船舶第二代完整稳性机理及船舶操纵技术分析

翁建军， 郑 道， 张 兢

(1. 武汉理工大学 航运学院， 武汉 430063； 2. 内河航运技术湖北省重点实验室， 武汉 430063)

2017-04-25

翁建军(1965—)，男，浙江诸暨人，教授，硕士，主要从事水上交通安全保障、海事管理理论与技术研究。

E-mail:wjj11233@163.com

1000-4653(2017)03-0088-05

船舶第二代完整稳性机理及船舶操纵技术分析

翁建军1,2， 郑 道1， 张 兢1,2

(1. 武汉理工大学 航运学院， 武汉 430063； 2. 内河航运技术湖北省重点实验室， 武汉 430063)

为增进船舶航行安全，分析船舶第一代完整稳性规则的局限性及其发展趋势，探讨船舶第二代完整稳性的架构机理。从第一层稳性衡准的参数横摇、纯稳性丧失、瘫船稳性、骑浪/横甩和过度加速度等5种稳性失效模式的评估方法及其与船舶静态参数、动态参数的关系入手，分析基于第二代完整稳性衡准的船舶操纵性能，提出确保稳性满足规则要求的船舶操纵技术和措施。

第二代完整稳性； 稳性衡准； 船舶操纵； 安全

2008年，国际海事组织(International Maritime Organization, IMO)首次提出“新一代完整稳性衡准”的制定工作计划[1]，并在2011年正式将其命名为“第二代完整稳性衡准”。由此，世界各国开始对第二代完整稳性开展研究和讨论。与第一代完整稳性相比，第二代完整稳性全面考虑船舶稳性失效问题，将船舶稳性失效模式[2]分为以下3种：

1) 船舶复原力臂变化导致的稳性失效模式，如纯稳性丧失和参数横摇。

2) SOLAS公约定义的将《2008年国际完整稳性规则》(即第一代完整稳性)作为第一层稳性衡准的瘫船稳性。

3) 不仅与船舶稳性有关，而且与船舶操纵性能有关的稳性失效模式，如骑浪/横甩。

此外，IMO还将我国与德国联合提出的“过度加速度”作为船舶完整稳性失效的第5种模式，从而形成由5种稳性失效模式、3层评估方法及船舶航行作业指南组成的第二代完整稳性衡准体系。

目前第二代完整稳性衡准规范正处在构架与论证阶段，按该规范设计建造的船舶的稳性和操纵性将与按第一代完整稳性规范建造的船舶产生较大差别。因此，分析第二代完整稳性衡准的架构机理，了解其第一层稳性衡准中参数横摇、纯稳性丧失、瘫船稳性、骑浪/横甩和过度加速度等5种稳性失效模式的评估方法及其与船舶静态参数、动态参数的关系，确定第二代完整稳性衡准下的船舶操纵方法，对指导驾驶员有效操纵船舶，保障船舶的安全具有实际意义。

1 第一代完整稳性的局限性及发展趋势

目前实施的第一代完整稳性规则主要是以船舶静力学理论为基础，考虑船舶在静水中经受横风、横浪作用时的复原力臂曲线参数，根据船舶营运统计和气象衡准制定的。当前，随着各种超大型船舶及特殊构造和特殊用途的船舶不断涌现，为提高运输效率，对船舶抗风浪的要求不断提高，但基于船舶静力学理论制定的第一代完整稳性规则的衡准要求无法体现船舶种类、操纵特性和环境条件的多样性，致使船舶在恶劣海况下因动稳性失衡而倾覆的事故频发。因此，第一代完整稳性规则已不能有效满足对船舶稳性的要求。目前，船舶水动力学理论研究已取得显著成果，考虑船舶在风浪中的动稳性的第二代完整稳性规则的制定在技术上也日趋成熟。

2 第二代完整稳性的基本构架

第二代完整稳性是在第一代完整稳性规则的基础上充分考虑波浪中船舶的动稳性提出的。对于5种稳性失效模式的第一层稳性衡准，除了个别参数没有确定以外，其余都已基本达成一致意见。[1]每种稳性失效模式都有相对应的衡准条件，对船舶设计者、建造者及船舶驾驶员来说都具有较强的可操作性。但是，对于第二层稳性衡准和第三层稳性直接评估，目前尚处在讨论阶段，各国在模型试验和实船验证的基础上提出多种衡准建议及提案。当前第二代完整稳性衡准的三层评估方法的计算完整度和评估准确度正逐渐提高，其基本原则是：对于一艘特定船舶，只有当第一层稳性衡准评估未通过时，才有必要进行第二层稳性衡准评估；若第二层稳性衡准评估仍未通过，则进行第三层稳性直接评估。当使用三层衡准的方法均无法通过时，对于拟建船舶，必须对其进行重新设计，使其符合衡准要求，并制定相应的航行操纵指南；对于已投入营运的船舶，制定航行操纵指南，以避免船舶在营运过程中出现稳性失效的问题。[1]

