国海上搜 救工作能力的不足，保障海上人命财产安全。 海上搜救是一项庞大的系统工程，其任务包括人命救助、财产救助、环境救 助，要求快速而高效处置水上的突发事件，履行国家赋予的公益性职责，保障人 民群众生命财产安全。党的十七大报告强调指出：“科学发展观第一要义是发展， 核心是以人为本，基本要求是全面协调可持续，根本方法是统筹兼顾 ，遵照这个 精神，救捞的首要目标是救生。本文的旨意就是要充分运用航海领域的各种先进 技术和现代信息技术，进行人命救助信息化研究，预先研究在各种海难事故中落 水人员在不同海况下的运动状态和漂流轨迹，进行生命环境的系统测试，建立救 生数据库和相关的数学模型，为快速制定最佳人命救助方案，科学而有效地进行 人命救助工作提供理论依据和信息支持，也将为提高人命救助的成功率和准确率 2 海上搜救模拟人及其漂移模型研究 奠定坚实的信息资源基础。 1 2 本文的研究目的和意义 研究试制海上搜救模拟人，研究其技术指标、人体参数、性能参数，完成制 定海上搜救模拟人的功能设计、参数设计、结构设计等；并使用搜救模拟人进行 海上试验，研究人员落水后的漂流轨迹、生命状态及相关保护措施的可靠性，为 未来海上搜救理论和技术的发展提供新的科学方法，进而为海上搜救理论和技术 的发展提供基础数据和实验验证；建立海上搜救模拟人漂移模型，对海上落水人 员的漂移概略位置和位移倾向进行合理的预测，更为有效的调配搜救力量，锁定 搜救区域，从而提高我国海上搜救工作的效率。 1 3 本文研究的主要内容 本文基于国内外模拟人的研究现状，综合分析国内外研究模拟人体制作的技 术，以及我国在模拟人体研究方面的基础之上，研究试制适合我国标准人体的海 上搜救模拟人，并进行海上试验，收集落水人员的漂流轨迹和漂流数据：根据当 前国内外研究水上漂流物的运动模型，依据模拟人体的漂移特性，分析海上落水 人员的漂移影响因素，提出和建立与我国海上实际搜救能力相结合的海上搜救模 拟人的漂移模型，为海事组织制定搜救决策提供依据。 因此本文的主要研究内容共包括以下几个方面： ( 1 ) 研究确定海上模拟人的基本功能 研究当前模拟人的先进制作技术，模拟人的的主要相关技术指标、基本结构， 以及制作材料等，并确定适合我国的标准模拟人体的相关参数。 ( 2 ) 对模拟人进行配重、组装、水密 根据适合我国标准人体的参数，对模拟人体进行配重、组装，并安装电子定 位系统，以及各种传感器。根据海上试验要求，对模拟人体进行水密试验。 ( 3 ) 海上搜救模拟人漂移模型研究 本文首先对人员落水进行分析，根据人体漂移运动方程，在分析水动力以及 环境力矩的基础上，通过对风场和流场的数值模拟，建立模拟人体漂移运动数值 模型。由于人体的密度与海水基本一致，因此风对模拟人漂移运动的影响较小可 第1 章绪论 以忽略不计，主要研究流对模拟人漂移的影响。流的影响主要包括潮流以及风生 流等。潮流采用二维非线性潮波运动方程求解。系统输入海上落水人员的位置、 人体参数、环境参数后，系统能够显示人员的运动状况。 ( 4 ) 利用m a t l a b 与v b 集成的方法面向对象进行开发人机可视界面 综合模拟人漂移因素，实现漂移预测、区域锁定、数据查询等功能。最后通 过实际海上试验应用验证，利用m a t l a b 与v b 集成的方法面向对象进行开发人 机可视界面，从而实现海上搜救模拟人漂移模型的应用功能。 ( 5 ) 比对试验 对模拟人进行实验测试，检验其功能性、材料性能、传感器以及电子定位系 统性能。基于漂流轨迹、运动状态，比较模拟人与真人的相似性，进行海上研究 验证搜救模拟人漂流模型的可行性，并收集、分析、处理数据，完善其数学模型。 