MOTORBOAT
TRAPS — новый алгоритм поиска утопающего на основе математической модели - фото TRAPS — новый алгоритм поиска утопающего на основе математической модели - фото

TRAPS — новый алгоритм поиска утопающего на основе математической модели

# Технологии

Обнаружение оказавшихся в океане людей и объектов всегда было важной задачей различных служб. Решая ее, ученые нескольких стран разработали новый эффективный алгоритм такого поиска.

По статистике в любой момент времени в Мировом океане перевозят не менее 6 млн контейнеров, и 10 тысяч из них ежегодно оказываются за бортом. Обнаружить пропажу — значит снизить потери. Еще более важная задача — найти и спасти оказавшегося за бортом человека, если сразу сделать это не удалось. Группа ученых из Массачусетского технологического института (MIT), Швейцарской высшей технической школы (ETH), Океанографического института Вудс-Хоул (WHOI) и Политехнического института Виргинии (Virginia Tech) разработала метод, который должен помочь спасателям быстро сосредоточить силы в нужных участках океана.

Проблема эффективности

В 2016 году, в период обострения ситуации с беженцами в Европу, миграционное агентство ООН зафиксировало более 5000 погибших среди тех, кто пытался пересечь Средиземное море. Это стало поводом задуматься, как повысить эффективность поисково-спасательных операций на море, точнее, как оптимизировать зоны поиска. Океан — обширное турбулентное пространство, где ветер в сочетании с другими факторами поднимает волны и гонит их в разных направлениях. Когда человек или объект попадает в воду, сложные, постоянно меняющиеся атмосферные и гидрологические условия сбивают с толку спасателей, заставляя их терять время — критически важный фактор в подобных ситуациях.

Прежние модели поиска на основе расчета дрейфа комбинировали данные динамических моделей океана, прогноза погоды и сигналов буев-передатчиков, сброшенных в воду вблизи точки, где человека или объект видели в последний раз. Это позволяло составить план поисков, однако даже с появлением высокоточных моделей океана и повышением достоверности прогнозов результативность поисково-спасательных операций считалась недостаточной.

Существующие модели динамики океана и расчета дрейфа основаны на методе Лагранжа, когда частицы жидкости рассматриваются как материальные точки, а исследованию подлежит изменение во времени различных векторных и скалярных величин, связанных с конкретной частицей, при переходе от одной частицы к другой. Такой подход не учитывает постоянное изменение поверхностных течений. Дрейфующий человек или объект с большой вероятностью пробудет в этом нестабильном потоке немало времени, что приведет к погрешности в расчетах.

Скрытые «ловушки». Теория…

Разрабатывая новый алгоритм, ученые использовали метод Эйлера, согласно которому «объектом изучения является не сама жидкость, а пространство, заполненное движущейся жидкостью, и при этом изучаются изменения различных элементов движения с течением времени в каждой фиксированной точке пространства и изменения этих элементов движения при переходе от одной точки пространства к другой». Алгоритм учитывает скорость и направление течений, поверхностных ветров и волн в данный момент времени в различных точках пространства (в данном случае — недалеко от места предполагаемого падения объекта в воду). Совокупность местных скоростей формирует их векторное поле, которое может меняться по времени и координатам, что позволяет рассчитывать самые «притягательные» для плавучих объектов участки в конкретный момент. Местоположение «ловушек» обновляется, как только становится доступной следующая порция информации о скоростях.

Схема поисково-спасательной операции с применением «ловушек». «Ловушки» (красные линии) выходят из притягивающего ядра (красной точки), в котором их «нормальное» притяжение (черные прямые стрелки) максимально. На вставке справа — лодка с мигрантами, опрокинувшаяся 12.01.2015 г. в Средиземном море, а также схематическая «ловушка» и люди в воде - фото
Схема поисково-спасательной операции с применением «ловушек». «Ловушки» (красные линии) выходят из притягивающего ядра (красной точки), в котором их «нормальное» притяжение (черные прямые стрелки) максимально. На вставке справа — лодка с мигрантами, опрокинувшаяся 12.01.2015 г. в Средиземном море, а также схематическая «ловушка» и люди в воде
Эксперимент: «ловушки» (красные линии) и положение дрейфующих объектов (манекенов, дрифтеров) в определенном районе и в конкретный момент - фото
Эксперимент: «ловушки» (красные линии) и положение дрейфующих объектов (манекенов, дрифтеров) в определенном районе и в конкретный момент
Компьютерное изображение турбулентных течений в Атлантическом океане, у берегов острова Martha’s Vineyard, где проводились натурные эксперименты - фото
Компьютерное изображение турбулентных течений в Атлантическом океане, у берегов острова Martha’s Vineyard, где проводились натурные эксперименты