3 两代完整稳性船舶操纵方法主要区别

与第一代完整稳性相比，第二代完整稳性考虑随浪中的船舶稳性、横甩和参数横摇等因素对船舶安全的影响。从保障船舶安全航行的角度出发，考虑第二代完整稳性，需改进船舶操纵方法。

第一代完整稳性规则是基于横风横浪模型制定的，认为船舶所处的最危险情形是遭遇横风横浪。当遭遇横风横浪时，驾驶员通常采取改变航向的操纵方法，这种操纵方法可能使船舶随浪或艉斜浪航行，而忽略该状况下船舶稳性的不利变化。第二代完整稳性认为船舶随浪航行同样存在危险，可能造成稳性丧失。因此，驾驶员应尽量避免船舶在随浪或艉斜浪状况下航行。

第一代完整稳性主要考虑船舶在横浪中的危险，驾驶员会尽量避免船舶出现主共振横摇。第二代完整稳性考虑参数共振现象，船舶在顺浪或顶浪航行时易产生较大幅度的纵摇和垂荡，引起参数横摇。因此，在操纵船舶时应在改变航向使其顺浪或顶浪航行的基础上，在条件允许的情况下改变航速，以改变船舶与波浪的遭遇周期，减小船舶的纵摇和垂荡运动，避免出现大幅度的参数共振横摇。

4 第一层稳性衡准评估及船舶操纵性分析

4.1参数横摇

参数横摇是指阻尼较小的船舶在航行过程中遭遇一定频率的波浪时产生显著的纵摇和升沉运动，船舶复原力臂随时间周期性变化而产生较大的横摇角的非线性现象。当船舶航行在波长与船长相当、遭遇周期为横摇周期1/2的水域时，极易发生严重的参数横摇，甚至导致倾覆。IMO第二代完整稳性衡准中有关参数横摇的草案适用于船长≥24 m的所有商船。

4.1.1稳性衡准评估

当船舶满足以下条件时，不易发生参数横摇，认为参数横摇第一层稳性衡准通过。

(1)

式(1)中：ΔhGM为船舶在波浪中的稳性高变化的幅值；hGM为船舶在静水中的初稳性高度；RPR为第一层稳性衡准值。关于RPR，目前提出以下2种方案。

1) 方案1

RPR=0.5

(2)

2) 方案2

RPR=

(3)

(4)

式(4)中：D为型深；d为考虑载况的吃水；V为考虑载况的排水体积；VD为吃水达到型深D时的排水体积；AW为吃水为d时的水线面面积。

(5)

(6)

(7)

式(5)～式(7)中：IH为吃水为dH时的水线面惯性矩；IL为吃水为dL时的水线面惯性矩；dfull为满载吃水；SW为波陡，取0.016 7，根据不同水域的波浪散射表得到。

当不满足式(4)时，ΔhGM可按式(8)计算。

(8)

式(8)中：hGMmax和hGMmin分别为船舶在波长λ=L，波高h=LSW的规则波中，当波峰在船舶重心纵向位置及其前后每间隔0.1L共10个船波相对位置处时，初稳性高的最大值与最小值。[3]

4.1.2船舶操纵性及操纵方法

4.1.2.1 船舶操纵性

对于一艘特定船舶，经过参数横摇的第一层稳性衡准评估可得知该船是否符合参数横摇的设计要求，驾驶员应了解参数横摇第一层稳性衡准评估机理，掌握船舶的操纵特性，不应简单地认为通过参数横摇第一层稳性衡准评估的船舶就一定不会发生参数横摇，理由是式(1)是对参数横摇第一层稳性衡准的最低要求，且仅考虑方形系数和菱形系数等船型参数，未单独考虑船舶种类及船长、船宽、吃水等参数。不同种类及不同船型的船舶对参数横摇的敏感程度是不同的，从事故统计分析上看：大部分集装箱船和滚装船受参数横摇的影响较明显，且衡准结果受船舶装载状况和波陡的影响较大；相对的，散货船和油船不易发生参数横摇。[2]