1 4 本文研究方法与技术路线 1 调研目前模拟人的研究制作技术和海事的搜救需求；研究当前关于海上漂 移物模型使用的主要研究方法。 2 研究模拟人体关键技术：人体结构、材料、传感器 3 根据海上试验要求，研制模拟人初样 4 初步建立模拟人海上漂移数学模型。 5 进行海上试验，验证漂移模型的可行性、有效性，并完善其功能。 1 5 本文内容框架 本文的内容结构如下： 第1 章，首先给出本文的选题背景，综述了论文研究的目的、意义、主要内 容和技术路线。 第2 章，介绍国内外相关领域研究的现状，并对国内外现有的研究成果进行 了比较研究，确定出本文的研究方法。 第3 章，对海上搜救模拟人制作的关键技术、相关技术指标及参数进行了研 究，并对电子系统及传感器设备进行了分析、研究。 第4 章，根据以上几章的研究，对搜救模拟人的功能、参数、结构进行了初 4 海上搜救模拟人及其漂移模型研究 步设计，并根据试验要求试制海上搜救模拟人。 第5 章，根据人员落水运动方程，以及海上风场、流场的处理手段建立起海 上搜救模拟人漂移模型。 第6 章，利用m a t l a b 与v b 集成方法等研发手段开发可视界面，将上述海 上搜救辅助系统提高到人机交换和实际应用的高度上来。 第7 章，研究设计搜救模拟人的海上试验，提出适合对搜救模拟人进行局部 试验、整体试验的方法和实施方案。对模拟人体进行局部水密试验、密度试验， 对电子系统进行测试；对漂移模型进行仿真研究，与浮标漂移模型进行比较，并 对可能的结果进行分析论证。 结论部分，总结本文所做的工作和存在的不足，对今后的进一步研究提供依 据。 海上搜救模拟人及其漂移模型研究 第2 章国内外模拟人制作技术及海上漂移模型的对比研究 21 国内外模拟人制作技术及研究现状 2i1 国外模拟人0 作技术和研究现状 模拟人体的研究制作在国外已经有了6 0 多年的发展历史。1 9 4 9 年，世界上 第一个模拟人由s i e r r a 公司为美国空军敬计制造的。最初的模拟人只有一些简单 的功能除了可模仿人类运动以及获得加速度等数姑以外它们无法测量在测 试中感受到的撞击力。随后模拟人的研究制作在很多领域都得到y t v 好的研究开 发和利用，并对各行业的发展起到了积极的促进作用，有的甚至是历史性的突破。 模拟人的发展应用主要在汽车碰撞、医学试验、航空航天等领域上得到了飞速发 展。 ( 1 ) 汽车碰撞模拟人 汽车碰撞模拟人的研究使用。对该领域的发展起到了极大的促进作用为保 护人命安全做出了巨大贡献。 目前，国际上主要的模拟人( 汽车碰撞模拟人) 生产主要是美国的s i d i l 和 欧洲的e u r os i d 类型。现行的碰撞法规主要也是美国的f m v s s 和歇洲的e c e 两大体系。 圈2 i 汽车碰撞模拟人 f 嘻2 1 c a r c o l l i s i o n d u m m y 第2 章国内外模拟人制作技术及海上漂移模型研究概况 在正面碰撞试验中应用撮多的是h y b r i d 3 模拟人”】。模拟人的头部为铸铝材 料，皮肤为可拆卸的乙烯橡胶，颈部由分段橡胶以及中空铝架构组成，可正确模 拟头部的弯曲及延伸。胸腔由高强钢材以及聚合体减震材料组成，可真实反映人 体胸部的挠曲特性。颈部与胸部的角度可由一个支架进行调节，支架内装有六向 传感器肩胛骨与锁骨内部的传感器可测量安全带的压力。由橡胶制成的腰脊柱 可模仿人的坐姿，内部装有三向压力测试单元，骨盆由乙烯泡沫制成，球形连接 的关节可以模拟碰撞时所起到的减震作用。