客船概率論破艙穩(wěn)性計(jì)算簡(jiǎn)化研究

陳后寶 必維船級(jí)社（中國(guó)）有限公司

湯斌 招商重工（江蘇）有限公司

船舶穩(wěn)性是船舶重要性能，是船舶營(yíng)運(yùn)的前提條件。概率論破艙計(jì)算是穩(wěn)性計(jì)算中最復(fù)雜的部分，尤其是在客船穩(wěn)性計(jì)算中。相較于貨船，客船分艙更為復(fù)雜，需要考慮A級(jí)艙壁破損和橫貫進(jìn)水的影響。客船的分艙多，尤其是A級(jí)艙壁多的情況下破損工況多，概率論破艙計(jì)算需要數(shù)天甚至數(shù)周的時(shí)間。這給船舶設(shè)計(jì)，審圖工作和船廠交船都帶來了困難。在緊張的交船計(jì)劃下，如果不能在有限時(shí)間內(nèi)完成交船文件，船廠往往面臨因交船延期而產(chǎn)生的每天幾萬美金的罰款。本文對(duì)客船概率論破艙穩(wěn)性計(jì)算中復(fù)雜的主要因素進(jìn)行了分析，并給出了可行的簡(jiǎn)化方案。

1.客船概率論破艙穩(wěn)性計(jì)算綜述與進(jìn)展

概率論破艙穩(wěn)性計(jì)算是船舶破艙穩(wěn)性計(jì)算的一種重要方式。區(qū)別于就船舶確定性破艙穩(wěn)性計(jì)算方式，概率論破艙穩(wěn)性計(jì)算不關(guān)心某個(gè)或某些破損工況是否生存，而是對(duì)所有可能破損的情況整體生存概率有要求。滿足船舶的破艙穩(wěn)性需要實(shí)際達(dá)到的總的分艙指數(shù)A大于要求的分艙指數(shù)R，同時(shí)對(duì)每個(gè)吃水下的分艙指數(shù)也有相應(yīng)的要求。對(duì)客船而言，每個(gè)吃水下的分艙指數(shù)A要求不小于0.9 R。貨船每個(gè)吃水下的分艙指數(shù)A只需要不小于0.5 R即可?？梢钥闯鰧?duì)客船的要求比貨船的要求高很多。

概率論破艙穩(wěn)性是根據(jù)1974 年國(guó)際海上人命安全公約的要求進(jìn)行計(jì)算的。隨著時(shí)間的推移和海損事故的經(jīng)驗(yàn)積累，破艙穩(wěn)性計(jì)算也在不斷的更新。最近兩次大的更新生效日期是在2020 年1月1日和2009年1月1日。2020年1月1日生效的更新主要是針對(duì)客船的要求的分艙指數(shù)R 提高了要求。與SOLAS2009相比，SOLAS2020要求的分艙指數(shù)R 只是船上總?cè)藬?shù)的函數(shù)，與船長(zhǎng)沒有關(guān)系。參見圖1 客船要求的分艙指數(shù)R 比較SOLAS2009以及SOLAS2020，在SOLAS2009 R計(jì)算中，船長(zhǎng)假定為200米。2009年1月1日生效的更新將吃水由兩個(gè)（最深分艙載重線，部分分艙載重線）增加到三個(gè)（最深分艙載重線，部分分艙載重線和輕載載重線）。

圖1 客船要求的分艙指數(shù)R比較SOLAS2009 以及 SOLAS2020

客船概率論破艙穩(wěn)性計(jì)算繁雜，需要考慮的內(nèi)容眾多。歸結(jié)起來，包括基本艙室的定義，模型的建立；各種開口的定義和關(guān)聯(lián)；應(yīng)急逃生通道定義；A級(jí)艙壁艙壁的定義和橫貫進(jìn)水關(guān)聯(lián)等。

本文基于穩(wěn)性計(jì)算軟件NAPA詳細(xì)的計(jì)算了某型極地探險(xiǎn)郵輪(主尺度參見表1，側(cè)視照片參見圖2，主甲板及以下分區(qū)劃分（27個(gè)分區(qū)）參見圖3)概率論破艙穩(wěn)性。對(duì)A級(jí)艙壁和橫貫進(jìn)水簡(jiǎn)化前后的破損工況數(shù)量和計(jì)算時(shí)間進(jìn)行了比較，并對(duì)A級(jí)艙壁和橫貫進(jìn)水同時(shí)存在復(fù)雜情況時(shí)進(jìn)行了探討。

