船舶落水人员救援中威廉姆森回转操纵的优化实验研究

本研究针对国际海事搜救指南(IAMSAR)中威廉姆森回转(Williamson turn)标准切换角ψ1/ψ2无法保证船舶精准返回原航迹的问题，通过数值模型与数据驱动模型优化切换角，并在1:24比例模型实验中验证。结果显示优化后横向误差和航向误差符合DNV GL标准，为缩短新船调试周期及提升落水人员救援效率提供关键技术支撑。

　　

在波涛汹涌的海面上，落水人员救援是关乎生命安全的重大挑战。国际海事组织(IMO)强制要求所有船舶配备特定救援程序，其中威廉姆森回转因其能沿原航迹返回的特性，成为无法确定落水时间时的首选方案。然而现实情况令人担忧——国际航空和海事搜救手册(IAMSAR)规定的标准切换角ψ₁=-60°、ψ₂=160°在实际操作中频频失效，部分船舶甚至偏离原航迹达一个船长距离。这种误差在寒冷水域可能导致黄金救援时间的丧失，正如Kulbiej和Rosik研究所强调的低温生存时间窗口问题。

针对这一技术瓶颈，中国船舶科学研究中心的研究团队在《Applied Ocean Research》发表创新研究。他们通过数值模拟与数据驱动模型双管齐下，首次建立威廉姆森回转的动态优化体系。研究发现标准切换角失效的根本原因在于船舶类型差异——如Su等报道的油轮适用标准参数，而An等研究的化学品船则出现显著偏差。研究团队创新性地提出"两步走"方案：先通过数值模型预测初始切换角，再基于实验数据迭代优化，最终在MARIN试验水池的1:24模型实验中实现横向误差<50m（DNV GL标准）的重大突破。

关键技术方法包括：1）基于ENU坐标系的船舶运动建模；2）结合转向圆试验和Z形试验的数据驱动模型参数识别；3）采用割线法迭代优化ψ₁；4）建立航向误差ψ?与ψ₂的直接修正关系；5）多目标优化算法最小化航迹偏差。实验样本为配备全尺度舵机的缩比船模，在可控水池环境中模拟不同海况。

研究结果部分：
2.3.1 航向误差修正机制
通过200组模拟数据发现ψ?仅与ψ₂呈线性关系（R²=0.98），据此建立ψ₂ⁱ⁺¹=ψ₂ⁱ-ψ?ⁱ的即时修正公式。该发现将复杂的航向校准简化为单参数调整，大幅提升优化效率。

2.3.2 ψ₁的割线法优化
横向误差y?与ψ₁呈现单调递增关系，团队创新应用割线法进行全局搜索。在14.4节速度工况下，仅需3次迭代即将误差从初始23m降至1.2m，计算效率较传统方法提升70%。

2.4 数据驱动模型表现
对比两种预测方法发现：数值模型在切换角预测上误差仅2.3°，但数据驱动模型对航速U和航向χ的预测精度更高（MAE降低41%）。这为不同数据条件下的应用提供灵活选择。

结论与讨论：
本研究突破性地建立威廉姆森回转的参数优化体系，其核心价值体现在：1）首次量化切换角ψ₁/ψ₂对航迹误差的差异化影响；2）开发出可在1-2次实验迭代内达到DNV GL标准的快速优化流程；3）提出的" straightened error"概念为船舶操纵性研究提供新思路。正如讨论部分指出，该方法已成功应用于某型科考船的驾驶室操纵图表，使救援时间缩短22%。未来研究可结合Baldauf提出的实时环境反馈系统，进一步发展自适应切换角算法，为智能船舶时代的应急救援提供关键技术支撑。

该研究的工程价值尤为突出——传统方法需要5-7次全尺度试验才能确定的参数，现在通过1次模型试验加计算优化即可完成，单船调试成本可降低约200万元。正如作者强调，这项技术不仅适用于新建船舶，也可通过后期加装导航系统更新的方式提升现有船队的安全性能，对落实SOLAS公约具有重要实践意义。