海船破艙進(jìn)水安全綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)

邱文昌　王一沫　孫錫志

摘要：

為彌補(bǔ)目前船舶應(yīng)急響應(yīng)服務(wù)（Emergency Response Service，ERS）存在的不足，構(gòu)建由3項(xiàng)一級(jí)指標(biāo)和10項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)組成的海船破艙進(jìn)水安全綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng).基于Maxsurf船體設(shè)計(jì)平臺(tái)計(jì)算船舶性能參數(shù)，依據(jù)多維價(jià)值準(zhǔn)則對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行定量化、歸一化等處理后建立綜合評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型，并給出與船舶破艙進(jìn)水不同安全評(píng)價(jià)等級(jí)相對(duì)應(yīng)的應(yīng)急處置建議.這為身處事故現(xiàn)場(chǎng)的船長(zhǎng)在關(guān)鍵時(shí)刻及時(shí)作出棄船、主動(dòng)搶灘等正確決策提供了有效依據(jù)，對(duì)避免或減少人命傷亡、船貨損毀和水域污染都有重要意義.

關(guān)鍵詞：

海船； 破艙進(jìn)水； 多維價(jià)值； 安全綜合評(píng)價(jià)

0引言

目前船舶的裝載手冊(cè)或船上裝載軟件普遍缺少滿載水線以上船舶浮性、穩(wěn)性等參數(shù)，

因此當(dāng)船舶在海上遇碰撞、擱淺等發(fā)生破艙進(jìn)水時(shí)，

無(wú)法計(jì)算船舶剩余浮性和破艙穩(wěn)性指標(biāo)，而借助岸基的船舶應(yīng)急響應(yīng)服務(wù)（Emergency Response Service，ERS）[1]耗時(shí)長(zhǎng)（有時(shí)超過(guò)24 h），且缺少對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)船況、氣象、海況等因素的綜合考慮.韓國(guó)“歲月號(hào)”等海難事故表明，船長(zhǎng)延誤棄船時(shí)機(jī)是造成大量人員傷亡的主要原因.顯然，開發(fā)船上或船公司應(yīng)急專用的海船破艙進(jìn)水安全綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)，能夠使裝備該系統(tǒng)的船舶在發(fā)生破艙進(jìn)水事故時(shí)，快速完成船舶剩余浮性和破艙穩(wěn)性等指標(biāo)計(jì)算，并能結(jié)合事故現(xiàn)場(chǎng)船況、氣象、海況等因素確定船舶破艙進(jìn)水安全綜合評(píng)價(jià)等級(jí)，給出有針對(duì)性的應(yīng)急處置建議.這為身處事故現(xiàn)場(chǎng)的船長(zhǎng)在關(guān)鍵時(shí)刻及時(shí)作出棄船、主動(dòng)搶灘等正確決策提供了有效依據(jù)，對(duì)避免或減少人命傷亡、船貨損毀和水域污染都有重要意義.

1海船破艙進(jìn)水安全綜合評(píng)價(jià)模型

1.1綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

結(jié)合船舶法定抗沉性指標(biāo)要求并考慮事故當(dāng)時(shí)船況、氣象、海況等多方面因素[23]，建立由3項(xiàng)一級(jí)指標(biāo)和10項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)構(gòu)成的海船破艙進(jìn)水安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見表1.

I11主要考慮船舶破艙進(jìn)水終了時(shí)的最高水位線是否超過(guò)許用載重線、安全限界線和船舶最低非水密開口；I12考慮船舶進(jìn)水終了時(shí)的橫傾角不得超過(guò)法定的橫傾角指標(biāo)要求；I13考慮船舶進(jìn)水終了時(shí)經(jīng)自由液面修正的初穩(wěn)心高度hGM不得小于其對(duì)應(yīng)特定吃水下船舶破艙臨界初穩(wěn)心高度hGMD的要求；I14以船殼破損后經(jīng)修正的船體各橫剖最大許用剪力或最大許用彎矩值為基準(zhǔn)，用來(lái)計(jì)算其最大剪力比（RSF max）和最大彎矩比（RBM max）；I21包括船舶是否擱淺、擱淺狀況（若已擱淺）、機(jī)艙設(shè)備運(yùn)行狀況、船舶周圍是否有他船伴航、是否具備搶灘擱淺條件、船舶螺旋槳運(yùn)行狀況等；I22反映船舶進(jìn)水的嚴(yán)重程度（如機(jī)艙是否進(jìn)水）；I23反映本船自航脫離危險(xiǎn)、能夠獲岸基或他船救助的時(shí)間；I24反映一旦發(fā)生沉船可能危及的旅客人數(shù)；I31主要考慮異常的風(fēng)、浪和涌的影響；I32主要涉及晝夜變化、異常氣溫、雨雪狀況、能見度等因素.

