船舶耐波性衡準(zhǔn)及其評(píng)價(jià)方法淺析

熊文海，毛筱菲，李毓江

（1.青島遠(yuǎn)洋船員學(xué)院，山東 青島266071；2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢430063；3.長(zhǎng)江海事局 船員考試中心，武漢430016）

船舶耐波性衡準(zhǔn)及其評(píng)價(jià)方法是船舶設(shè)計(jì)和航海人員及海事管理部門(mén)都十分重視的研究課題。尋找使用方便且行之有效的船舶耐波性評(píng)價(jià)方法與衡準(zhǔn)也一直是船舶耐波性研究人員所追求的目的之一。但由于船舶耐波性問(wèn)題的復(fù)雜性，迄今尚無(wú)統(tǒng)一的耐波性衡準(zhǔn)指標(biāo)，船舶耐波性評(píng)價(jià)方法也多種多樣。因此，深入了解以往研究所用的各種評(píng)估方法及其研究成果，對(duì)于進(jìn)一步完善船舶耐波性及其評(píng)價(jià)方法的研究，找到更加方便、合理、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)方法，減少船舶在風(fēng)浪中發(fā)生危險(xiǎn)的可能性，無(wú)疑具有重大的意義。

1 評(píng)價(jià)內(nèi)容

船舶耐波性衡準(zhǔn)是指在船舶受到波浪擾動(dòng)而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的影響下，人員、船體或船舶上的系統(tǒng)（設(shè)備）能否進(jìn)行作業(yè)、完成任務(wù)的極限指標(biāo)［1］。船舶耐波性是由許多基本的耐波性因素所決定，通常包括六自由度的運(yùn)動(dòng)、線(xiàn)（角）速度及線(xiàn)（角）加速度，以及諸如甲板上浪、螺旋槳出水、船首砰擊等耐波性事件和暈船率等。由于船舶耐波性衡準(zhǔn)同船舶的任務(wù)、人員的素質(zhì)及系統(tǒng)（設(shè)備）的功能有著直接聯(lián)系，不同的任務(wù)要求不同的系統(tǒng)（設(shè)備）正常有效地工作。因此，很難對(duì)每一耐波性因素做出一個(gè)絕對(duì)統(tǒng)一的衡準(zhǔn)，一般情況下船舶耐波性衡準(zhǔn)的設(shè)置主要考慮船舶安全性、作戰(zhàn)或作業(yè)使用性、適居性三個(gè)方面的因素。在考慮了以上三方面因素的情況下，不同的組織、不同的學(xué)者對(duì)耐波性衡準(zhǔn)有不同的建議。

1）中國(guó)船舶科學(xué)研究中心提出的耐波性衡準(zhǔn)見(jiàn)表1［2］。

表1 中國(guó)船舶科學(xué)研究中心耐波性衡準(zhǔn)

2）北歐合作研究計(jì)劃對(duì)船舶耐波性進(jìn)行了綜合考察，提出了預(yù)報(bào)船舶作業(yè)特性的基本耐波性衡準(zhǔn)，見(jiàn)表2。

表2 北歐合作研究計(jì)劃耐波性衡準(zhǔn)

3）對(duì)于商船的耐波性衡準(zhǔn)，Karppinen作了比較全面深入的研究，提出了一般作業(yè)的耐波性衡準(zhǔn)，見(jiàn)表3。

表3 商船一般作業(yè)的耐波性衡準(zhǔn)

2 評(píng)價(jià)方法

船舶耐波性的優(yōu)劣直接關(guān)系到船舶的適居性、航行使用性和安全性，已成為衡量現(xiàn)代化船舶航行性能的重要標(biāo)準(zhǔn)之一［3］。目前國(guó)際上常用的船舶耐波性評(píng)價(jià)方法有五種。

1）以作業(yè)時(shí)間百分?jǐn)?shù)作為耐波性評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)評(píng)估船舶的耐波性［2］。