«Этот метод использует данные так, как они не применялись ранее, потому он и открывает новые перспективы», — говорит один из создателей алгоритма Томас Пикок, профессор MIT.

Алгоритм назвали TRAPS (англ. — «ловушки», аббревиатура от TRansient Attracting ProfileS). Метод может применяться как во время поисково-спасательных операций, так и для локализации разливов нефти, позволяя если не предотвратить экологическую катастрофу, то уменьшить ее масштаб.

…И практика

«Мы немного скептически относились к тому, что подобная математическая теория сработает на судне в режиме реального времени, — говорит Георг Халлер (ETH), один из разработчиков. — И все были приятно удивлены стабильностью прогнозов».

«Ключевой момент в том, что „ловушки“ могут вообще не иметь признака в поле океанического течения, — добавляет Томас Пикок. — Сделав расчет, вы обнаруживаете их совершенно в других местах относительно зон, где видите течение и предполагаете, что нужно двигаться вслед за ним. Требовался другой уровень обработки данных, чтобы „вытащить“ эти структуры: они не сразу видны».

В натурных экспериментах применялись и дрифтеры — такие индикаторы дрейфа - фото
В натурных экспериментах применялись и дрифтеры — такие индикаторы дрейфа
TRAPS — новый алгоритм поиска утопающего на основе математической модели - фото 2
TRAPS — новый алгоритм поиска утопающего на основе математической модели - фото 3
TRAPS — новый алгоритм поиска утопающего на основе математической модели - фото 4
Чтобы определить возможные маршруты движения потерянных в океане объектов, ученые красят воду - фото
Чтобы определить возможные маршруты движения потерянных в океане объектов, ученые красят воду
Запуск дрона для наблюдения за дрейфующими объектами - фото
Запуск дрона для наблюдения за дрейфующими объектами
Команда испытателей тестирует разработанный алгоритм с использованием плавучего манекена, снабженного GPS-передатчиком - фото
Команда испытателей тестирует разработанный алгоритм с использованием плавучего манекена, снабженного GPS-передатчиком
TRAPS — новый алгоритм поиска утопающего на основе математической модели - фото 8
Рабочий момент — подготовка к спуску на воду одного из аппаратов, задействованных в эксперименте по определению текущего положения океанских «ловушек» - фото
Рабочий момент — подготовка к спуску на воду одного из аппаратов, задействованных в эксперименте по определению текущего положения океанских «ловушек»

Точность расчетов ученые проверяли в ходе экспериментов, для чего в 2017 и 2018 годах выходили на небольшом исследовательском судне в Атлантический океан в районе Род-Айленда, где сбрасывали за борт плавучие объекты — буйки и манекены. Объектам позволяли свободно дрейфовать в течение нескольких часов, записывая их положение в реальном времени с помощью GPS-трекеров, а в конце дня извлекали из воды в предсказанных местах: все они стабильно туда «мигрировали».

«Различные объекты, как правило, и движутся в океане по-разному, поскольку ветер и течение оказывают на них неодинаковое воздействие, — говорит Пикок. — Но даже при этом „ловушки“ настолько сильно притягивают объекты, что преодолевают эти различия».

Исследователи планируют поделиться методом TRAPS со службами быстрого реагирования, в частности с Береговой охраной США, чтобы ускорить процесс поиска. Это особенно важно, поскольку залог успеха любой спасательной операции — выигранное время, и как следствие — человеческие жизни.

Похожие статьи