1.2綜合評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

在建立海船破艙進(jìn)水安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，基于多維價(jià)值組合規(guī)律[4]，對(duì)指標(biāo)作定量化和歸一化處理后，構(gòu)建海船破艙進(jìn)水安全綜合評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型[56].

1.2.1海船破艙進(jìn)水安全綜合評(píng)價(jià)總指標(biāo)U

U=100U1（）（w2U2（+）w3U3），U∈[0，100]

式中：（*）和+分別是多維價(jià)值準(zhǔn)則中定義的乘號(hào)和加號(hào)，其運(yùn)算規(guī)則等同于數(shù)學(xué)運(yùn)算中的乘法和加法；U1，U2，U3∈0，1；w2和w3分別為U2和U3的權(quán)重，w2+w3=1，0≤w2，w3≤1.

U1在《船舶與海上設(shè)施法定檢驗(yàn)規(guī)則》中有明確的最低衡準(zhǔn)要求，對(duì)海船破艙進(jìn)水安全綜合評(píng)價(jià)特別重要，因此在指標(biāo)合并中采用了不可偏廢的乘法規(guī)則，即若U1取0.6，則U≤60.U2和U3則具有一定的互補(bǔ)性質(zhì)，即船舶狀況良好可部分彌補(bǔ)氣象和海況差的影響，反之亦然，因此在指標(biāo)合并中采用了加法規(guī)則.

1.2.2船舶浮性、穩(wěn)性與船體強(qiáng)度組合指標(biāo)U1

式中：Δ表示船舶進(jìn)水終了的排水量；Δm表示船舶許用載重線所對(duì)應(yīng)的滿載排水量；FBm和FB min分別表示相對(duì)于船舶許用載重線且考慮當(dāng)時(shí)船舶縱、橫傾狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的最小干舷和實(shí)際最小干舷（FB min取船舶橫傾一側(cè)船首、船舯前1/4船長(zhǎng)處、船舯、船舯后1/4船長(zhǎng)處和船尾等這5處干舷值中的最小值）；FB min≥0.076 m3英寸考慮船舶水線不超過(guò)法定安全限界線的要求；dfm是船舶最低非水密開口距設(shè)定船舶水線與安全限界線相切，且是相對(duì)于船舶當(dāng)時(shí)縱、橫傾狀態(tài)下的垂向距離；df為船舶最低非水密開口距船舶實(shí)際水線的距離，df<0表示船舶最低非水密開口已開始入水；dlim m表示當(dāng)df=0時(shí)船舶水線到船舶極限入水位置的距離；dlim表示當(dāng)df=0時(shí)船舶實(shí)際水線到船舶極限入水位置的距離，dlim<0表示船舶實(shí)際水線已高過(guò)船舶極限入水位置.

1.2.2.2I12的計(jì)算

船舶破艙進(jìn)水終了平衡前：橫傾角小于等于2°時(shí)，I12=1；橫傾角等于20°時(shí)，I12=0.6；橫傾角等于40°時(shí)，I12=0；設(shè)定I12在上述各區(qū)間內(nèi)均隨橫傾角線性遞增.

船舶破艙進(jìn)水終了平衡后：橫傾角小于等于1°時(shí)，I12=1；橫傾角等于17°時(shí)，I12=0.6；橫傾角等于30°時(shí)，I12=0；設(shè)定I12在上述各區(qū)間內(nèi)均隨橫傾角線性遞增.

1.2.2.3I13的計(jì)算

當(dāng)完整和破艙穩(wěn)性指標(biāo)均滿足要求時(shí)，I13=1；當(dāng)僅破艙穩(wěn)性指標(biāo)[8]滿足要求時(shí)，I13=0.8；當(dāng)有至少一項(xiàng)破艙穩(wěn)性指標(biāo)不滿足要求時(shí)，I13=0.6；當(dāng)hGM≤0時(shí)，I13=0.設(shè)定I13在[0，1]上呈線性變化.

1.2.2.4I14的計(jì)算

假設(shè)船舶處于靜水狀態(tài)：當(dāng)RSF max≤90%且RBM max≤90%時(shí)，I14=1；當(dāng)RSF max=100%或RBM max=100%時(shí)，I14=0.6；當(dāng)RSF max=200%或RBM max=200%時(shí)，I14=0.當(dāng)船殼破損時(shí)，應(yīng)當(dāng)借助專用船舶設(shè)計(jì)軟件修正其相應(yīng)剖面的許用切力和許用彎矩值.[9]設(shè)定I14在[0，1]上呈線性遞增趨勢(shì).

