свобода действий

Подветренная составляющая движения плавучего объекта под действием ветра

Подветренность — это величина сноса объекта, плавающего в воде, с подветренной стороны от объекта, плавающего в воде, вызванного компонентом вектора ветра, который перпендикулярен движению объекта вперед. ^[1] Национальное приложение по поиску и спасанию к Международному руководству по авиационному и морскому поиску и спасанию определяет свободу действий как «движение объекта поиска через воду, вызванное ветром, дующим на открытые поверхности». ^[2] Однако результирующее общее движение объекта состоит из дрейфа и движения верхнего слоя океана, вызванного поверхностными, приливными и океанскими течениями . ^[3] Объекты, подвергающиеся большему воздействию каждого элемента, будут испытывать больший дрейф и общее движение в воде, чем объекты с меньшим воздействием.

Штурман или пилот на судне должен скорректировать заданный курс, чтобы компенсировать дрейф с подветренной стороны и, что более важно, набор и снос - общий термин для дрейфа, который включает в себя ошибку рулевого управления судном. ^[1] Невыполнение этих регулировок во время рейса приведет к плохим навигационным результатам. ^[3] «Американский практический навигатор» Боудича (1995) предлагает подробное бесплатное руководство по принципам навигации.

Объект можно классифицировать либо как активный объект, например корабль, идущий по водному пути, либо как пассивный объект, например спасательный плот, дрейфующие обломки или человека в воде (PIW) (рис. 3). Пассивный объект будет испытывать наибольший дрейф, и именно этот дрейф имеет первостепенное значение для тех, кто занимается поиском и спасением (SAR) на внутренних водных путях и в открытом океане.

Ливэй в поисках и спасении

• 
  Рисунок 1. Взаимосвязь между относительным направлением ветра (RWD) и углом подветренности. ^[4]
• 
  Рисунок 2. Взаимосвязь между скоростью и углом подворота, а также составляющими подветренной и боковой ветренной скорости. ^[4]
• 
  Рисунок 3. V-образный корпус длиной 5,5 метра, открытая лодка, спасательный плот Tulmar на 4 человека, спасательный плот Beaufort на 20 человек и причальный бокс объемом 1 кубический метр. ^[3]

Определение параметров свободы действий

• Угол подветренной дороги ( ) ${\displaystyle L_{\alpha }}$ : Направление сноса с подветренной стороны за вычетом направления, в котором дует ветер, при этом отклонение вправо от подветренной стороны является положительным, а влево - отрицательным. Угол отклонения в ноль градусов указывает на то, что судно дрейфует прямо по ветру. См. рисунок 1 и рисунок 2. ^[4]
• Вектор скорости отвода (|L| см/с) : Величина скорости отвода. Скорость подвала всегда положительна. Скорость и угол отвода — это полярные координаты вектора скорости отвода. ^[4]
• Компоненты подветренной скорости (DWL) и бокового ветра (CWL) : компоненты вектора скорости подветренной дороги, выраженные в прямоугольных координатах относительно вектора скорости ветра. Составляющая бокового ветра – это отклонение объекта SAR от направления с подветренной стороны. Положительные компоненты бокового ветра — это дивергенция справа от ветра, а отрицательные компоненты бокового ветра — это дивергенция слева от ветра. ^[4]
• Скорость отклонения : скорость отклонения, деленная на скорость ветра, скорректированную до контрольного уровня 10 метров. ^[4]
• Относительное направление ветра : направление, откуда дует ветер, измеряется в градусах относительно выбранной оси и контрольной точки объекта SAR. ^[4]
• Угол расхождения : Репрезентативный диапазон углов отклонения для категории объектов, находящихся в движении. Его можно рассчитать, получив чистый угол дрейфа с течением времени для траектории дрейфа конкретного объекта с дрейфом, а затем снова усреднив для серии траекторий дрейфа нескольких объектов с дрейфом в категории дрейфа, чтобы определить средний угол дрейфа и стандарт отклонение угла отклонения для категории. Угол расхождения затем рассчитывается как удвоенное стандартное отклонение угла отклонения, или среднее значение плюс одно стандартное отклонение угла отклонения, или среднее значение плюс два стандартных отклонения угла отклонения, в зависимости от конкретного исследования. ^[3]

