Математика облегчит спасательные операции на море

Сотни людей гибнут в море каждый год из-за аварий на морских судах и самолетах. У спасательных бригад обычно слишком мало времени, чтобы спасти тех, кто находится в воде, потому что вероятность найти человека живым снижается через шесть часов после аварии. Помимо приливов и сложных погодных условий, неустойчивые прибрежные течения часто затрудняют поисково-спасательные операции.

Новое понимание прибрежных течений, полученное международной исследовательской группой во главе с Джорджем Халлером, профессором нелинейной динамики в Швейцарской высшей технической школы в Цюрихе (ETH), обещает сделать поисково-спасательные методы, используемые в настоящее время, более точными. Применяя инструменты из теории динамических систем и используя данные о мировом океане, команда ученых разработала алгоритм для прогнозирования перемещения объектов и людей, находящихся в воде.

Схема спасательной операции на основе TRAP. TRAP (красные кривые) расходятся из одной точки (красная точка на схеме). Максимальное количество людей находится возле TRAP. Изображение: Mattia Serra, Pratik Sathe, Irina Rypina, George Haller et al./ Nature Communications, 2020

«У нашей разработки есть явный потенциал для спасения жизней», — говорит Маттиа Серра, первый автор исследования, недавно опубликованного в Nature Communications.

В современных спасательных операциях на море сложные модели динамики океана и прогноза погоды используются для прогнозирования пути дрейфующих объектов. Однако для быстро меняющихся прибрежных вод такие прогнозы часто бывают неточными из-за неопределенных параметров и отсутствующих данных. В результате поиск может быть запущен не в том месте, что приводит к потере драгоценного времени.

Исследовательская группа Халлера математическими методами получила результаты, предсказывающие, что объекты, плавающие на поверхности океана, должны собираться вдоль нескольких кривых, которые они называют TRansient Attracting Profiles (TRAPs). Эти кривые невидимы невооруженным глазом, но могут отслеживаться по мгновенным данным о поверхности океана при помощи математических методов, разработанных командой ETH. Это позволяет быстро и точно планировать маршруты поиска.

В сотрудничестве с командой Департамента машиностроения Массачусетского технологического института, группой исследователей из Океанографического института Вудс-Хоул и береговой охраной США, команда ETH провела испытания своего нового алгоритма поиска на основе TRAP. Было проведено два независимых эксперимента в океане возле Мартас-Винъярд (северо-восточное побережье США). Работая с теми же данными, которые доступны береговой охране, в режиме реального времени, команда ученых успешно выявила TRAP в заданном регионе. Исследователи обнаружили, что брошенные в воду буи и манекены действительно быстро собрались вдоль этих кривых. Последовательно было проведено несколько экспериментов с одним и тем же результатом.

Полевые эксперименты. а) Район для проведения полевых экспериментов расположен к югу от острова Мартас-Винъярд, где дистанционно с помощью высокочастотных радиолокационных измерений (HFR) измерена субмезомасштабная скорость поверхности океана (заштрихованный черный многоугольник). Черный прямоугольник — область проведения первого полевого эксперимента. b) Судно Tioga WHOI и манекены с буями, GPS-положение которых отслеживалось в рамках эксперимента. c) Буи и манекены в воде во время второго эксперимента.Изображение: Mattia Serra, Pratik Sathe, Irina Rypina, George Haller et al./ Nature Communications, 2020

«Наш метод помогает быстро достичь результатов, он простой и дешевый в реализации», — отмечает Серра. Он добавляет, что разработанный его командой алгоритм также может предсказать эволюцию разливов нефти. 

В планах у исследовательской группы — тестирование нового алгоритма прогнозирования и в других регионах. Ученые надеются, что разработанный ими метод со временем станет применяться для поисково-спасательных операций береговой охраны повсеместно.