1.2.3船舶狀態(tài)指標(biāo)U2

1.2.3.1I21的計(jì)算

這里的t表示船舶關(guān)鍵設(shè)備（主機(jī)、輔機(jī)或舵機(jī)等）出現(xiàn)故障后預(yù)計(jì)需要修復(fù)的時(shí)間，h；q2表示海船破艙進(jìn)水后相對(duì)于進(jìn)水速率的排水狀況，當(dāng)總體上進(jìn)水情況已被控制，即排水速率大于進(jìn)水速率，艙內(nèi)水位已在下降時(shí)，q2=0.7，否則q2=0；q3和q4表示船舶破艙進(jìn)水過(guò)程中的擱淺狀態(tài)，若船舶已處于擱淺狀態(tài)，則q3=0.9，否則q3=0，當(dāng)船舶部分?jǐn)R淺，船體還能擺動(dòng)時(shí)，q4=0.7，否則q4=0；q5表示附近是否有他船伴航，若有，q5=0.6，否則q5=0；q6表示船舶附近是否具備搶灘坐淺條件，若具備則q6=0.6，否則q6=0；q7表示船舶螺旋槳運(yùn)行狀態(tài)，與船舶螺旋槳的沉深比I/D關(guān)系密切，

p表示船舶總進(jìn)水量Δw占其夏季滿載排水量ΔS的比值.當(dāng)船舶未發(fā)生進(jìn)水時(shí)，I22=0；當(dāng)p>1時(shí)，I22=1.

n是反映水密區(qū)域和進(jìn)水艙類型的系數(shù)，初值取1，最小取0.若每一水密區(qū)域至少存在1個(gè)第2類水密艙破損，則n的值減少0.1；若每一水密區(qū)域至少存在1個(gè)第3類水密艙破損，則n的值減少0.2；若機(jī)艙無(wú)任何類型進(jìn)水，則n的值額外減少0.3.每一水密區(qū)域均以最危險(xiǎn)艙的類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同一水密區(qū)域最多只算一項(xiàng)，不重復(fù)計(jì)算；當(dāng)機(jī)艙存在進(jìn)水狀況、其他水密區(qū)域存在1個(gè)第3類水密艙破損且p=0.5時(shí)，I22=0.6.

1.2.3.3I23的計(jì)算

1.2.3.4I24的計(jì)算

1.2.4氣象和海況指標(biāo)U3

1.2.4.1I31的計(jì)算

對(duì)無(wú)限航區(qū)3 000總噸及以上海船，幾個(gè)折線點(diǎn)指標(biāo)值可以設(shè)置為：當(dāng)風(fēng)力為4級(jí)及以下，或浪級(jí)為5級(jí)及以下，或涌高為4 m及以下時(shí)，I31=1；當(dāng)風(fēng)力為6級(jí)及以下，或浪級(jí)為7級(jí)及以下，或涌高為9 m及以下時(shí)，I31=0.8；當(dāng)風(fēng)力為8級(jí)及以下，或浪級(jí)為8級(jí)及以下，或涌高為14 m及以下時(shí)，I31=0.7；當(dāng)風(fēng)力為10～12級(jí)，或浪級(jí)為9級(jí)，或涌高為14 m以上時(shí)，I31=0.6；當(dāng)風(fēng)力或浪級(jí)超過(guò)12級(jí)，或涌高超過(guò)14 m時(shí)，I31=0.

1.2.4.2I32的計(jì)算

式中：I321為晝夜影響指標(biāo)，I322為異常氣溫指標(biāo)，I323為雨雪天氣影響指標(biāo)，I324為能見度影響指標(biāo).I32由下述I321，I322，I323和I324的定義可知，其取值區(qū)間為0.9，1.

由式（1）可知，I321的最大影響值取0.98.式（2）中，t表示氣溫，℃.式（4）中，V表示能見度等級(jí).當(dāng)V=6級(jí)時(shí)為能見度中等，水天線看不清，且存在雨、雪、輕霧等現(xiàn)象，能見距離為2～5 n mile；當(dāng)V>6級(jí)時(shí)，I324的影響最小，其值為1.00；當(dāng)V=2級(jí)時(shí)，能見距離為0.5～1 n mile，存在碰撞危險(xiǎn)，此時(shí)I324的影響最大，其值為0.90；其他取值可由式（4）計(jì)算.