大腿骨、胫骨可以预测骨折的发生， 井可测量韧带所受的拉力。脚及脚踝可以测量关节的活动范围。在碰撞的一刹那， 模拟人头、胸、膝盖等重点部位受伤的数据，会通过内置于模拟人体内的传感器 被采集器采集。研究人员借助这些数据，就可分析出车祸中真人的受伤程度，并 参考相应指标，对汽车的安全性能进行评估。模拟人在研究和试验中更具优势， 可以在头部、胸部、腿部、颈部等处安装传感器，以利于数据的采集和分析。国 内目前的碰撞法规定，试验车辆前排座椅上安放两个混合三型男性模拟人。两个 模拟人是一样的，评价指标没有差别。除此外，在“模拟人家族”里，还有女性模 拟人和儿童模拟人。 图2 2 汽车碰撞模拟人结构图 f i g 2 2 t h e c o t t s t r u e t i o no f c a rc o l l i s i o nd u m m y 海上搜救模拟人及其漂移模型研究 汽车碰撞模拟人”犊型大部分是由金属与塑料制作的。其胸腔是铜制的，肩 胛骨是铝制的，骨盆是塑料的。模拟人的皮肤摸上去不仅要有弹性，还要跟真人 一样有一定的承受力。一个模拟人由近4 0 0 个部件、大约6 0 个传感器组成。碰撞 模拟人仪器包括三种装置：加速度计、负载传感器、运动传感器。 ( 2 ) 医学试验研究模拟人 医学模拟人研究现在主要有放射模拟人，护理医学模型，护理人心肿复苏模 拟人心肺复苏模拟人高级全功能组合式带创伤及配件高级组合式护理人等。 图2 3 心肺复苏模拟人 f i g 2 3h e a r tr e c o v e r j d u m m y ( 3 ) 航空航天模拟人 国际上在使用航天模拟人州的研究已经有了很大的发展。我国的航天模拟人 研究相对较晚，但是研究技术已经相当成熟。2 0 0 2 年4 月i 号，我国自行研制的 “神舟三号”飞船完全模拟载人状态进行飞行试验的也是我国首次向外界发碲飞 船搭载“模拟假人”。它包括人体代谢模拟装置，拟人生理信号设备和与航天员形 态、结构、质量、质心基本一致的“形体假人”。人体代谢模拟装簧用来模拟耗氧 速率、耗氧置和产热率，及时通过环境控制和生命保障系统把舱内的氧分压和温 度控制在医学要求的范围内。拟人生理信号设备将所录入韵心电、呼吸生理信号， 从太空回传到地面，以考核飞船医监设备的可靠性。 蒯- - i 第2 章国山外模拟人制作技术及海上漂移模型研究概况 图2 4 航天模拟人 f i g , 2 4 a v i a t i o n d u m m y ( 4 ) 发泄模拟人 发泄模拟人主要包括：发泄专用模拟人、发泄橡皮模拟人、训练用拳击假人、 搏击模拟人、仿真搏击模拟人、仿真搏击训练模型、搏击语言模拟人、情绪调整 专用模拟人、情绪调整专用搏击人、橡皮人等。 212 国内模拟人体的研究现状 我国的模拟人研究相对较晚，1 9 8 0 年林大全 7 l 教授在国内开创仿生材料和仿 真人体模型的研究。2 0 0 0 午成功研制出透明的、具有弹性的、模拟了2 0 种器 官的全身辐照人体模型高端产品。2 0 0 1 年，在国内首次研究成功出中国汽车安全 碰撞工艺试验模拟人。2 0 0 4 年，成功研制出我国首具航空弹射救生模拟人。2 0 0 5 年，成功研制出我国首具伞兵模拟模拟人、首具直升机抗坠毁模拟人、首具电动 汽车安仝实验模拟人。2 0 0 7 年9 月2 5 同，湖北襄樊某试验基地，我国首个自主 研制的标准动态模拟人顺利完成高速火箭滑车弹射试验，标志着我国的模拟人制 作水平已经宵很高的水平。 