船舶耐波性衡準及其評價方法淺析

熊文海，毛筱菲，李毓江

（1.青島遠洋船員學院，山東 青島266071；2.武漢理工大學 交通學院，武漢430063；3.長江海事局 船員考試中心，武漢430016）

船舶耐波性衡準及其評價方法是船舶設計和航海人員及海事管理部門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價方法與衡準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題的復雜性，迄今尚無統一的耐波性衡準指標，船舶耐波性評價方法也多種多樣。因此，深入了解以往研究所用的各種評估方法及其研究成果，對于進一步完善船舶耐波性及其評價方法的研究，找到更加方便、合理、準確的評價方法，減少船舶在風浪中發生危險的可能性，無疑具有重大的意義。

1 評價內容

船舶耐波性衡準是指在船舶受到波浪擾動而產生運動的影響下，人員、船體或船舶上的系統（設備）能否進行作業、完成任務的極限指標［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動、線（角）速度及線（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同船舶的任務、人員的素質及系統（設備）的功能有著直接聯系，不同的任務要求不同的系統（設備）正常有效地工作。因此，很難對每一耐波性因素做出一個絕對統一的衡準，一般情況下船舶耐波性衡準的設置主要考慮船舶安全性、作戰或作業使用性、適居性三個方面的因素。在考慮了以上三方面因素的情況下，不同的組織、不同的學者對耐波性衡準有不同的建議。

1）中國船舶科學研究中心提出的耐波性衡準見表1［2］。

表1 中國船舶科學研究中心耐波性衡準

2）北歐合作研究計劃對船舶耐波性進行了綜合考察，提出了預報船舶作業特性的基本耐波性衡準，見表2。

表2 北歐合作研究計劃耐波性衡準

3）對于商船的耐波性衡準，Karppinen作了比較全面深入的研究，提出了一般作業的耐波性衡準，見表3。

表3 商船一般作業的耐波性衡準

2 評價方法

船舶耐波性的優劣直接關系到船舶的適居性、航行使用性和安全性，已成為衡量現代化船舶航行性能的重要標準之一［3］。目前國際上常用的船舶耐波性評價方法有五種。

1）以作業時間百分數作為耐波性評價指標來評估船舶的耐波性［2］。

作業時間百分數是船舶在規定的裝載及環境條件下執行任務時成功的作業的時間百分數；即：作業時間百分數＝海浪中可完成任務的時間／靜水中可完成任務的時間。在某一特定航速浪向作業時間百分數預報的基本步驟為：

（1）由試驗或計算得到各種響應在整個有關頻率范圍的頻率響應函數；

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

（3）選定響應的極限衡準值，就每當波浪周期計算出極限有義波高；

（4）計算每當波浪周期的作業時間和最后求出在整個海域的作業時間。

作業時間百分數是直觀而明確的量化指標，不僅是體現耐波性品質的綜合指標，而且可以同經濟分析相聯系，從而對船舶的效益（作戰能力、運輸效率等）作出全面的評價，因此是船舶營運決策及設計的一個重要依據。

2）利用船舶的主要參數表達船舶的耐波性。

由于通過各種模擬計算得到的船舶耐波性特征值有一定誤差，而通過實驗方法獲得船舶耐波性特征值要耗費較多的人力、物力和財力，一些學者試圖尋找船舶主要參數與耐波性的關系。貝爾斯通過研究驅逐船舶型和耐波性特征量之間關系，把反映耐波性能優劣的“耐波性品級”與船型的幾何特征用簡明的數學關系式直接聯系起來，既可以評價船舶的耐波性，又可據此優選最佳耐波性的船型取消。貝爾斯認為，船舶耐波性指數R與以下8種耐波性特征量相聯系：縱搖、垂蕩、在0站和20站的相對運動、3站處的砰擊、0站處的垂向絕對加速度和垂蕩加速度、20站的垂向絕對運動。在經過深入分析后，確定最有影響的水下參數有6個：舯前水線面系數Cwf、舯后水線面系數Cwa，吃水與船長比T／L，截至比C／L，舯前棱形系數Cvpf、舯后棱形系數Cvpa；船舶耐波性指數R與上述各參數間存在簡單的線性關系。經過對20艘有代表性的船舶的計算分析，回歸得到：

雖然這種方法簡單、經濟、實用，但是其分析的過程不清晰，只能用作理論估計分析使用，不能用于實際的船舶耐波性評估。

3）用航行記錄儀記錄船舶在風浪中的實際運動狀態來評估船舶的耐波性。

日本東京商船大學與日本郵船株式會社進行了合作，從1990年開始，通過在一艘日本——北美——東南亞航線的集裝箱船上安裝航行資料自動記錄系統，得到了大量的關于船舶在不同裝載狀態、不同航行狀態、不同的風、浪條件作用下的船舶運動特征量響應值的實際資料。這些資料包括：時間、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，以及相對風向、風速的平均值和絕對風向、風速的平均值，共計26項內容。然后利用統計學的理論對這些實際風浪中船舶運動特征量的分析，得到了許多真實而且重要的結論，如有義波高與各船舶運動特征量的相關系數、有義波高與縱搖角的關系、有義波高與橫搖角的關系、各船舶運動特征量的平均值與最大值的相互關系、波高與航速的關系、波高與航速及各船舶運動特征量的相關系數等。雖然這種方法準確可靠，但是成本太高，實現的難度太大。

