風(fēng)電安裝船主尺度要素統(tǒng)計(jì)分析

王 春 雷， 林 焰*,2， 葉 超， 頡 利 東

( 1.大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連 116024 )

風(fēng)電安裝船主尺度要素統(tǒng)計(jì)分析

王 春 雷1， 林 焰*1,2， 葉 超1， 頡 利 東1

( 1.大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連 116024 )

船舶主尺度決定了船舶的經(jīng)濟(jì)與技術(shù)特性，如穩(wěn)性、操縱性、快速性、載重量、造價(jià)等．在船舶設(shè)計(jì)過程中，確定主尺度是船型方案設(shè)計(jì)第一階段，是后續(xù)技術(shù)設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)．在對(duì)第三代風(fēng)電安裝船特點(diǎn)進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，搜集整理了目前世界范圍內(nèi)第三代風(fēng)電安裝船主尺度資料，分析了風(fēng)電安裝船各個(gè)主尺度對(duì)載重量敏感性的變化規(guī)律和特點(diǎn)．結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法回歸出了一套主尺度計(jì)算公式，并進(jìn)行了穩(wěn)定性驗(yàn)證，該公式可供船東選擇最佳船型尺度時(shí)和設(shè)計(jì)部門進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)或者進(jìn)行船型技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能論證時(shí)參考．

風(fēng)電安裝船；主尺度確定；回歸分析；敏感性；載重量

0 引 言

自1991年丹麥建成世界首個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)以來，海上風(fēng)電發(fā)展迅猛，截至2016年底，世界海上風(fēng)電總裝機(jī)容量已達(dá)14 384 MW[1]．與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電場(chǎng)安裝和維護(hù)環(huán)境更為復(fù)雜、技術(shù)要求更高、涉及層面更廣．最初的風(fēng)電安裝設(shè)備以起重船和自升式平臺(tái)為主，但在風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中，或出現(xiàn)了定位精度低、作業(yè)環(huán)境要求高，或出現(xiàn)了安裝效率低、靈活性較差等各種各樣的問題[2-3]．隨著對(duì)風(fēng)電安裝設(shè)備的研究，海上風(fēng)電領(lǐng)域逐漸出現(xiàn)了具備自升自航能力的第三代風(fēng)電安裝船．

不同風(fēng)電場(chǎng)、風(fēng)機(jī)廠商，風(fēng)機(jī)型號(hào)、尺寸等均存在著差異，因此風(fēng)電安裝船與集裝箱船相比，其貨物并不是標(biāo)準(zhǔn)的，還應(yīng)考慮貨物尺寸的變化以及最優(yōu)化等問題；風(fēng)電安裝船可供參照的母型船較少，沒有主尺度比的相關(guān)統(tǒng)計(jì)，亦沒有成型的關(guān)于主尺度的經(jīng)驗(yàn)公式或統(tǒng)計(jì)公式；尚沒有專門的規(guī)范和可靠的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法，這使得第三代風(fēng)電安裝船主尺度的確定具有相當(dāng)?shù)碾y度．目前，許多學(xué)者對(duì)化學(xué)品船、海監(jiān)船、漁政船、LNG船和浮吊船等做了主尺度分析與研究[4-7]，但至今還沒有學(xué)者對(duì)風(fēng)電安裝船的主尺度特點(diǎn)進(jìn)行研究．本文搜集50余艘風(fēng)電安裝船資料，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，得到風(fēng)電安裝船各個(gè)主尺度對(duì)載重量的敏感性指數(shù)，并基于最小二乘法，在滿足較高擬合優(yōu)度(R2較大)的前提下，回歸并篩選出一套風(fēng)電安裝船主尺度計(jì)算公式．

1 設(shè)計(jì)規(guī)范與設(shè)計(jì)特點(diǎn)