2 2 国内外海上漂移模型系统的研究现状 近年来国际上关于海上漂移模型的研究与应用都有了根大的发展，主要研究 有海上溢油漂移模型、失控船漂移模型、海冰漂移模型以及浮标漂移模型等。 国环上现行的漂移物运动数学模型主要是失控船漂移模型以及海上溢油漂移 海上搜救模拟人及其漂移模型研究 模型。主要研究方法是使用拉格朗日追踪法对漂移物运动轨迹进行数值模拟，使 用正则化方法，e k m a n 8 1 模型试验方法。波兰大学还进行了救生筏漂流试验。漂 移模型主要采用全动力轨迹模型：n a v y 模型，c o a s tg u a r d 模型。 海上漂移模型的研究引起了更多的社会关注，在应用方面也日趋成熟。比较 典型的模型有法国的m o t h y 9 1 模型、美国的c a t s ( c u r r e n ta n a l y s i sf o rt r a j e c t o r y d u m m y s ) 系统，t a p ( t r a j e c t o r ya n a l y s i sp l a n n e r ) 系统，美国a s a 公司开发的 s a r m a p 与o i l m a p 以及s a r m a p 系统。 考虑到海上搜救模拟人的漂移模型与海上溢油漂移模型、海冰漂移模型、失 控船漂移模型及海上浮标漂移模型存在一定的可类比性，将以上几类漂移模型从 统一的观点进行研究分析，从各个漂移模型和模型系统中取长补短，尤其是研究 与海上搜救模拟人的基本漂流浮态具有一定相似性的漂移模型，对建立海上搜救 模拟人漂移模型具有一定的指导意义。下面来简要介绍研究几种比较成熟的漂移 模型系统。 2 2 1m o t h y 系统 m o t h y 系统是有法国的由m e t e o f r a n c e 所开发，该模型包含了海洋的 水动力模型和实时的大气环流模型。m o t h y 借助从地中海海洋数据库( m 0 0 d ) 和m e r c a t o r 模型考虑了大范围的海流影响因素，因而较好的实现模拟数据和 实际观测数据的结合。 2 2 2s a r i s 模型系统 s a r i s 系统1 1 0 1 是由英国b m t 公司在1 9 9 8 年开发的一种搜救信息系统，最先 使用该系统的是英国海岸警卫队，后来美国空军、荷兰海岸警卫队、格恩西港口 以及格陵兰海军也陆续开始使用，到目前为止该系统已经发展到了二代。该系统 能够对海上船舶、漂移物体以及海上失踪人员的搜救区域进行比较准确的预测， 并对搜救力量进行有效的布置，从而对目标漂移区域进行系统的搜寻。 2 2 3s a r m a p 系统和o i l m a p 系统 s a r m a p 1 1 1 系统和o i l m a p 系统是由美国的a s a 公司开发的模型系统，该 系统分别对海上漂移物和溢油的漂移轨迹进行有效的预测。该系统的研发用于支 第2 章国内外模拟人制作技术及海上漂移模型研究概况 持海上搜救力量的动态配置，该系统其中包括所有可能的搜救力量的状态参数， 综合利用这些参数进行分析，可以比较有效的对搜救力量进行调配。 2 3 研究漂移模型的理论基础 2 3 1 影响搜救成功概率的因素 海上救助【1 2 1 的最终目的是对落水人员的成功救助，挽救落水人员的生命。每 个人对成功的理解和定义都不样，一般而言，成功就是在一定时间内、一定的 条件下，合理利用一定的资源，达成某种特定目标。要达成一个目标、完成一件 事情，就需要遵循些规律进行处理。一般情况下，简单地说，达成一个目标、 完成一件事情会受到策划、执行以及运气三方面因素影响，在理论计算时运气作 为成功系数来讨论。