船舶耐波性衡准及其评价方法浅析

2007-09-20熊文海毛筱菲李毓江

船海工程 2007年4期

熊文海，毛筱菲，李毓江

（1.青岛远洋船员学院，山东青岛266071；2.武汉理工大学交通学院，武汉430063；3.长江海事局船员考试中心，武汉430016）

船舶耐波性衡准及其评价方法是船舶设计和航海人员及海事管理部门都十分重视的研究课题。寻找使用方便且行之有效的船舶耐波性评价方法与衡准也一直是船舶耐波性研究人员所追求的目的之一。但由于船舶耐波性问题的复杂性，迄今尚无统一的耐波性衡准指标，船舶耐波性评价方法也多种多样。因此，深入了解以往研究所用的各种评估方法及其研究成果，对于进一步完善船舶耐波性及其评价方法的研究，找到更加方便、合理、准确的评价方法，减少船舶在风浪中发生危险的可能性，无疑具有重大的意义。

1 评价内容

船舶耐波性衡准是指在船舶受到波浪扰动而产生运动的影响下，人员、船体或船舶上的系统（设备）能否进行作业、完成任务的极限指标［1］。船舶耐波性是由许多基本的耐波性因素所决定，通常包括六自由度的运动、线（角）速度及线（角）加速度，以及诸如甲板上浪、螺旋桨出水、船首砰击等耐波性事件和晕船率等。由于船舶耐波性衡准同船舶的任务、人员的素质及系统（设备）的功能有着直接联系，不同的任务要求不同的系统（设备）正常有效地工作。因此，很难对每一耐波性因素做出一个绝对统一的衡准，一般情况下船舶耐波性衡准的设置主要考虑船舶安全性、作战或作业使用性、适居性三个方面的因素。在考虑了以上三方面因素的情况下，不同的组织、不同的学者对耐波性衡准有不同的建议。

1）中国船舶科学研究中心提出的耐波性衡准见表1［2］。

表1 中国船舶科学研究中心耐波性衡准

2）北欧合作研究计划对船舶耐波性进行了综合考察，提出了预报船舶作业特性的基本耐波性衡准，见表2。

表2 北欧合作研究计划耐波性衡准

3）对于商船的耐波性衡准，Karppinen作了比较全面深入的研究，提出了一般作业的耐波性衡准，见表3。

表3 商船一般作业的耐波性衡准

2 评价方法

船舶耐波性的优劣直接关系到船舶的适居性、航行使用性和安全性，已成为衡量现代化船舶航行性能的重要标准之一［3］。目前国际上常用的船舶耐波性评价方法有五种。

1）以作业时间百分数作为耐波性评价指标来评估船舶的耐波性［2］。

作业时间百分数是船舶在规定的装载及环境条件下执行任务时成功的作业的时间百分数；即：作业时间百分数＝海浪中可完成任务的时间／静水中可完成任务的时间。在某一特定航速浪向作业时间百分数预报的基本步骤为：

（1）由试验或计算得到各种响应在整个有关频率范围的频率响应函数；

（2）就一系列谱峰周期的波浪谱计算响应的均方根值，谱峰周期应覆盖整个周期范围；

（3）选定响应的极限衡准值，就每当波浪周期计算出极限有义波高；

（4）计算每当波浪周期的作业时间和最后求出在整个海域的作业时间。

作业时间百分数是直观而明确的量化指标，不仅是体现耐波性品质的综合指标，而且可以同经济分析相联系，从而对船舶的效益（作战能力、运输效率等）作出全面的评价，因此是船舶营运决策及设计的一个重要依据。

2）利用船舶的主要参数表达船舶的耐波性。

由于通过各种模拟计算得到的船舶耐波性特征值有一定误差，而通过实验方法获得船舶耐波性特征值要耗费较多的人力、物力和财力，一些学者试图寻找船舶主要参数与耐波性的关系。贝尔斯通过研究驱逐船舶型和耐波性特征量之间关系，把反映耐波性能优劣的“耐波性品级”与船型的几何特征用简明的数学关系式直接联系起来，既可以评价船舶的耐波性，又可据此优选最佳耐波性的船型取消。贝尔斯认为，船舶耐波性指数R与以下8种耐波性特征量相联系：纵摇、垂荡、在0站和20站的相对运动、3站处的砰击、0站处的垂向绝对加速度和垂荡加速度、20站的垂向绝对运动。在经过深入分析后，确定最有影响的水下参数有6个：舯前水线面系数Cwf、舯后水线面系数Cwa，吃水与船长比T／L，截至比C／L，舯前棱形系数Cvpf、舯后棱形系数Cvpa；船舶耐波性指数R与上述各参数间存在简单的线性关系。经过对20艘有代表性的船舶的计算分析，回归得到：