表1 極地探險(xiǎn)郵輪的主要參數(shù)

圖2 極地探險(xiǎn)郵輪側(cè)視照片

2.客船概率論破艙穩(wěn)性計(jì)算流程

（1）模型建立 DAMHULL。

（2）艙室劃分，其中U型艙需要考慮分開定義。

（3）開口定義分內(nèi)部和外部開口。

（4）應(yīng)急逃生通道定義。

（5）艙室關(guān)聯(lián)定義，包括三種，直接關(guān)聯(lián)，A級(jí)艙壁關(guān)聯(lián)，橫貫進(jìn)水關(guān)聯(lián)。

（6）初始工況定義。

（7）破艙分區(qū)，艙壁定義，縱艙壁和平臺(tái)，破損艙室生成。

（8）計(jì)算，參數(shù)選擇，選取非連續(xù)進(jìn)水NOPROGR。

3.客船概率論破艙穩(wěn)性中復(fù)雜因素分析

3.1 分區(qū)多導(dǎo)致生成的破艙組合多

分區(qū)是指根據(jù)船舶艙室的布置情況沿船長(zhǎng)方向劃分為多個(gè)區(qū)（對(duì)應(yīng)于主要的橫向水密艙壁），是概率論破艙穩(wěn)性計(jì)算中計(jì)算破損概率的基礎(chǔ)。結(jié)合縱向水密艙壁以及水密甲板，可以將分區(qū)范圍約束在一個(gè)空間內(nèi)。破損將依據(jù)某個(gè)空間或者某幾個(gè)空間破損計(jì)算。

分區(qū)的多少是概率論破艙計(jì)算的復(fù)雜程度的決定因素。隨著分區(qū)數(shù)量的增加，破損組合和計(jì)算量將級(jí)數(shù)式增加。因?yàn)殡S著分區(qū)的細(xì)化，必須增加多區(qū)計(jì)算才能提高達(dá)到的分艙指數(shù)A。

3.2 A 級(jí)艙壁多導(dǎo)致生成的破艙組合多

A 級(jí)艙壁指的是A 級(jí)防火艙壁。這種艙壁通常需要為鋼制艙壁或者等效材質(zhì)制作的艙壁，但無水密要求。然而A 級(jí)艙壁艙壁對(duì)水有一定時(shí)間的阻擋能力，所以在破艙計(jì)算中需要考慮該艙壁破損前和破損后的兩種情況。這正是生成的破艙組合多重要原因。如果有10個(gè)A級(jí)艙壁不間斷的關(guān)聯(lián)在一起，那么將會(huì)有210即1024個(gè)破損工況。而且只要這些艙室中的任一艙室破損都會(huì)使得這1024個(gè)破損工況遍歷計(jì)算一次，總的計(jì)算工況數(shù)量將是個(gè)天文數(shù)學(xué)，可達(dá)十萬，甚至百萬量級(jí)。這會(huì)使得計(jì)算時(shí)間很長(zhǎng)，可達(dá)數(shù)日甚至數(shù)周時(shí)間，造成資源浪費(fèi)。

3.3 橫貫進(jìn)水考慮

橫貫進(jìn)水是指通過管道，或結(jié)構(gòu)通道將左右兩側(cè)的艙室連接在一起，當(dāng)單側(cè)艙室發(fā)生破損進(jìn)水后可以通過管道或結(jié)構(gòu)通道連續(xù)進(jìn)水到另外一側(cè)。有時(shí)通過在縱艙壁上開孔安裝進(jìn)水艙蓋也可以達(dá)到橫貫進(jìn)水的效果。參見圖3，客船三種典型的橫貫進(jìn)水布置。橫貫進(jìn)水的作用是減小不平衡進(jìn)水帶來的橫傾影響，減小破艙平衡狀態(tài)的橫傾角，從而滿足SOLAS公約對(duì)最終平衡狀態(tài)的橫傾角要求。當(dāng)然，只有及時(shí)快速的進(jìn)行橫貫進(jìn)水才能達(dá)到及時(shí)平衡的效果。SOLAS公約對(duì)平衡進(jìn)水有時(shí)間上限制和要求。