一般情况下，首先需要进行策划，其次需要对策划的事件进 行执行，同时在整个过程中还需要一点点运气，目标才可能达成。 以上三者关系可以用一个公式来表示： 达成目标的概率= 策划执行成功系数 在海上实施搜救过程中，策划就是我们制定搜救的策略与计划，一般而言就 是指划定搜救搜救区域，分配搜救力量；执行就是指在实际搜救过程中使用搜救 设备，对落水人员进行搜救；成功系数通俗来说就是指搜救成功的运气，因为搜 救过程有很多因素的影响，有人为因素，也有天气、海况以及黑天还是白天、能 见度等很多客观因素。 因此上面的公式【1 3 】可以改为： 搜救成功概率= 划定搜救区域x 实际搜救过程成功系数 即： p o s = p o c * p o d * m( 2 1 ) 式中，p o s 是搜救成功概率，p o c 是划定搜救区域，p o d 是实际搜救过程，m 为成功系数。 就以上几个影响搜救成功因素来说，除去外界因素，我们可以控制的只有准 确制定搜救计划和实际搜救过程。实际搜救过程的效率提高手段，除了要求加强 嘹望，增强搜救人员的责任心外，更多的是引进先进的搜救技术和搜救设备( 如 1 2 海上搜救模拟人及其漂移模型研究 借助无线电信标、红外飘带或者自动搜寻设备) ，一方面提高落水目标被动发现水 平，另一方面提高主动探测搜寻能力。成功的主要影响因素还是要靠制定合理的 搜救计划，即准确划定搜救区域。 而本文研究模拟人海上漂移模型的目的，正是通过对各种海上漂移物的漂移 模型综合研究，进行有效评估，研究适合海上落水人员的漂移模型，研究其漂移 轨迹，进而划定搜救区域，通过对搜救区域的进行最优化选取来提高p o c ，进而提 高搜救成功的概率p o s 。 2 3 2 漂移模型的基本原理 对于海上漂移物进行漂移预测来说，最基本的信息就是漂移现场的海流情况。 漂移物主要是随海流运动，同时也包含风和波浪所引起的拖曳及随机运动，后者 引起漂流速度分量要比海流速度小很多，本文结合实际情况，对其他漂移模型进 行研究，充分利用敏感性试验的漂移物轨迹进行合理校正，确定海上搜救模拟人 漂移模式的风导系数，建立漂移模型。 本文采用拉格朗日追踪法对漂移轨迹进行模拟。海面漂移的物体，在海流、 风等环境因子的作用下，海上漂移物会发生运动，位置会发生改变，假定漂移物 的初始位置是晶，经过一定的时间步长出后漂移到了新的位置s ，因此该运动轨 迹可以用下面公式进行表示： ，= f 。+ ，。旷，d ，+ 讹 ( 2 2 ) 其中旷是在t 时刻海上物体的即时漂移速度，它是空间与时间的函数，a a 是湍流 涡动造成的随机运动距离，漂移物体以即时速度经过出时间运动后，漂移到了s 的位置，该公式就是拉格朗日追踪法【1 4 】。 根据拉格朗同追踪法的公式，显然该公式的核心就是求解矿，而形是各个环 境动力因子作用过程中所产生的分速度的矢量总和，主要是由海洋表面流速和风 导漂流两个分速度构成，漂移物的运动轨迹可以被分解为一系列离散的匀速运动 的叠加。当位移到达s 后就用在该位置的速度计算到下一个步长时间的位移，依 第2 章国内外模拟人制作技术及海上漂移模型研究概况 次按时间变化类推。 在国外研究的一些系统中，均有对环境数据初始化的系统，在系统内引入网 络的概念，将海洋和大气划分为相对较小的二维或者三维单元，然后借助计算机 强大的处理能力，用离散的有限元对气象和水文进行现场数值模拟【l5 1 ，再现和预 测表面海流和海面风场，使环境参数具有动态的准确性。 