作業(yè)時(shí)間百分?jǐn)?shù)是船舶在規(guī)定的裝載及環(huán)境條件下執(zhí)行任務(wù)時(shí)成功的作業(yè)的時(shí)間百分?jǐn)?shù)；即：作業(yè)時(shí)間百分?jǐn)?shù)＝海浪中可完成任務(wù)的時(shí)間／靜水中可完成任務(wù)的時(shí)間。在某一特定航速浪向作業(yè)時(shí)間百分?jǐn)?shù)預(yù)報(bào)的基本步驟為：

（1）由試驗(yàn)或計(jì)算得到各種響應(yīng)在整個(gè)有關(guān)頻率范圍的頻率響應(yīng)函數(shù)；

（2）就一系列譜峰周期的波浪譜計(jì)算響應(yīng)的均方根值，譜峰周期應(yīng)覆蓋整個(gè)周期范圍；

（3）選定響應(yīng)的極限衡準(zhǔn)值，就每當(dāng)波浪周期計(jì)算出極限有義波高；

（4）計(jì)算每當(dāng)波浪周期的作業(yè)時(shí)間和最后求出在整個(gè)海域的作業(yè)時(shí)間。

作業(yè)時(shí)間百分?jǐn)?shù)是直觀而明確的量化指標(biāo)，不僅是體現(xiàn)耐波性品質(zhì)的綜合指標(biāo)，而且可以同經(jīng)濟(jì)分析相聯(lián)系，從而對(duì)船舶的效益（作戰(zhàn)能力、運(yùn)輸效率等）作出全面的評(píng)價(jià)，因此是船舶營(yíng)運(yùn)決策及設(shè)計(jì)的一個(gè)重要依據(jù)。

2）利用船舶的主要參數(shù)表達(dá)船舶的耐波性。

由于通過(guò)各種模擬計(jì)算得到的船舶耐波性特征值有一定誤差，而通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法獲得船舶耐波性特征值要耗費(fèi)較多的人力、物力和財(cái)力，一些學(xué)者試圖尋找船舶主要參數(shù)與耐波性的關(guān)系。貝爾斯通過(guò)研究驅(qū)逐船舶型和耐波性特征量之間關(guān)系，把反映耐波性能優(yōu)劣的“耐波性品級(jí)”與船型的幾何特征用簡(jiǎn)明的數(shù)學(xué)關(guān)系式直接聯(lián)系起來(lái)，既可以評(píng)價(jià)船舶的耐波性，又可據(jù)此優(yōu)選最佳耐波性的船型取消。貝爾斯認(rèn)為，船舶耐波性指數(shù)R與以下8種耐波性特征量相聯(lián)系：縱搖、垂蕩、在0站和20站的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、3站處的砰擊、0站處的垂向絕對(duì)加速度和垂蕩加速度、20站的垂向絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。在經(jīng)過(guò)深入分析后，確定最有影響的水下參數(shù)有6個(gè)：舯前水線(xiàn)面系數(shù)Cwf、舯后水線(xiàn)面系數(shù)Cwa，吃水與船長(zhǎng)比T／L，截至比C／L，舯前棱形系數(shù)Cvpf、舯后棱形系數(shù)Cvpa；船舶耐波性指數(shù)R與上述各參數(shù)間存在簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系。經(jīng)過(guò)對(duì)20艘有代表性的船舶的計(jì)算分析，回歸得到：

雖然這種方法簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，但是其分析的過(guò)程不清晰，只能用作理論估計(jì)分析使用，不能用于實(shí)際的船舶耐波性評(píng)估。

3）用航行記錄儀記錄船舶在風(fēng)浪中的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)評(píng)估船舶的耐波性。