Дивергенция свободного хода

Наиболее важными элементами поиска и спасения являются точная оценка последнего известного положения объекта поиска и точное предсказание его будущего положения с учетом ретроспективных, текущих и прогнозируемых условий окружающей среды. Поскольку объект поиска расположен внутри двух динамических пограничных слоев с высоким вертикальным сдвигом в профилях скорости ветра и течения, Фитцджеральд и др. (1993) предложили рабочее определение свободы действий, которое помогло стандартизировать контрольные уровни в атмосфере и океане:

Подворот — это вектор скорости объекта SAR относительно направления с подветренной стороны искомого объекта, когда он движется относительно поверхностного течения, измеренного на глубине от 0,3 м до 1,0 м, вызванного ветром (с поправкой на исходную высоту 10 м) и волнами. " ^[5]

Это определение имеет ограничения, поскольку оно не учитывает асимметрию нестандартных объектов поиска. Например, суда с глубокой осадкой и/или затопленные суда превышают контрольную глубину в 1,0 м и в большей степени подвержены влиянию течений, в то время как морские каяки и/или доски для серфинга имеют очень маленький надводный борт и в большей степени подвержены влиянию ветровых течений. ^[4]

Баланс сил

Ветер, течение и волны составляют баланс сил для любого дрейфующего объекта. Достаточное количество информации об этих силах, а также о форме дрейфующего объекта должно привести к правильному результирующему дрейфу объекта. Ричардсон (1997), Брейвик и Аллен (2008) ^[6] отметили, что на частях объекта, подвергающихся воздействию воздуха и течения, существуют аэродинамические и гидродинамические компоненты подъемной силы и сопротивления ветра и течения. ^{[6] [7]} На рисунках 1 и 2 показаны различные компоненты свободы действий. Более крупной составляющей сноса по ветру является составляющая с подветренной стороны, которая сравнима с гидродинамическим и аэродинамическим сопротивлением. Крайне важно учитывать компонент сноса, который перпендикулярен компоненту с подветренной стороны, называемый компонентом бокового ветра сноса с подветренной стороны, который сравним с гидродинамической и аэродинамической подъемной силой. ^[6] Боковой компонент ветра заставляет дрейфующий объект отклоняться от прямого направления по ветру. Свободное расхождение зависит от объекта поиска, а также от окружающей среды. Более того, первоначальная ориентация объекта относительно ветра изменит траекторию объекта. Неизвестно, будет ли объект поиска отклоняться вправо или влево от направления по ветру, поэтому диапазон значений подветренного отклонения важен при определении фактической траектории. ^[3]

Методы измерения свободы действий

Существует два метода измерения свободы дрейфа объектов поиска: косвенный и прямой. Во всех исследованиях, проведенных до 1993 г., за исключением двух, использовался непрямой метод (Breivik et al., 2011). ^[8]

Косвенный метод

Косвенный метод оценивает дрейф путем вычитания вектора морского течения из общего вектора смещения для оценки вектора дрейфа. Этот метод был пронизан ошибками сбора данных: от ошибок проскальзывания дрейфующих буев до навигационных ошибок при определении положения буев. В большинстве случаев дрифтеры, которые использовались для измерения тока, находились не в том же положении, что и дрейфующий объект. Кроме того, ветер определялся по показаниям анемометров, которые имели тенденцию завышать скорость ветра на 10-метровой отметке. Совокупность ошибок сделала этот метод менее точным, чем прямой метод. ^[4] Аллен и Плурд (1999) перечислили семнадцать исследований, в которых использовался косвенный метод получения свободы действий.

Прямой метод

Прямой метод измеряет относительное движение цели в воде путем прикрепления амперметра непосредственно к дрейфующей цели. Первое исследование свободы действий, в котором использовался прямой метод, было проведено Судзуки и Сато (1977). Они позволили бамбуковому шесту длиной 3,9 м оторваться от корабля на заданную длину, измерили направление дрейфа и время, необходимое для того, чтобы веревка окупилась, и провели регрессию этих переменных в зависимости от скорости ветра корабля. ^[4] Фицджеральд и др. (1993) первыми применили прямой метод с использованием автономных оборудованных дрейфовых мишеней у берегов Ньюфаундленда, что позволило устранить многие ошибки, связанные с непрямым методом, и обеспечить непрерывную запись дрейфа объекта поиска в различных океанических условиях. ^[5] Во многих исследованиях, перечисленных в Allen and Plourde (1999), использовались измерители электромагнитного тока S4 производства InterOceans System, Inc. Другие измерители тока включают в себя измеритель тока Aanderaa (DCS 3500), который использовал доплеровские методы для дистанционного измерения токов и Измеритель акустического тока Argtonaut XR компании Sontek Corporation. Аллен и Плурд (1999) перечислили восемь исследований по использованию прямых методов, проведенных с 1977 по 1999 год.