4.1.2.2 船舶操纵方法

① 通过货物配积载来满足参数横摇衡准要求。由式(1)可知，增大船舶的初稳性高度hGM可减小ΔhGM与hGM的比值，更满足衡准要求，从而有效避免参数横摇的发生。因此，在进行货物配积载时，驾驶员可通过调整货物装载位置及其质量来调整hGM值，并减小ΔhGM与hGM的比值，降低船舶发生参数横摇的可能性。此外，为防止货物受波浪影响而发生移位，船舶应加强货物系固。

② 通过改变航向和/或航速来满足波浪条件下的参数横摇衡准要求。对于几何形状垂向变化较大的船舶，其在顶浪航行时往往伴随着明显的垂荡和纵摇运动，使船舶吃水在一定范围内不断变化，最终导致船舶稳性变差。因此，在波浪中操纵船舶时，通常应采取改变航向和/或航速的方法来调整船舶与波浪的遭遇角度及遭遇周期。当遇到横浪时，可通过改变航向和/或航速来调整波浪遭遇周期，从而减轻横摇；当遇到纵浪时，改变航向能在一定程度上减小纵摇，但会加大横摇和垂荡，因此应改变航速以调整波浪遭遇周期，使船舶避开次级谐摇区。

4.2纯稳性丧失

纯稳性丧失是指船舶随浪航行过程中，当波速与航速相近、波峰运动到舯部时，稳性大幅下降，导致船舶出现倾斜、甚至倾覆的现象。

4.2.1稳性衡准评估

当船舶满足以下条件时，认为其不易发生纯稳性丧失。

hGMmin>RPLA

(9)

式(9)中：RPLA=0.05 m；hGMmin为波浪中船舶最小稳性高。

若满足式(4)，则hGMmin可根据式(10)进行计算。

(10)

式(10)中：KB为浮心高度；IL为水线面惯性矩；V为排水体积；KG为重心高度。

若不满足式(4)，则进一步采用第二层稳性衡准方法计算hGMmin并进行衡准核算。

4.2.2船舶操纵性及操纵方法

4.2.2.1 船舶操纵性

由于现行的第一代稳性衡准规则未涉及纵浪状态下的船舶稳性衡准问题，因此驾驶员易忽视艉部来浪对船舶稳性的影响，对船舶随浪航行的危险性认识不足，通常只认为横风、横浪是影响船舶稳性的最危险因素，从而未对船舶服务航速加以控制，导致纯稳性丧失而发生倾覆事故。

随浪航行对船舶稳性的影响有可能大于横风横浪航行，尤其是当波长近似等于船长、波速近似等于船速，且波峰位于舯部时，船体浸水面积下降明显，导致船舶稳性大幅度降低。

4.2.2.2 船舶操纵方法

在随浪中，船舶初稳性高度的降幅可达0.3～1.0 m。一般情况下，一艘满载杂货船的初稳性高度为0.3～0.5 m，一艘满载超级油船的初稳性高度为0.3～1.0 m。[4]在随浪航行状态下，船舶最小稳性高度可能为负值，从而不能满足第一层稳性衡准的要求。在操纵船舶时，应避免随浪航行，尤其是当艉部来浪较大时。当船舶在随浪状态下航行时，可通过改变航向和/或航速来改变船舶与波浪的遭遇角度及相对速度，从而缓解初稳性高度的降低。