由此，研究海上漂移模型可以将海面环境( 海面流速、海面流场) 进行数值 预测，将漂移速度与海面环境间的联系作为漂移模型的重点进行研究。 研究海上物体漂移状态与海面环境因素关系具体如图2 5 所示： 图2 5 海上物体漂移与海面环境的关系图 f i g 2 5r e l a t i o nb e t w e e nd r i f tm o d e lo fo b j e c ta n de n v i r o n m e n ta ts e a 建立海上搜救模拟人的漂移数学模型，首先要研究影响模拟人漂移状态及漂 移轨迹的因素。如图所示，对海面环境的影响因素进行分析，提取风、流等环境 因素，再利用公式进行处理后，根据拉格朗日追踪法进行研究分析，最后得出搜 救模拟人的飘移轨迹及进行目标位置区域预测。 1 4 海上搜救模拟人及其漂移模型研究 第3 章海上搜救模拟人制作的技术要素研究 研究海上搜救模拟人，进行海上漂流试验，收集人体漂流轨迹以及相关数据， 首先要研究的是模拟人体的人体参数以及基本性能指标，其中这也是成功研制海 上搜救模拟人的关键因素之一，其次要综合研究海上搜救模拟人体制作的结构技 术，最后对搜救模拟人进行功能设计，为制作搜救模拟人提供理论指导。 3 1 模拟人的人体参数 随着社会生产的发展和科学技术的进步，人们对于生产安全性越来越关注， 在生产安全方面投入了大量的人力、物力进行相关技术研究。为了更科学有效的 保护人命财产安全，科学界正在进行各种各样的科学实验，比如在汽车领域进行 汽车碰撞试验研究，为了飞行员在危机时刻进行逃生，进行飞机弹射座椅研列1 6 l 试验，还有空军跳伞试验，以及直升机着地试验研究等。在以上这些试验研究中， 由于需要得到比较准确或者接近的试验数据，就需要与人体相同或者相似的是物 体进行现场试验，以前科学界采用人的尸体或者动物进行试验，但是数据的随机 性比较强，误差比较大，很难真实反应人体的在危机时刻或者危险状态下，人体 可能受到的伤害，很难有比较客观且准确的数据做指导，使用真人试验，危险系 数太大，很难保证人体的生命安全，而且为了得到准确的数据，要进行反复的试 验，这也是真人不可能试验的任务。现代科学试验都使用研制的假人( 模拟人体) 进行试验。而研制模拟人首先要确定模拟人体的具体相关参数，比如身高、体重、 几何尺寸以及具体惯性参数等，以上是确定模拟人体的技术参数的重要依据。 根据医学解剖学得到的人体生物参数，以及人机工程掣1 7 1 的相关研究，参照 我国人口普查得到的我国标准人体的基本参数，利用以往的经验公式，可以计算 出一些人体的生物力学参数，从而获得研究模拟人体所需要的人体各部分参数的 近似值，包括质心位置、转动惯量以及几何尺寸等主要的参数。 3 1 1 模拟人体样本 海上搜救模拟人作为海上漂流试验中人的替身，需要测试的是一批人员落水 后海上漂移的情况，而不是某一个人的漂流情况。所以，假人的尺寸也必须以群 体的尺寸特征来表示，某一个体的人体测量数据对产品的设计来说毫无意义。通 第3 章海上搜救模拟人制作的技术要素研究 过测量目标群体中一定数量个体样本的数据，然后在此基础上进行统计处理而获 得的数据才是项目设计所需要的群体人体测量数据。 由于从事海上生产生活的大都是男性，比如从事远洋运输、渔民、海上石油 开采以及海军等主要以男性为主，而且在本文研究的初始阶段，不可能对所有类 型的人体进行研究，只能采取适合我国大多数人体的参数进行近似的研究，因此 本文的主要研究对象是我国成年男子，所采用的人体参数使用我国最新人口普查 的数据，按照我国成年男性的平均体重、身高等参数作为本文的研究对象。 