圖3 極地探險(xiǎn)郵輪主甲板及以下分區(qū)劃分（27個(gè)分區(qū)）

1分鐘內(nèi)的平衡（橫貫進(jìn)水完成）認(rèn)為是瞬時(shí)進(jìn)水，沒有附加的穩(wěn)性要求。超過1分鐘的橫貫進(jìn)水需要計(jì)算1分鐘時(shí)的船舶狀態(tài)，并能滿足中間狀態(tài)的穩(wěn)性指標(biāo)。橫貫進(jìn)水完成后的最終狀態(tài)需要滿足最終狀態(tài)的穩(wěn)性指標(biāo)。超過10分鐘的橫貫進(jìn)水除了計(jì)算1分鐘和最終狀態(tài)之外，還需要計(jì)算10分鐘時(shí)的狀態(tài)并能滿足最終狀態(tài)的穩(wěn)性指標(biāo)。橫貫進(jìn)水只要在單側(cè)艙室發(fā)生進(jìn)水后就需要判斷水線會(huì)不會(huì)超出橫貫裝置，進(jìn)而進(jìn)行計(jì)算。橫貫進(jìn)水計(jì)算是根據(jù)海安會(huì)MSC.362(92)決議要求，本身計(jì)算量比較大。如果橫貫裝置多，其計(jì)算量會(huì)很大。所以簡(jiǎn)化橫貫進(jìn)水裝置是必要的。

3.4 A級(jí)艙壁和橫貫進(jìn)水同時(shí)存在的情況

當(dāng)A 級(jí)艙壁和橫貫進(jìn)水一起時(shí)如何處理。當(dāng)研究的破損區(qū)域中A級(jí)艙壁和橫貫進(jìn)水同時(shí)存在時(shí)，該如何考慮破損組合。參見圖4，A 級(jí)艙壁和橫貫進(jìn)水同時(shí)存在的典型情況。圖中綠實(shí)線為水密艙壁，紅實(shí)線為A級(jí)艙壁。A級(jí)艙壁上安裝了進(jìn)水艙蓋FF。進(jìn)水艙蓋FF既可以保證艙壁的A級(jí)防火分隔，又可以在小的水壓作用下自行開啟，達(dá)到橫貫進(jìn)水的目的。

圖4 客船三種典型的橫貫進(jìn)水布置

究竟是先橫貫進(jìn)水還是先A 級(jí)艙壁破損目前是爭(zhēng)議的話題，尚無定論，這取決于橫貫進(jìn)水的時(shí)間和A級(jí)艙壁抵抗水壓的能力?？梢源_定的是，如果橫貫進(jìn)水是瞬時(shí)進(jìn)水，那么可以將左右兩個(gè)艙室合在一起作為一個(gè)艙室。在NAPA中根據(jù)A級(jí)艙壁的考慮方式采取了不同的破損組合的生成方式。當(dāng)A級(jí)艙壁破損作為獨(dú)立的破損工況時(shí)，將優(yōu)先考慮A級(jí)艙壁破損，再考慮橫貫進(jìn)水。當(dāng)A級(jí)艙壁破損作為中間過程的的破損組合時(shí)，將優(yōu)先考慮橫貫進(jìn)水，再考慮A級(jí)艙壁破損。實(shí)際校核中，為確保安全，兩種情況都需要考慮。

4.客船概率論破艙穩(wěn)性計(jì)算簡(jiǎn)化方法

4.1 減少分區(qū)數(shù)量

根據(jù)以上理論以及例子，減少分區(qū)的數(shù)量可以有效的降低計(jì)算數(shù)量，從而能提高計(jì)算效率。此方法可以用在前期進(jìn)行船舶初始設(shè)計(jì)穩(wěn)性指標(biāo)評(píng)估階段。采用此方式能縮短評(píng)估周期。

4.2 減少A級(jí)艙壁數(shù)量

A級(jí)艙壁多導(dǎo)致生成的破艙組合多，在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，可以通過減少A級(jí)艙壁數(shù)量進(jìn)行簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化A級(jí)艙壁通常有以下方式：