日本東京商船大學(xué)與日本郵船株式會(huì)社進(jìn)行了合作，從1990年開(kāi)始，通過(guò)在一艘日本——北美——東南亞航線(xiàn)的集裝箱船上安裝航行資料自動(dòng)記錄系統(tǒng)，得到了大量的關(guān)于船舶在不同裝載狀態(tài)、不同航行狀態(tài)、不同的風(fēng)、浪條件作用下的船舶運(yùn)動(dòng)特征量響應(yīng)值的實(shí)際資料。這些資料包括：時(shí)間、船位、航向、航速、波高、升沉、橫搖角、縱搖角、船首上下加速度、縱蕩加速度、垂蕩加速度的平均值、最大值和平均周期，以及相對(duì)風(fēng)向、風(fēng)速的平均值和絕對(duì)風(fēng)向、風(fēng)速的平均值，共計(jì)26項(xiàng)內(nèi)容。然后利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的理論對(duì)這些實(shí)際風(fēng)浪中船舶運(yùn)動(dòng)特征量的分析，得到了許多真實(shí)而且重要的結(jié)論，如有義波高與各船舶運(yùn)動(dòng)特征量的相關(guān)系數(shù)、有義波高與縱搖角的關(guān)系、有義波高與橫搖角的關(guān)系、各船舶運(yùn)動(dòng)特征量的平均值與最大值的相互關(guān)系、波高與航速的關(guān)系、波高與航速及各船舶運(yùn)動(dòng)特征量的相關(guān)系數(shù)等。雖然這種方法準(zhǔn)確可靠，但是成本太高，實(shí)現(xiàn)的難度太大。

4）建立綜合的耐波性方程來(lái)評(píng)估大風(fēng)浪中船舶的安全性。

筆者在考慮了耐波性的諸方面后，確定出每一個(gè)因素的臨界狀態(tài)值，然后提出船舶耐波性的評(píng)估方程，以此來(lái)評(píng)估船舶在風(fēng)浪中的安全性［4-5］。

式中：Rx——某海況下，以某浪向角和航速航行的安全性評(píng)估值，Rx越大，則表明在此浪向角和航速下越安全.在進(jìn)行評(píng)估前要對(duì)給定的浪向角及航速進(jìn)行穩(wěn)性計(jì)算，若穩(wěn)性不滿(mǎn)足要求，則Rx＝0；

Pi——根據(jù)實(shí)際波譜或譜計(jì)算公式求出的當(dāng)前航向航速下的各響應(yīng)幅值或出現(xiàn)的概率；

P′i——給出的各響應(yīng)幅值或概率允許出現(xiàn)的衡準(zhǔn)；

n——評(píng)估所需要考慮的因素個(gè)數(shù)；

Xi——權(quán)系數(shù)，其取值反映各響應(yīng)對(duì)安全性的影響程度，根據(jù)船舶的性能、使命、任務(wù)等而定。

應(yīng)用這種方法，顯然較僅僅通過(guò)某些單項(xiàng)指標(biāo)來(lái)評(píng)估船舶在大風(fēng)浪中的安全性更為全面。但是，到目前為止，各種模擬計(jì)算都無(wú)法確切地真實(shí)反映船舶的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因此，所得到的各耐波性因素的響應(yīng)值或出現(xiàn)概率也就有或大或小的誤差。

5）船舶耐波性模糊綜合評(píng)價(jià)方法。

隨著模糊綜合評(píng)價(jià)方法［6］的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者已正在將模糊綜合評(píng)價(jià)技術(shù)應(yīng)用到船舶耐波性綜合評(píng)價(jià)上來(lái)，他們主要依據(jù)船舶耐波性的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或利用理論計(jì)算、圖譜預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)，在研究評(píng)價(jià)船舶耐波性指標(biāo)的基礎(chǔ)上，利用模糊綜合評(píng)判理論［7］將船舶耐波性綜合評(píng)價(jià)問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄿?zhǔn)則系統(tǒng)評(píng)價(jià)問(wèn)題，建立一種綜合評(píng)價(jià)船舶耐波性的方法——船舶耐波性模糊綜合評(píng)判法。