人体测量的数据通常以百分位来表示人体尺寸等级，百分位数是一种位置 指标，是一个临界表示方法。一个临界值表示一个等级，就是表示一个度数，以 符号p i 来表示，比较常用的i 是5 、5 0 、9 5 。p 5 是指只有5 的人体参数小于这个 数字，是代表比较矮小的- 3 , 部分人，p 5 0 是中间数字，代表中等身材，就是大于 或者小于这种身材尺寸的都是5 0 ，其实这个数字一般来说也是我国人口的平均 身高、体重等，p 9 5 是这个指数尺寸大于9 5 的人，只有5 的很小一部分人大于 这个数据，是比较高大的一部分人。所以根据本文研究的要求，研究对象采用5 0 百分位的人体参数作为本文的研究对象。 3 1 2 模拟人体样本参数 人体测量参数可以分为四类： ( 1 ) 静止形态参数 主要有人体在不同姿势( 立姿、坐姿、跪姿和卧姿) 下的结构尺寸、体型和体 积参数。其中结构尺寸包括身高、体重、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长等长 度尺寸和胸宽、胸厚、腰围、臀围等水平尺寸。 ( 2 ) 活动范围参数 也就是人在活动状态下，肢体的动作范围。包括肢体的活动角度范围和肢体 所能达到的距离范围，也称人体功能尺寸。 ( 3 ) 生理学参数 包括人体表面积、各部分体积、耗氧量、心率、疲劳、触觉反应等生理指标； ( 4 ) 生物力学参数 包括人体各部分质量与质心位置、人体各部分转动贯量等力学指标。总体高 1 6 海上搜救模拟人及其漂移模型研究 度，部分长度，体积、质量、密度分布、质心、与我国标准人体基本一致。参考 我国标准假人5 0 解剖参数，以及生物人体力学参数。 根据我国2 0 0 1 年第五次全国人口普查，我国成年男子平均身高是1 6 9 7 米。 男性体重为6 2 5 k g 。 1 人体样本 目前国内临床针对国人广泛采用的是1 9 3 7 年许文生发表在中国生理学杂 志上的s t e v e n s o n 公式【2 0 】，历经7 0 多年，国人身体状况出现了一些变化，因此 有研究人员对此作出了修正。 根据男女各5 0 0 例所得到的男女体表面积计算公式分别为：s 男= 0 0 0 5 7 x 身高 + 0 0 1 2 1 体重+ 0 0 8 8 2 ；s 女= 0 0 0 7 3 身高+ 0 0 1 2 7 体重0 2 1 0 6 。 若不区别男和女，为中国人适用的通式为：s = 0 0 0 6 1 身高+ 0 0 1 2 4 体重 0 0 0 9 9 。 人体总体质心位置计算公式： y = 一3 2 2 9 7 5 0 4 4 4 3 x t + 0 4 7 8 0 x 2 ( 3 1 ) 其中，y 是质心位置，x l 是人体体重，x 2 是人体身高。 人体体积计算公式： v = 1 0 15 w 4 0 9 3 7( 3 2 ) 式中，v 是人体体积，w 是人体体重。 人体表面积计算公式【2 l 】： b ：0 0 2 35 h oj 4 2 2 4 6 w o 5 1 4 5 6 ( 3 3 ) 式中，b 是人体表面积，h 是人体标准身高，w 是人体标准体重 计算结果如下： 表3 1 模拟人体总体参数 t a b 3 1t h ep a r a m e t e ro fo v e r a l ld u m m y 身高c m 体重蝇 质心位置c m体积d m 3表面积m 2 i1 6 9 7 6 2 57 5 1 7 8 5 4 6 0 0 5 75 8 6 2 41 6 0 2 5 6 3 1 7 第3 章海上搜救模拟人制作