由式(10)可知，同时采取调整货物重心高度和调整压载水等措施确保最小稳性高度>0.05 m，可更有效地避免因纯稳性丧失而发生船舶倾覆事故。

在随浪中，按第一代稳性规则设计的船舶可能使1个或多个稳性指标小于要求值，应引起注意。

4.3瘫船稳性

瘫船稳性是船舶在风浪中航行时由于主机故障导致动力丧失，在自由漂浮状态下发生共振横摇(甚至倾覆)的稳性失效模式。在这种情形下，当船舶漂移至横浪状态时是最危险的。

4.3.1稳性衡准评估

第二代完整稳性第一层稳性衡准基本上采取《2008年国际完整稳性规则》中的气象衡准条件，只是对波浪条件作出适当的修改，扩展波陡表。

瘫船稳性第一层稳性衡准的标准为

式(11)和式(12)中：φ0为船舶在定常风作用下的横倾角；φjb为甲板边缘进水角；b和a分别为非定常风作用力臂与复原力臂GZ曲线所围不同部分的面积(见图1)。

图1 GZ曲线下面积b和面积a示意

4.3.2船舶操纵性及操纵方法

4.3.2.1 船舶操纵性

《2008年国际完整稳性规则》中的气象衡准是指船舶在横风、横浪中失去动力的情况下向下风舷横倾一定的角度，在该横倾角下受波浪的影响发生谐摇的衡准。在进行衡准计算时，只考虑风压的影响，忽略横倾状态下波浪对船舶谐摇的作用。第二代稳性衡准在考虑横风影响的基础上同时考虑横倾中的船舶受波浪谐摇的影响，稳性衡准标准更高。

4.3.2.2 船舶操纵方法

船舶在横风、横浪中航行时，驾驶员易对气象衡准产生错误的理解，将船舶气象衡准简单地理解为船舶的抗风等级，而忽略横风、横浪条件下波浪致使船舶产生谐摇的情况。因此，船舶在横风、横浪中航行时，不应过高地估计抗风浪等级，在重点考虑船舶的抗风等级和抗风能力的同时，考虑船舶横倾时风浪致使船舶发生谐摇带来的影响。

当船舶出现过度横摇、瘫船稳性衡准要求可能难以满足的问题时，动力丧失，无法采取改变航速、航向等措施，在某种程度上失去了抵抗风浪的能力，驾驶员应积极进行自救，避免因瘫船稳性丧失而发生倾覆事故。可采取的自救措施主要包括：

① 通过采取加压载水(装载条件允许时)、抛甲板货等措施降低船舶重心，减小受风面积；

② 若船舶所处水域的水深适于锚泊，则可抛锚，利用锚泊力控制船舶的航向，减小风压角；

③ 当大风浪持续、船舶横摇幅度过大且可能进一步增大时，驾驶员立即发出求救信号，并做好弃船准备。

4.4骑浪/横甩

骑浪是船舶发生横甩的征兆，是指船舶在风浪中以不同于波速的航速随浪航行时，受波浪的影响，逐渐被其捕获，受到的阻力、纵向波浪力和推力在航速等于波速时达到动力平衡的状态；横甩是指船舶在随浪中高速航行时因突然失去航向保持能力而突然转向，并伴有剧烈的艏摇，即使操反向最大舵角也不足以改变航向的现象。

4.4.1稳性衡准评估

当船舶满足式(13)时，认为该船不易发生骑浪/横甩。[5]

Fr﹤0.3 orLBP﹥200 m

(13)

式(13)中：Fr为船舶傅汝德数；LBP为船舶垂线间长。Fr的计算式为

(14)

式(14)中：Vs为船舶服务航速；g为重力加速度；L为船舶垂线间长。

4.4.2船舶操纵性及操纵方法

4.4.2.1 船舶操纵性

根据骑浪/横甩稳性衡准原理，船长>200 m的船舶发生骑浪/横甩的可能性较小，但在一定航速或一定波长条件下仍有发生的可能性；船长<200 m的船舶则相对易发生骑浪/横甩现象。纵观船舶骑浪/横甩事故可发现，大部分此类事故都发生在船长较小且航速较高的船舶上，其中航速过高是主要原因。

4.4.2.2 船舶操纵方法

根据骑浪/横甩第一层稳性衡准基本原理，驾驶员在随浪中航行时，应注意船长、航速和波长等3个要素，考虑到船舶垂线间长LBP是固定值，当判断可能产生横甩现象时，可通过降低航速来减小Fr，保证Fr<0.3，避免船舶发生横甩事故。此外，骑浪发生在随浪航行状态下，驾驶员在操船时可通过改变航向来避免船舶随浪航行，改变随浪航行状态，以进一步避免船舶发生横甩事故。船长>200 m的船舶不应过分自信不会发生骑浪/横甩事故，而应根据波浪实际情况采取相应的措施。

船舶在海上航行时，波浪要素可从相关气象资料和航路指南中查阅得到。大洋中的波浪最易出现的波长通常为80～140 m，波浪周期通常为7～10 s，波浪倾斜角一般为1/40～1/30。大洋中航行的船舶应根据其波浪特点，结合船舶长度，适当调整航向和/或航速，以避免骑浪/横甩事故发生。

4.5过度加速度

过度加速度是指由于船舶初始GM值过大，当船舶在波浪中航行时，因横摇而产生过大的横向加速度的情况。船舶产生过度加速度时易导致货物移动或人员遭到伤害，甚至发生倾覆事故。