4）建立綜合的耐波性方程來評估大風浪中船舶的安全性。

筆者在考慮了耐波性的諸方面后，確定出每一個因素的臨界狀態值，然后提出船舶耐波性的評估方程，以此來評估船舶在風浪中的安全性［4-5］。

式中：Rx——某海況下，以某浪向角和航速航行的安全性評估值，Rx越大，則表明在此浪向角和航速下越安全.在進行評估前要對給定的浪向角及航速進行穩性計算，若穩性不滿足要求，則Rx＝0；

Pi——根據實際波譜或譜計算公式求出的當前航向航速下的各響應幅值或出現的概率；

P′i——給出的各響應幅值或概率允許出現的衡準；

n——評估所需要考慮的因素個數；

Xi——權系數，其取值反映各響應對安全性的影響程度，根據船舶的性能、使命、任務等而定。

應用這種方法，顯然較僅僅通過某些單項指標來評估船舶在大風浪中的安全性更為全面。但是，到目前為止，各種模擬計算都無法確切地真實反映船舶的實際運動狀態。因此，所得到的各耐波性因素的響應值或出現概率也就有或大或小的誤差。

5）船舶耐波性模糊綜合評價方法。

隨著模糊綜合評價方法［6］的發展和廣泛應用，國內外一些學者已正在將模糊綜合評價技術應用到船舶耐波性綜合評價上來，他們主要依據船舶耐波性的實測數據或利用理論計算、圖譜預報的數據，在研究評價船舶耐波性指標的基礎上，利用模糊綜合評判理論［7］將船舶耐波性綜合評價問題轉變為多準則系統評價問題，建立一種綜合評價船舶耐波性的方法——船舶耐波性模糊綜合評判法。

（1）因素集的建立。因素集是影響評判對象的各種因素所組成的一個集合：

（2）建立權重集。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，對各因素由各權數組成的一個權重集a＝｛a1，a2，…，an｝。

（3）建立評價集。評價集是評判者對評判對象可能作出的各種總的評判結果所組成。

（4）建立模糊隸屬度矩陣。將各船的實際指標值，代入相應的隸屬函數中，即可得到單指標評價向量，并將其組合在一起，得到模糊隸屬度矩陣R。

（5）模糊綜合評判。采用合適的模糊算子，得到評價的模糊集。然后，用反模糊化方法，得出一個清晰的評價值。

此方法可行性較大。但隸屬度函數的建立和各指標權重的獲取都基于經驗和大量的調查工作，而且建立科學的評價指標體系較困難。因此，欲使此方法真正能夠得以推廣使用，要做大量更為細致的工作。

綜上所述，由于船舶耐波性評價涉及到諸多因素的影響，而且不同類型的船舶所要求達到的目的也不盡一樣，故而評價方法也各不相同，總體來說方法4）和5）是從系統論的角度來分析和解決船舶耐波性安全問題的，這兩種方法具有前面三種方法所不具備的系統特性，而這對所有船舶來講都是至關重要的，而且方法4）和5）具有很強的操作性，可以通過計算機仿真來模擬、分析船舶耐波性的好壞，具有系統、精確和易變化的特點，是今后船舶耐波性評價及分析的重要方法。

3 結束語

由于船舶耐波性問題的復雜性，要想建立一種科學的公認的船舶耐波性評價方法比較困難，還需要做大量的研究工作，解決一些關鍵問題，主要有：

1）建立科學全面的船舶耐波性綜合評價指標體系和相應衡準指標，這是船舶耐波性評價的前提。

2）詳細真實記錄實船運動狀況，建立船舶耐波性數據庫。這是建立評價模型的基礎，也是驗證評價方法是否正確實用的最有效依據。實船測記資料的分析和應用，對描述船舶在風浪中的實際運動狀態有著重大的意義。但是，獲得這種實際資料的成本實在太大，若要獲得各種不同船型的實際資料，各研究單位應加強合作。

3）進一步加強對船舶耐波性評價方法所需要的數學模型及數學工具的開發研究。

［1］王鳳武，吳兆麟.船舶耐波性與船舶航速［J］.世界海運，2003（3）：1-3.

［2］戴仁元，金輔華，秦鑫泉.船舶耐波性評估方法與衡準，船舶耐波性專輯［J］.中國造船（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.

［4］王云天，古文賢.大風浪中漁船的安全性評估［J］.大連水產學院學報，1996（3）：15-22.

［5］熊文海.船舶耐波性評價及其在航海安全中的應用［D］.武漢：武漢理工大學，2004.

［6］劉 暢，朱仁慶.船舶耐波性模糊優化方法研究［J］.華東船舶工業學院學報，2002（6）：12-17.

［7］徐昌文.模糊數學在船舶工程中的應用［M］.北京：國防工業出版社，1992.