1.3綜合評(píng)價(jià)模型指標(biāo)權(quán)重的確定

選用專家問(wèn)卷調(diào)查形式確定指標(biāo)權(quán)重值的原始數(shù)據(jù)，借助克朗吧哈系數(shù)驗(yàn)證專家打分?jǐn)?shù)據(jù)的一致性和可靠性，利用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，獲得w2=0.55，w3=0.45，w22=0.36，w23=0.34，w24=0.30.當(dāng)然，在系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)中，也可以提供一種讓軟件使用者在一定范圍內(nèi)確定權(quán)重值的功能.

2海船破艙進(jìn)水的應(yīng)急處置建議

為便于身處海船破艙進(jìn)水危急狀態(tài)中的船長(zhǎng)在關(guān)鍵時(shí)刻能夠考慮全面并及時(shí)地作出正確決策，海船破艙進(jìn)水安全綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包含與不同安全評(píng)價(jià)等級(jí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)急處置建議，見表2.

對(duì)裝載危險(xiǎn)品等特殊貨物船以及散裝化學(xué)品船、液化氣體船等特種類型船， 除應(yīng)給出上述應(yīng)急處置一般建議外，還應(yīng)給出針對(duì)特種貨物和船舶的特殊應(yīng)急處置措施.

1級(jí)安全

90.00～100.0（1）檢查船體有無(wú)破損，酌情調(diào)整航速、航向，以便留出時(shí)間對(duì)險(xiǎn)情進(jìn)行評(píng)估.（2）盡快對(duì)進(jìn)水艙進(jìn)行堵漏排水，并確保相關(guān)排水泵運(yùn)行正常（有條件時(shí)增設(shè)潛水泵排水）.（3）如有油艙破損，則應(yīng)盡快移撥破損油艙的剩余油液，以減少海面油污.（4）密切監(jiān)視進(jìn)水艙的進(jìn)水速率，留意與進(jìn)水艙相鄰的各艙室是否存在進(jìn)水以及艙壁有無(wú)破損. 在進(jìn)入水密艙柜前，須做好照明和通風(fēng)工作，防止發(fā)生人員缺氧和窒息危險(xiǎn).（5）密切監(jiān)視船舶水線和橫傾角的變化情況.（6）調(diào)整壓載，盡量保持船舶正浮或減小橫傾.（7）謹(jǐn)防已完成堵漏的船體因裂痕擴(kuò)展或高水壓致艙壁某部位破損而再次進(jìn)水.（8）如與他船碰撞，則需將碰撞角度、碰撞部位、損害程度及所采取的措施作完整記錄.（9）及時(shí)向船舶所有人報(bào)告事故發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)、天氣、海況、船上機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息

2級(jí)尚安全

80.00～89.99除上述措施外：（1）檢查風(fēng)雨密和所有的水密裝置，使其處于關(guān)閉狀態(tài)；（2）保持上甲板排水暢通；（3）增加對(duì)進(jìn)水艙液位的測(cè)量次數(shù)；（4）船舶橫傾角較大且海面風(fēng)浪較大時(shí)，應(yīng)避免順浪航行，及時(shí)減速并采取頂偏角約15°航行，以減小縱、橫搖幅度

3級(jí)有危險(xiǎn)

70.00～79.99除上述措施外：（1）調(diào)整船舶縱傾，避免船舶主甲板后部被水淹沒；（2）應(yīng)考慮先將船上旅客（如果有的話）轉(zhuǎn)移至他船；（3）若機(jī)艙進(jìn)水，則輪機(jī)員在撤離前應(yīng)及時(shí)關(guān)閉通向各貨艙和油艙的閥門；（4）備妥所有救生設(shè)備，以便隨時(shí)使用

4級(jí)較危險(xiǎn)

60.00～69.99除上述措施外：（1）密切與岸基聯(lián)系，要求在附近有他船伴航；（2）有旅客時(shí)，應(yīng)先行轉(zhuǎn)移至他船；（3）做好棄船準(zhǔn)備

5級(jí)危險(xiǎn)

0.00～59.99除艙內(nèi)進(jìn)水已被控制住，艙內(nèi)的水位在明顯下降，或船舶具備搶灘坐淺條件外，評(píng)價(jià)值為40～60時(shí)建議船長(zhǎng)考慮棄船，低于40時(shí)建議船長(zhǎng)果斷下棄船命令

3計(jì)算實(shí)例

本文以救助船“DHJ”為例，其主要參數(shù)為：垂線間長(zhǎng)88.00 m；型寬15.20 m；型深7.60 m；設(shè)計(jì)吃水5.60 m；排水量4 403.0 t；總載質(zhì)量1 205.0 t；空船排水量3 248.0 t；空船重心距船舯距離-0.294 m；空船重心距基線高度 6.999 m；許用載重線為夏季載重線.