4.5.1稳性衡准评估

若满足式(15)，则认为船舶容易产生过度加速度。

(15)

式(15)中：φ为横摇幅值，rad，可利用式(16)计算；kL为垂向加速度和艏摇运动的影响系数；g为重力加速度；H为横摇轴到驾驶甲板的高度(假设横摇轴位于水线与中心之间的平均高度处)，m；Tr为船舶横摇固有周期，s；R1为衡准值，目前取值为8.9 m/s2。

(16)

式(16)中:r为等效波倾系数；s为波陡系数；δφ为自由横摇曲线衰减系数。[6]

4.5.2船舶操纵性及操纵方法

4.5.2.1 船舶操纵性

根据过度加速度稳性衡准的基本原理，当船舶初始hGM值过大时，在波浪中处于横摇状态航行时易产生过大的横向加速度，此时船舶固有摇摆周期Tr较小，船舶左右横摇的频率较高，其后果是易产生货物移动和带来人员伤害。

4.5.2.2 船舶操纵方法

目前对过度加速度的研究较少，船舶驾驶员可能对横向加速度的理解不够，实际航行时也较难判断船舶是否处于过度加速度状态。根据研究，航速较低的船舶易产生过度加速度，且在横浪状态下更易产生。为防止产生过度加速度，在进行货物配积载时，应合理调配货物的位置和质量，最终保证船舶具有合适的初始hGM值，通过控制hGM值，从根源上防止过度加速度的产生。

船舶在横浪中航行时，一旦发现可能产生过度加速度，在条件允许的情况下，可通过适当调配压载水来使hGM值适度变小，从而降低产生过度加速度的可能性。此外，还可采用适度增大航速的方法来减小船舶横摇加速度。在大风浪来临之前，应加强检查和加固货物绑扎。为防止过度加速度使货物发生移位和人员受到伤害，应加强货物系固，并通知有关人员注意防止受到伤害。

从衡准原理上看，参数横摇和过度加速度是因hGM值过小及过大而相互矛盾的2个稳性失效模式。因此，驾驶员在进行货物配积载、加载压载水作业时，应充分考虑船舶所在航区的风浪情况及可能遭遇的波浪周期，及时调整船舶的hGM值，使其处于适当状态，以防止参数横摇和过度加速度的产生。

5 结束语

船舶第二代完整稳性衡准将更多地考虑船舶在风浪中的动稳性，分析和理解船舶动稳性衡准机理对分析船舶操纵性和指导驾驶员操纵船舶具有重要意义。在理解动稳性衡准机理时，应注意5种稳性失效模式是相互关联的，驾驶员在操纵船舶时应充分考虑各种稳性失效模式的发生条件，运用良好船艺，保持良好的动稳性状态，降低船舶在风浪中航行时的倾覆风险，保障船舶的航行安全。

[1] 顾民，鲁江，王志荣.IMO第二代完整稳性衡准评估技术进展综述[J].中国造船，2014(4):185-193.

[2] 付丽丽，郑双燕，柳卫东，等.第二代完整稳性参数横摇薄弱性衡准发展综述[J].中国造船，2015(S1):217-223.

[3] 徐光龙.船舶参数横摇薄弱性衡准研究[D].大连：大连理工大学，2014.

[4] 沈玉如.船舶货运[M].大连：大连海事大学出版社，2007：44-55.

[5] IMO. Report of the Working Group (Part 1) [R]SLF 55/WP3.2013.

[6] IMO. Development of Second Generation Intact Stability Criteria [R]SDC 1/INF.8.2014.

MechanismofSecondGenerationIntactStabilityandTechnicalofShipManeuvering

WENGJianjun1,2，ZHENGDao1，ZHANGJing1,2

(1. School of Navigation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. Hubei Key Laboratory of Inland Shipping Technology, Wuhan 430063, China)

The limitations and development trend of the first generation intact stability rules are analyzed. The mechanism of the second generation intact stability of ships is discussed. The discussion covers evaluation methods for the five stability failure modes (parametric rolling, pure loss of stability, dead ship stability, surf-riding/broaching, excessive acceleration) and the connection between them and the static/dynamic parameters used in last generation. The ship maneuverability based on the second generation intact stability is analyzed and the technology and measures of maneuvering without violating the new stability rules are proposed.

second generation intact stability; vulnerability criteria; ship maneuvering; safety

U661.3；U675.9

A