——橫向A級(jí)艙壁可以通過分區(qū)來實(shí)現(xiàn)

——小范圍和密集A級(jí)艙壁可以合并考慮

——中心區(qū)域A級(jí)艙壁可以合起來作為一個(gè)艙室，主要針對(duì)A級(jí)艙壁甲板。

——打破A級(jí)艙壁關(guān)聯(lián)鏈條，使破損工況生成終止。

4.3 橫貫進(jìn)水簡(jiǎn)化

圖5 A級(jí)艙壁和橫貫進(jìn)水同時(shí)存在的典型情況

如果能確保在所有的破損工況下某個(gè)橫貫進(jìn)水都是瞬時(shí)進(jìn)水，即1分鐘內(nèi)的平衡，那么這個(gè)橫貫進(jìn)水可以不予考慮，直接將左右兩個(gè)艙室合起來建成一個(gè)艙室，可以省計(jì)算橫貫進(jìn)水的時(shí)間。當(dāng)然要對(duì)所有破損工況校核是不現(xiàn)實(shí)的，只需要選取最不利橫貫進(jìn)水的工況進(jìn)行校核即可，如果在最不利情況下能驗(yàn)證是瞬時(shí)進(jìn)水，那么其他情況進(jìn)水時(shí)間更短，必然是瞬時(shí)進(jìn)水。選取最小吃水，即輕載載重線dl作為初始工況，選取包含該橫貫進(jìn)水一側(cè)的艙室為破損工況，有時(shí)可以選取幾個(gè)組合進(jìn)行驗(yàn)證。

5.客船概率論破艙穩(wěn)性計(jì)算簡(jiǎn)化結(jié)果

5.1 分區(qū)簡(jiǎn)化前后破損工況數(shù)量和計(jì)算時(shí)間對(duì)比分析

基于極地探險(xiǎn)郵輪分艙布置，筆者進(jìn)行了細(xì)化分區(qū)27個(gè)區(qū)和簡(jiǎn)化分區(qū)14 個(gè)區(qū)的計(jì)算。保持A 級(jí)艙壁和橫貫進(jìn)水定義不變，只簡(jiǎn)化分區(qū)。計(jì)算用I ntel 酷睿i7-7700 CPU，可以7核并行計(jì)算。參見表2分區(qū)簡(jiǎn)化前后破損工況計(jì)算時(shí)間和結(jié)果（A 級(jí)艙壁破損作為中間過程破損，不作為獨(dú)立破損工況）和表3分區(qū)簡(jiǎn)化前后破損工況計(jì)算時(shí)間和結(jié)果（A 級(jí)艙壁破損作為獨(dú)立破損工況）

表2 分區(qū)簡(jiǎn)化前后破損工況計(jì)算時(shí)間和結(jié)果

表3 分區(qū)簡(jiǎn)化前后破損工況計(jì)算時(shí)間和結(jié)果

考慮到本船的要求的分艙指數(shù)R為0.68904，簡(jiǎn)化為14個(gè)區(qū)的方案不能采用。然而，由表2和表3分區(qū)簡(jiǎn)化前后的對(duì)比可以得到如下結(jié)論：簡(jiǎn)化分區(qū)可以大大減少生成的破損工況數(shù)量和計(jì)算時(shí)間。

5.2 A級(jí)艙壁和橫貫進(jìn)水?dāng)?shù)量對(duì)破損工況數(shù)量和計(jì)算時(shí)間對(duì)比分析

為了研究A級(jí)艙壁和橫貫進(jìn)水?dāng)?shù)量對(duì)破損工況數(shù)量和計(jì)算時(shí)間的影響，在保持相同分區(qū)，不同數(shù)量的A級(jí)艙壁和橫貫進(jìn)水情況下，得到破損工況計(jì)算時(shí)間和結(jié)果。計(jì)算用Intel酷睿i7-7700CPU，可以7核并行計(jì)算。參見表4A級(jí)艙壁和橫貫進(jìn)水簡(jiǎn)化前后破損工況數(shù)量和計(jì)算時(shí)間（14個(gè)區(qū)，A 級(jí)艙壁破損作為中間過程破損，不作為獨(dú)立破損工況）和表5 A級(jí)艙壁和橫貫進(jìn)水簡(jiǎn)化前后破損工況數(shù)量和計(jì)算時(shí)間（27個(gè)區(qū)，A 級(jí)艙壁破損作為中間過程破損，不作為獨(dú)立破損工況）。