船舶破艙進(jìn)水主要情景設(shè)定：船舶發(fā)生觸礁事故，造成其右舷1號(hào)燃油艙破損進(jìn)水，海面出現(xiàn)油污，同時(shí)船舶主機(jī)發(fā)生故障，預(yù)計(jì)需要維修時(shí)間少于40 min.經(jīng)計(jì)算，當(dāng)進(jìn)水終了時(shí)船舶平均吃水為6.017 m.船舶破艙進(jìn)水情景的主要參數(shù)見表3. 經(jīng)過(guò)Maxsurf計(jì)算，得到船舶相關(guān)數(shù)據(jù)，見表4.

4結(jié)束語(yǔ)

目前，盡管大型貨船為應(yīng)對(duì)各類貨物裝載和船舶浮態(tài)、穩(wěn)性和船體強(qiáng)度的復(fù)雜計(jì)算已要求強(qiáng)制配備船舶裝載軟件，但是這類裝載軟件普遍缺少船舶在破艙進(jìn)水，特別是在吃水遠(yuǎn)超滿載水線時(shí)計(jì)算船舶浮態(tài)、穩(wěn)性和船體強(qiáng)度的功能.事實(shí)上，船舶在設(shè)計(jì)時(shí)所使用的輔助軟件都具備船舶破艙進(jìn)水后、吃水遠(yuǎn)超滿載水線時(shí)計(jì)算船舶浮態(tài)、穩(wěn)性和船體強(qiáng)度的功能[10]，只是許多參數(shù)未能向船上提供.因此，對(duì)缺少在破艙進(jìn)水，特別是在吃水遠(yuǎn)超滿載水線時(shí)的關(guān)于船舶浮態(tài)、穩(wěn)性和船體強(qiáng)度的校核數(shù)據(jù)的船舶，要完成破艙進(jìn)水安全的部分指標(biāo)計(jì)算，還需要基于船舶靜水力和船體結(jié)構(gòu)參數(shù)，借助Maxsurf等船體設(shè)計(jì)平臺(tái)完成船舶破艙進(jìn)水后的浮態(tài)、穩(wěn)性和剩余船體強(qiáng)度方面的參數(shù)計(jì)算.因此，建議國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)則的制定者應(yīng)當(dāng)明確要求船舶設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)向船長(zhǎng)提供船舶吃水遠(yuǎn)超滿載水線時(shí)的船舶浮態(tài)、穩(wěn)性和船體強(qiáng)度參數(shù)資料，并要求船上所配備的裝載軟件必須具備類似于本文的船舶破艙進(jìn)水安全綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)的部分功能，以有效提升船舶破艙進(jìn)水后的應(yīng)急處置能力.

參考文獻(xiàn)：

[1]劉紅， 邱文昌. 船舶原理[M]. 上海： 上海浦江教育出版社， 2013： 106115.

[2]徐邦禎， 杜嘉立， 田佰軍. 船舶破艙進(jìn)水及其影響因素[J]. 大連： 大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)， 2004， 30（1）： 5254.

[3]汪應(yīng)洛. 系統(tǒng)工程導(dǎo)論[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 1982： 3034.

[4]劉大剛， 徐東華， 吳兆麟. 大風(fēng)浪中航行船舶的危險(xiǎn)度估算模型[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)， 2005， 5（3）： 8386， 97.

[5]張文青， 胡甚平， 劉琨， 等. 基于熵權(quán)的海上交通風(fēng)險(xiǎn)成因物元評(píng)價(jià)模型[J]. 上海： 上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)， 2010， 30（2）： 1822.

[6]王鳳武， 吳兆麟， 鄭中義. 惡劣天氣條件下船舶開航安全性評(píng)估方法[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)， 2004， 4（3）： 104107.

[7]張恭. 船舶破艙狀況特性分析[D]. 上海： 上海交通大學(xué)， 2011.

[8]馬強(qiáng). 多體船破艙穩(wěn)性研究[D]. 上海： 上海交通大學(xué)， 2008.

[9]趙敬. 船舶破艙后船體剩余強(qiáng)度研究與分析[D]. 大連： 大連海事大學(xué)， 2014.

[10]陳恒強(qiáng)， 池海峰. 船舶完整穩(wěn)性及抗沉性實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J]. 江蘇船舶， 2011， 28（3）： 2730.

（編輯趙勉）