對(duì)自升自航式風(fēng)電安裝船的入級(jí)與檢驗(yàn)尚是一種挑戰(zhàn)．首先，該船以吊裝風(fēng)機(jī)為主要任務(wù)，是大型起重船；其次，它配備有樁腿升降系統(tǒng)，也是自升式平臺(tái)的一種；接下來，它需要運(yùn)輸風(fēng)機(jī)、葉片等，因此它又是布置型運(yùn)輸船；最后，隨著風(fēng)電場(chǎng)的深遠(yuǎn)?；?，對(duì)船上的人員住宿也提出了一定要求，以“GMS Enterprise”號(hào)風(fēng)電安裝船為例，其配備了465 m3的淡水艙，包括船員在內(nèi)的人員住宿多達(dá)150人[8]，所以它也屬于客貨船的范疇．盡管這些船都有了自己的設(shè)計(jì)規(guī)范和規(guī)則，但對(duì)風(fēng)電安裝船來說并不能簡(jiǎn)單地合并．因此，鑒于風(fēng)電安裝船歷史短、船型復(fù)雜、很多技術(shù)問題的研究尚待深入等問題，世界各國(guó)至今還沒有對(duì)其制定專門的規(guī)范．國(guó)外方面，DNV在2002年頒布了適用于自升自航式多功能海洋服務(wù)平臺(tái)的指南——Guidelines for Offshore Structural Reliability[9]；ABS制定了Guide for Building and Classing Liftboats[10]，并于2011年對(duì)風(fēng)電安裝船指定了專門的船體符號(hào)——IMR．國(guó)內(nèi)方面，2012年CCS發(fā)布了《海上風(fēng)機(jī)作業(yè)平臺(tái)指南》，目前該船型主要按照《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》[11]和《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》[12]對(duì)沿海航區(qū)的船舶和自升式平臺(tái)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)[13]．

設(shè)計(jì)一艘新船，要保證穩(wěn)性、操縱性、總布置等技術(shù)要求，要滿足船塢、碼頭等限制條件，還要優(yōu)化得到最佳的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)營(yíng)運(yùn)效益[14]．因此，分析確定風(fēng)電安裝船主尺度要素的限制條件，理清主尺度要素與船舶性能之間錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系至關(guān)重要．作為一種專門的海洋工程船，風(fēng)電安裝船特定的使用功能決定了其設(shè)計(jì)特點(diǎn)．沿船長(zhǎng)方向布置的風(fēng)機(jī)、塔架、葉片、直升機(jī)平臺(tái)、艙室等決定著船長(zhǎng)．其次確定船長(zhǎng)還要著重考慮對(duì)空船重量及造價(jià)的影響，要滿足快速性、操縱性以及浮力的需求等．不同于一般的運(yùn)輸船舶，風(fēng)電安裝船對(duì)穩(wěn)性、耐波性和總布置的要求較高，因此其型寬要比同尺度的貨船、油船等大很多．一般風(fēng)電安裝船對(duì)型深沒有特別苛刻的要求，但多數(shù)情況下，這種沿海工程船在波浪上的穩(wěn)性損失對(duì)安全極為不利，而干舷對(duì)保證最大復(fù)原力臂及穩(wěn)性消失角等有顯著作用，因此其型深也較大．吃水主要影響著浮力，由于風(fēng)電安裝船多呈箱形或駁船型船體，其吃水一般也就較小．

2 風(fēng)電安裝船主尺度回歸

2.1 風(fēng)電安裝船主尺度比范圍

通過分析50余艘風(fēng)電安裝船的統(tǒng)計(jì)資料可以發(fā)現(xiàn)其主要尺度比較接近．表1為目前世界各國(guó)已建、在建或設(shè)計(jì)完成的風(fēng)電安裝船主尺度比大致范圍，在已知風(fēng)電安裝船的某一項(xiàng)主尺度時(shí)可以用表1對(duì)其他主尺度進(jìn)行粗估．一般船長(zhǎng)較大的風(fēng)電安裝船的L/B、L/D、L/d都比較大，型寬較大的風(fēng)電安裝船B/D較大．

2.2 正態(tài)性評(píng)估

在進(jìn)行回歸分析之前，首先需要進(jìn)行數(shù)據(jù)正態(tài)性評(píng)估，使用SPSS軟件計(jì)算風(fēng)電安裝船船長(zhǎng)L、型寬B、型深D、吃水d、載重量Z統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的偏度和峰度如表2所示．

表1 風(fēng)電安裝船主尺度比范圍

表2 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的偏度、峰度

2.3 敏感性分析

考慮到風(fēng)電安裝船設(shè)計(jì)之初一般只會(huì)給出作業(yè)海域、所裝載風(fēng)機(jī)數(shù)量、續(xù)航力、人員住宿以及船舶設(shè)備、動(dòng)力裝置等，因此回歸時(shí)以載重量為出發(fā)點(diǎn)．參考文獻(xiàn)[16]所提出的相對(duì)敏感性分析方法，分別將船長(zhǎng)、型寬、型深、吃水指標(biāo)對(duì)載重量的敏感性進(jìn)行計(jì)算和分析，從而定性地探討出風(fēng)電安裝船各個(gè)主尺度與載重量關(guān)系的相對(duì)重要程度．