Всего в ходе двадцати пяти различных полевых исследований было изучено девяносто пять типов дрейфовых целей, включая сорок типов спасательных плотов, четырнадцать малых судов и десять рыболовных судов. Другие цели включают в себя PIW, доски для серфинга, парусные лодки, спасательные капсулы, самодельные плоты, обломки лодок рыболовных судов и медицинские/канализационные отходы. ^[4] На рисунке 3 изображены четыре различных объекта поиска. Полный список объектов свободы действий можно найти у Аллена и Плурда (1999) и Аллена (2005).

Моделирование дивергенции свободы действий

Моделирование дивергенции свободы действий является сложной проблемой, но ею очень интересуются поисково-спасательные агентства. В моделях первого и второго поколения использовались аналитические методы для моделирования дивергенции свободы действий. Они смоделировали дивергенцию свободы действий только с точки зрения угла отклонения из-за их неспособности разрешать сложные физические процессы. Статистические модели, однако, способны учитывать свободу действий с точки зрения компонентов бокового и попутного ветра. Поэтому, чтобы добиться более полного решения проблемы дрейфа в статистических моделях, важно отдельно найти диапазон составляющих дрейфа по ветру и боковому ветру в зависимости от скорости ветра. ^[3] В исследовании, проведенном Алленом (2005 г.), использовался ограниченный и неограниченный линейный регрессионный анализ для определения коэффициента попутного и бокового ветра на основе скорости отклонения и углов расхождения, полученных в Аллене и Плурде (1999 г.) для всех соответствующих поисковых и спасательных объектов с запасом хода. Его методологию, а также подробный список коэффициентов для каждого объекта свободы можно найти у Аллена (2005). ^[3] Его результаты были включены в последнее поколение ансамблевых поисково-спасательных моделей, используемых Береговой охраной США и Норвежским объединенным спасательно-координационным центром (JRCC).

Система оптимального планирования поисково-спасательных работ (SAROPS) и норвежская модель SAR рассчитывают чистую траекторию поисковых объектов и определяют область плотности вероятности на основе методов Монте-Карло . ^[6] Успех модели стохастической траектории зависит от качества и разрешения воздействия окружающей среды, а также точных расчетов отклонения дрейфующего объекта.

Рекомендации

1. Боудич. (1995). Американский практический навигатор. Паб. № 9. Издание 1995 г. Гидрографический/топографический центр Оборонного картографического агентства. Бетесда, доктор медицины. стр.116.
2. Национальный поисково-спасательный комитет (2000). «Национальное поисково-спасательное дополнение США к Международному руководству по авиационному и морскому поиску и спасанию», Вашингтон, округ Колумбия.
3. Аллен, (2005). Дивергенция свободного хода. Правительственный доклад подготовлен для Министерства внутренней безопасности США. Январь 2005 г. CG-D-05-05. Получено с http://oai.dtic.mil/oai/oai?verb=getRecord&metadataPrefix=html&identifier=ADA435435. Архивировано 20 мая 2011 г. на Wayback Machine .
4. Аллен и Плурд (1999). «Обзор Leeway: полевые эксперименты и реализация». Отчет по контракту подготовлен для Министерства транспорта США и Береговой охраны США. Апрель 1999 г. CG-D-08-99. Получено с http://oai.dtic.mil/oai/oai?&verb=getRecord&metadataPrefix=html&identifier=ADA366414. Архивировано 20 мая 2011 г. в Wayback Machine .
5. Фицджеральд и др. (1993). «Дрейф обычных поисково-спасательных объектов – II этап». Отчет по контракту подготовлен для Центра развития транспорта, Transport Canada, Монреаль, TP# 11673E.
6. Брейвик и Аллен (2008). «Модель оперативного поиска и спасения в Норвежском и Северном морях». J Marine Syst, 69(1-2), 99-113, номер документа :10.1016/j.jmarsys.2007.02.010, arXiv :1111.1102v1
7. Ричардсон, (1997). «Дрейф на ветру: ошибка в данных о дрейфе корабля». Глубоководные исследования, часть I, 44 (11), 1877–1903.
8. Брейвик, О., Аллен, К. Мезондье и Дж. К. Рот, 2011: «Вызванный ветром дрейф объектов в море: метод поля свободы действий», Appl Ocean Res, 33, стр. 100-109, doi : 10.1016/j.apor .2011.01.005, arXiv :1111.0750v1