（1）因素集的建立。因素集是影響評(píng)判對(duì)象的各種因素所組成的一個(gè)集合：

（2）建立權(quán)重集。在因素集中，各因素的重要程度是不一樣的。為了反映各因素的重要程度，對(duì)各因素由各權(quán)數(shù)組成的一個(gè)權(quán)重集a＝｛a1，a2，…，an｝。

（3）建立評(píng)價(jià)集。評(píng)價(jià)集是評(píng)判者對(duì)評(píng)判對(duì)象可能作出的各種總的評(píng)判結(jié)果所組成。

（4）建立模糊隸屬度矩陣。將各船的實(shí)際指標(biāo)值，代入相應(yīng)的隸屬函數(shù)中，即可得到單指標(biāo)評(píng)價(jià)向量，并將其組合在一起，得到模糊隸屬度矩陣R。

（5）模糊綜合評(píng)判。采用合適的模糊算子，得到評(píng)價(jià)的模糊集。然后，用反模糊化方法，得出一個(gè)清晰的評(píng)價(jià)值。

此方法可行性較大。但隸屬度函數(shù)的建立和各指標(biāo)權(quán)重的獲取都基于經(jīng)驗(yàn)和大量的調(diào)查工作，而且建立科學(xué)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系較困難。因此，欲使此方法真正能夠得以推廣使用，要做大量更為細(xì)致的工作。

綜上所述，由于船舶耐波性評(píng)價(jià)涉及到諸多因素的影響，而且不同類(lèi)型的船舶所要求達(dá)到的目的也不盡一樣，故而評(píng)價(jià)方法也各不相同，總體來(lái)說(shuō)方法4）和5）是從系統(tǒng)論的角度來(lái)分析和解決船舶耐波性安全問(wèn)題的，這兩種方法具有前面三種方法所不具備的系統(tǒng)特性，而這對(duì)所有船舶來(lái)講都是至關(guān)重要的，而且方法4）和5）具有很強(qiáng)的操作性，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真來(lái)模擬、分析船舶耐波性的好壞，具有系統(tǒng)、精確和易變化的特點(diǎn)，是今后船舶耐波性評(píng)價(jià)及分析的重要方法。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于船舶耐波性問(wèn)題的復(fù)雜性，要想建立一種科學(xué)的公認(rèn)的船舶耐波性評(píng)價(jià)方法比較困難，還需要做大量的研究工作，解決一些關(guān)鍵問(wèn)題，主要有：

1）建立科學(xué)全面的船舶耐波性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和相應(yīng)衡準(zhǔn)指標(biāo)，這是船舶耐波性評(píng)價(jià)的前提。

2）詳細(xì)真實(shí)記錄實(shí)船運(yùn)動(dòng)狀況，建立船舶耐波性數(shù)據(jù)庫(kù)。這是建立評(píng)價(jià)模型的基礎(chǔ)，也是驗(yàn)證評(píng)價(jià)方法是否正確實(shí)用的最有效依據(jù)。實(shí)船測(cè)記資料的分析和應(yīng)用，對(duì)描述船舶在風(fēng)浪中的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有著重大的意義。但是，獲得這種實(shí)際資料的成本實(shí)在太大，若要獲得各種不同船型的實(shí)際資料，各研究單位應(yīng)加強(qiáng)合作。

3）進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)船舶耐波性評(píng)價(jià)方法所需要的數(shù)學(xué)模型及數(shù)學(xué)工具的開(kāi)發(fā)研究。

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［2］戴仁元，金輔華，秦鑫泉.船舶耐波性評(píng)估方法與衡準(zhǔn)，船舶耐波性專(zhuān)輯［J］.中國(guó)造船（增刊）：1991.

［3］吳秀恒.船舶操縱性與耐波性［M］.北京：人民交通出版社，1999.

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