用載重量指標(biāo)Z來表征風(fēng)電安裝船的載重量，即載重量能力指數(shù)．它與船舶主尺度、總布置方案以及方形系數(shù)等其他因素有關(guān)．因此，可用下面的函數(shù)形式來表達(dá)Z：

Z=f(S,O)

(1)

式中：S表示風(fēng)電安裝船各個(gè)主尺度，O表示其他與風(fēng)電安裝船載重能力有關(guān)的船型系數(shù)或參數(shù)．

敏感性分析的目的是指從定量分析的角度，研究Z與S之間的變化規(guī)律．定義敏感性指數(shù)Sa如下：

(2)

式中：S*表示參考型船的主尺度，Z*為對(duì)應(yīng)的載重量．因此，敏感性指數(shù)Sa提供了一個(gè)衡量載重量因素與主尺度指標(biāo)之間相對(duì)重要程度的一種不確定分析技術(shù)，同時(shí)Sa絕對(duì)值的大小表示敏感性的大?。?/p>

本文選擇“MPI Resolution”號(hào)風(fēng)電安裝船作為基本參考船型，因其船型尺度適中，數(shù)據(jù)的可靠性有所保證，又因其為世界上第一艘風(fēng)電安裝船，具有一定的代表性．其主尺度要素如下[17]：船長(zhǎng)130 m，型寬38 m，型深8 m，吃水4.3 m，載重量4 875 t．

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行風(fēng)電安裝船主尺度與載重量敏感性指數(shù)計(jì)算與分析．圖1中橫軸表示不同風(fēng)電安裝船的載重量相較于參考船載重量的比值，縱軸表示不同風(fēng)電安裝船的船長(zhǎng)相較于參考船船長(zhǎng)的比值，圖中的斜率表示船長(zhǎng)對(duì)載重量的敏感性指數(shù)．

采用同樣的分析方法，可得到型寬、型深、吃水對(duì)載重量的敏感性如圖2～4所示．

圖1 船長(zhǎng)對(duì)載重量的敏感性

圖2 型寬對(duì)載重量的敏感性

通過比較風(fēng)電安裝船各個(gè)主尺度對(duì)載重量的敏感性，可以看出船長(zhǎng)對(duì)載重量的變化最為敏感，而型寬對(duì)載重量的敏感性最弱(如圖5所示)．這主要因?yàn)轱L(fēng)電安裝船型寬一般均較大，不同的風(fēng)電安裝船型寬的離散趨勢(shì)較弱，觀察統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其四分位距僅為4.8 m．

圖3 型深對(duì)載重量的敏感性

圖4 吃水對(duì)載重量的敏感性

圖5 風(fēng)電安裝船主尺度對(duì)載重量的敏感性比較分析

Fig.5 The comparative analysis of sensitivity of each principal dimension of wind power installation vessel to deadweight

2.4 單變量回歸分析

由于風(fēng)電安裝船船長(zhǎng)與載重量的關(guān)系最為密切，選定船長(zhǎng)和載重量作為回歸分析的出發(fā)點(diǎn)．各個(gè)參數(shù)的回歸結(jié)果如下(下式中長(zhǎng)度單位為m，載重量單位為t)，各關(guān)系曲線圖見圖6～10．

L與Z：

L=0.010 2Z+66.353；R2=0.95

(3)

(4)

圖6 船長(zhǎng)與載重量關(guān)系

B與L：

B=0.008 5L2-2.137 4L+173.74，

R2= 0.94；L>100

B=0.432 3L+3.808 3，R2=0.91；L≤100

(5)

圖7 型寬與船長(zhǎng)關(guān)系

D與L：

D=0.184 2L0.803 8；R2=0.95

(6)

圖8 型深與船長(zhǎng)關(guān)系

d與L：

d=0.031 3L+1.337 7；R2=0.94

(7)

圖9 吃水與船長(zhǎng)關(guān)系

d與D：

d= 0.044 1D3-1.210 7D2+11.179D-

29.28；R2=0.92

(8)

圖10 吃水與型深關(guān)系

分析上述散點(diǎn)圖，可以看到船長(zhǎng)的分布較為分散，但多集中在70～90 m和120～140 m；型寬分布相對(duì)較為集中，多在35～45 m，且與船舶的大小無必然聯(lián)系；而吃水多分布在3.5～4.0 m和5.5～6.0 m；從趨勢(shì)線上可以明顯看到大船的型深較大．