虽然这种方法简单、经济、实用，但是其分析的过程不清晰，只能用作理论估计分析使用，不能用于实际的船舶耐波性评估。

3）用航行记录仪记录船舶在风浪中的实际运动状态来评估船舶的耐波性。

日本东京商船大学与日本邮船株式会社进行了合作，从1990年开始，通过在一艘日本——北美——东南亚航线的集装箱船上安装航行资料自动记录系统，得到了大量的关于船舶在不同装载状态、不同航行状态、不同的风、浪条件作用下的船舶运动特征量响应值的实际资料。这些资料包括：时间、船位、航向、航速、波高、升沉、横摇角、纵摇角、船首上下加速度、纵荡加速度、垂荡加速度的平均值、最大值和平均周期，以及相对风向、风速的平均值和绝对风向、风速的平均值，共计26项内容。然后利用统计学的理论对这些实际风浪中船舶运动特征量的分析，得到了许多真实而且重要的结论，如有义波高与各船舶运动特征量的相关系数、有义波高与纵摇角的关系、有义波高与横摇角的关系、各船舶运动特征量的平均值与最大值的相互关系、波高与航速的关系、波高与航速及各船舶运动特征量的相关系数等。虽然这种方法准确可靠，但是成本太高，实现的难度太大。

4）建立综合的耐波性方程来评估大风浪中船舶的安全性。

笔者在考虑了耐波性的诸方面后，确定出每一个因素的临界状态值，然后提出船舶耐波性的评估方程，以此来评估船舶在风浪中的安全性［4-5］。

式中：Rx——某海况下，以某浪向角和航速航行的安全性评估值，Rx越大，则表明在此浪向角和航速下越安全.在进行评估前要对给定的浪向角及航速进行稳性计算，若稳性不满足要求，则Rx＝0；

Pi——根据实际波谱或谱计算公式求出的当前航向航速下的各响应幅值或出现的概率；

P′i——给出的各响应幅值或概率允许出现的衡准；

n——评估所需要考虑的因素个数；

Xi——权系数，其取值反映各响应对安全性的影响程度，根据船舶的性能、使命、任务等而定。

应用这种方法，显然较仅仅通过某些单项指标来评估船舶在大风浪中的安全性更为全面。但是，到目前为止，各种模拟计算都无法确切地真实反映船舶的实际运动状态。因此，所得到的各耐波性因素的响应值或出现概率也就有或大或小的误差。

5）船舶耐波性模糊综合评价方法。

随着模糊综合评价方法［6］的发展和广泛应用，国内外一些学者已正在将模糊综合评价技术应用到船舶耐波性综合评价上来，他们主要依据船舶耐波性的实测数据或利用理论计算、图谱预报的数据，在研究评价船舶耐波性指标的基础上，利用模糊综合评判理论［7］将船舶耐波性综合评价问题转变为多准则系统评价问题，建立一种综合评价船舶耐波性的方法——船舶耐波性模糊综合评判法。

（1）因素集的建立。因素集是影响评判对象的各种因素所组成的一个集合：

（2）建立权重集。在因素集中，各因素的重要程度是不一样的。为了反映各因素的重要程度，对各因素由各权数组成的一个权重集a＝｛a1，a2，…，an｝。

（3）建立评价集。评价集是评判者对评判对象可能作出的各种总的评判结果所组成。

（4）建立模糊隶属度矩阵。将各船的实际指标值，代入相应的隶属函数中，即可得到单指标评价向量，并将其组合在一起，得到模糊隶属度矩阵R。

（5）模糊综合评判。采用合适的模糊算子，得到评价的模糊集。然后，用反模糊化方法，得出一个清晰的评价值。

此方法可行性较大。但隶属度函数的建立和各指标权重的获取都基于经验和大量的调查工作，而且建立科学的评价指标体系较困难。因此，欲使此方法真正能够得以推广使用，要做大量更为细致的工作。

综上所述，由于船舶耐波性评价涉及到诸多因素的影响，而且不同类型的船舶所要求达到的目的也不尽一样，故而评价方法也各不相同，总体来说方法4）和5）是从系统论的角度来分析和解决船舶耐波性安全问题的，这两种方法具有前面三种方法所不具备的系统特性，而这对所有船舶来讲都是至关重要的，而且方法4）和5）具有很强的操作性，可以通过计算机仿真来模拟、分析船舶耐波性的好坏，具有系统、精确和易变化的特点，是今后船舶耐波性评价及分析的重要方法。