需要澄清一點(diǎn)，以上的A級(jí)艙壁和橫貫進(jìn)水?dāng)?shù)量數(shù)量并不是實(shí)際意義上的簡(jiǎn)化，只是單純數(shù)量的減少。其目的為了得到A級(jí)艙壁和橫貫進(jìn)水?dāng)?shù)量對(duì)破損工況數(shù)量和計(jì)算時(shí)間的影響。所以計(jì)算結(jié)果A并沒有實(shí)際意義。實(shí)際的簡(jiǎn)化必須遵循4中所述的簡(jiǎn)化方法，保證不影響計(jì)算結(jié)果的前提下簡(jiǎn)化。然而，由表4和表5A級(jí)艙壁和橫貫進(jìn)水簡(jiǎn)化前后的對(duì)比可以得到如下結(jié)論：簡(jiǎn)化A級(jí)艙壁和橫貫進(jìn)水可以大大減少生成的破損工況數(shù)量和計(jì)算時(shí)間。

表4 A級(jí)艙壁和橫貫進(jìn)水簡(jiǎn)化前后破損工況數(shù)量和計(jì)算時(shí)間

表5 A級(jí)艙壁和橫貫進(jìn)水簡(jiǎn)化前后破損工況數(shù)量和計(jì)算時(shí)間

5.3 極地探險(xiǎn)郵輪最終簡(jiǎn)化結(jié)果和計(jì)算時(shí)間

極地探險(xiǎn)郵輪的初始A 級(jí)艙壁為24對(duì)，包括12對(duì)縱向艙壁，10對(duì)橫向艙壁和2 對(duì)A 級(jí)艙壁甲板。橫貫進(jìn)水為23對(duì)，包括7對(duì)管道，8對(duì)U型艙室，4對(duì)結(jié)構(gòu)通道和4對(duì)進(jìn)水艙蓋。按照4前文中所述的簡(jiǎn)化原則，中心區(qū)域的1對(duì)A級(jí)艙壁甲板上下艙室合并；小范圍密集A 級(jí)艙壁合并；最終A級(jí)艙壁簡(jiǎn)化為19對(duì)。8對(duì)U型艙室其中5 對(duì)驗(yàn)證為瞬時(shí)進(jìn)水。橫貫進(jìn)水可以簡(jiǎn)化為18對(duì)。最終實(shí)際計(jì)算中橫貫進(jìn)水用的是簡(jiǎn)化之前的23對(duì)。參見表6 極地探險(xiǎn)郵輪最終計(jì)算破損工況數(shù)量和計(jì)算時(shí)間。

表6 極地探險(xiǎn)郵輪最終計(jì)算破損工況數(shù)量和計(jì)算時(shí)間

在概率論破艙穩(wěn)性計(jì)算的基礎(chǔ)上，還需要計(jì)算VLINE，即由所有有生存概率貢獻(xiàn)的工況匯總而成的極限平衡水線位置及極限橫搖水線位置。其作用是確認(rèn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)壓頭，還可以給無保護(hù)開口，風(fēng)雨密開口的位置范圍提供依據(jù)。其計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)短取決于概率論破艙穩(wěn)性計(jì)算的復(fù)雜程度。目前VLINE在NAPA中還不能并行計(jì)算，只能單核運(yùn)行。如果概率論破艙穩(wěn)性計(jì)算復(fù)雜，那么計(jì)算時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)。極地探險(xiǎn)郵輪最終VLINE計(jì)算大致15天左右。這進(jìn)一步說明概率論破艙穩(wěn)性計(jì)算簡(jiǎn)化的必要性。

6.結(jié)論和展望

客船概率論破艙計(jì)算是穩(wěn)性計(jì)算中最為復(fù)雜的部分，簡(jiǎn)化分區(qū)，A級(jí)艙壁和橫貫進(jìn)水可以大大減少生成的破損工況數(shù)量和計(jì)算時(shí)間，是客船概率論破艙計(jì)算中最為有效的簡(jiǎn)化方式。