2.5 多元回歸

采用逐步回歸分析的方法并結(jié)合上述敏感度分析結(jié)果，還可得到以下多元回歸模型供設(shè)計(jì)開發(fā)人員參考．

Z與L、B、D、d：

Z= -4 657.35+64.47L-85.64B+730.233D-

136.75d；R2=0.96

(9)

Z與L、D：

Z= 1 375.47+123.1L-2 349.7D-2.5LD-

0.094L2+173.514D2；R2=0.96

(10)

3 回歸模型的可靠性驗(yàn)證實(shí)例

在使用上述回歸公式時(shí)，為便于掌握其誤差范圍，分別以“Innovation”“MPI Enterprise”“GMS Endeavour”3艘風(fēng)電安裝船以及大連理工大學(xué)為渤海船舶重工設(shè)計(jì)的風(fēng)電安裝船(渤船方案)為例，對(duì)上述回歸模型的回歸效果進(jìn)行檢驗(yàn)．其主要參數(shù)如表3所示．

表3 風(fēng)電安裝船參數(shù)指標(biāo)[8,17-18]

由表4可見，本文所提出的統(tǒng)計(jì)公式回歸結(jié)果的誤差基本都在10%左右的范圍內(nèi)，說明回歸效果較為顯著，回歸模型整體上較為合理，分析、整理出的回歸方程具有一定的針對(duì)性和代表性．

表4 模型回歸效果檢驗(yàn)

4 結(jié)論與建議

(1)風(fēng)電安裝船主尺度的確定屬于布置型船問題．為滿足特殊工程作業(yè)需要，一般風(fēng)電安裝船方形系數(shù)較大(0.6左右)，載重量系數(shù)較小(0.3左右)，弗勞德數(shù)多在0.10～0.20．

(2)風(fēng)電安裝船各個(gè)主尺度要素相互影響，擬定時(shí)要兼顧各種性能，選取適宜的主尺度比．隨著海上風(fēng)電的深遠(yuǎn)?；?，對(duì)風(fēng)電安裝船主尺度帶來的影響是一方面型寬和型深有所增大，另一方面可能會(huì)朝著雙甲板發(fā)展[19]．

(3)4艘風(fēng)電安裝船驗(yàn)證表明本文所提出的回歸公式的擬合效果較為明顯，應(yīng)用回歸分析法來研究風(fēng)電安裝船主尺度要素之間的規(guī)律是可行的．今后還可進(jìn)一步嘗試應(yīng)用多目標(biāo)規(guī)劃、神經(jīng)優(yōu)化等方法對(duì)其主尺度進(jìn)行研究[20-22]．

(4)影響主尺度要素的因素很多，統(tǒng)計(jì)公式的結(jié)果反映的只是平均值，比如盡管式(8)擬合效果較好，但對(duì)“MPI Enterprise”船的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值相比仍有一定偏差．因此在具體應(yīng)用過程中，可按照相近的母型船資料進(jìn)行適當(dāng)修正．

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Statisticalanalysisofprincipaldimensionsofwindpowerinstallationvessel

WANG Chunlei1, LIN Yan*1,2, YE Chao1, XIE Lidong1

( 1.School of Naval Architecture & Ocean Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China； 2.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China )

The ship′s principal dimensions determine the economic and technical characteristics of the ship, such as stability, maneuverability, speed, deadweight, cost and so on. In the process of ship design, it is confirmed that the determination of principal dimension is the first stage of ship design,and it is an important foundation for the follow-up technical design. The characteristics of wind power installation vessels (Generation Ⅲ) are analyzed theoretically, and worldwide information about principal dimensions data of wind power installation vessels at present is collected and sorted. The sensitivity of each principal dimension to deadweight is analyzed. A new solution to hull principal dimensions is regressed based on statistics and practical experience, and its reliability is tested and proven. It can be used as a reference when doing project design by designers or selecting the optimal principal dimensions by shipowners. In addition, it can also help to carry out technical economic performance discussion.

wind power installation vessel; determination of principal dimensions; regression analysis; sensibility; deadweight

1000-8608(2017)05-0482-06

2016-12-05；

2017-07-26．

海洋可再生能源專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(QDME2013ZB01)；工業(yè)和信息化部高技術(shù)船舶科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(工信部聯(lián)裝[2014]498號(hào))；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015B090904010，2016B090918092).

王春雷(1992-)，男，碩士生，E-mail:wang_chunlei@aliyun.com；林 焰*(1963-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail:linyanly@dlut.edu.cn.

U674.2

A

10.7511/dllgxb201705007