艦船戰(zhàn)損生命力實(shí)時(shí)計(jì)算方法及軟件開(kāi)發(fā)研究

劉金林 曾凡明 李彥強(qiáng)

（海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院1） 武漢 430033）（海軍裝備技術(shù)研究所2） 北京 102442）

隨著現(xiàn)代精確制導(dǎo)武器的廣泛應(yīng)用，艦船遭受攻擊而破損進(jìn)水的概率大大增加，其船體系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、電子系統(tǒng)等均將受到不同程度的損傷，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)驗(yàn)橥耆珕适?chǔ)備浮力而沉沒(méi)，或因穩(wěn)性不足而傾覆［1-2］.本文旨在充分分析國(guó)內(nèi)外艦船戰(zhàn)損生命力計(jì)算評(píng)估現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，研究適應(yīng)于艦船戰(zhàn)損條件下的快速計(jì)算評(píng)估方法，開(kāi)發(fā)艦船戰(zhàn)損條件下生命力計(jì)算評(píng)估軟件.

1 浮穩(wěn)性參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算方法研究

艦船戰(zhàn)損浮穩(wěn)性參數(shù)計(jì)算方法主要有確定性方法和概率方法［3］：確定性方法是指艦船在破損前的環(huán)境參數(shù)及自身狀態(tài)（包括破損前的浮穩(wěn)性參數(shù)、破損進(jìn)水艙室和進(jìn)水量的大小）均是確定的，并根據(jù)這些確定參數(shù)計(jì)算艦船破損進(jìn)水后的浮穩(wěn)性參數(shù)的計(jì)算方法；概率方法是根據(jù)大量碰撞、擱淺事故形成的船舶海損統(tǒng)計(jì)資料的基礎(chǔ)上建立的計(jì)算船舶殘存能力的方法.由于艦船戰(zhàn)損條件下的浮穩(wěn)性參數(shù)計(jì)算的實(shí)時(shí)性和快速性的要求，確定性方法顯然是適用的計(jì)算方法.確定性方法計(jì)算艦船戰(zhàn)損浮穩(wěn)性參數(shù)又包含增加重量法和損失浮力法［4］，損失浮力法由于其計(jì)算的準(zhǔn)確性和便利性而得到了廣泛的應(yīng)用，也是本文將采用的計(jì)算方法.根據(jù)破損艙進(jìn)水的特征，可將破損艙分為三類(lèi)，三種類(lèi)型的進(jìn)水艙室由于其進(jìn)水量的大小及特點(diǎn)均不相同，因此采用的計(jì)算方法也是不同的.

在一般情況下，破損進(jìn)水將同時(shí)引起傾斜與傾差，如果進(jìn)水量不超過(guò)艦艇排水量的15%，稱(chēng)為小艙進(jìn)水.在單個(gè)小艙破損進(jìn)水情況下，可作兩個(gè)基本假設(shè)：假設(shè)傾斜角θ與傾差角φ互相獨(dú)立；艦艇橫傾時(shí)，縱傾保持不變；縱傾時(shí)橫傾保持不變.

由于在艦船實(shí)際戰(zhàn)損條件下，可能同時(shí)出現(xiàn)3種類(lèi)型的艙室破損或者是其中的某幾種，因此在計(jì)算的過(guò)程中需要考慮通用的計(jì)算公式，式（1）～式（22）為同時(shí)有3類(lèi)艙室進(jìn)水時(shí)的計(jì)算公式，

式中：V為進(jìn)水總?cè)莘e；Vi為第i個(gè)艙的進(jìn)水容積；xv和xvi分別為等效容積中心橫坐標(biāo)及第i個(gè)進(jìn)水艙室容積中心橫坐標(biāo)；yV和yVi分別為等效容積中心縱坐標(biāo)及第i個(gè)進(jìn)水艙室容積中心縱坐標(biāo)；zV和zVi分別為等效容積中心豎坐標(biāo)及第i個(gè)進(jìn)水艙室容積中心豎坐標(biāo)；s為所有第三類(lèi)進(jìn)水艙室的等效損失水線面積；si為第i個(gè)第三類(lèi)進(jìn)水艙室損失水線面積；xs為等效損失面積中心橫坐標(biāo)；ys為等效損失面積中心橫坐標(biāo)；S為原水線面積；xsi為第i個(gè)第三類(lèi)進(jìn)水艙室損失水線面積中心橫坐標(biāo)；ysi為第i個(gè)第3類(lèi)進(jìn)水艙室損失水線面積中心縱坐標(biāo)，其中求和表達(dá)式中若只有1類(lèi)求和表達(dá)式的下標(biāo)只取1，有1類(lèi)和2類(lèi)取2，3類(lèi)都有取3.

吃水變化：

水線面有效面積中心橫坐標(biāo)：

水線面有效面積中心橫坐標(biāo)：

水線面損失慣性矩：

初橫穩(wěn)度變化：

初縱穩(wěn)度變化：

新橫穩(wěn)度：

新縱穩(wěn)度：

傾斜角變化：

傾差角變化：

首吃水變化：

新的首吃水：

尾吃水變化：

新的尾吃水：

2 戰(zhàn)損等級(jí)評(píng)定方法研究

依據(jù)《艦船生命力大綱》，參考文獻(xiàn)［5-8］，本文對(duì)艦船主要分系統(tǒng)及總體的損傷等級(jí)作如下定義，見(jiàn)表1～表4.

表1 船體損傷等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

表2 動(dòng)力系統(tǒng)損傷評(píng)估準(zhǔn)則

表3 電力系統(tǒng)損傷評(píng)估準(zhǔn)則

3 生命力實(shí)時(shí)計(jì)算軟件研究

3.1 功能設(shè)計(jì)

艦船戰(zhàn)損實(shí)時(shí)生命力計(jì)算軟件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船在戰(zhàn)損條件下的各個(gè)分系統(tǒng)及總體的損傷評(píng)估功能，其功能結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.

表4 艦船總體損傷等級(jí)評(píng)定準(zhǔn)則

3.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

圖2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)艦船戰(zhàn)損生命力實(shí)時(shí)計(jì)算軟件的需求，本文設(shè)計(jì)了如圖2所示的軟件結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)由下至上共分為6層結(jié)構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā)：系統(tǒng)支撐層、核心功能層、地理信息層、損傷分析層、輸入輸出層和系統(tǒng)界面層.

1）系統(tǒng)支撐層 系統(tǒng)支撐層主要包括系統(tǒng)硬件支撐、操作系統(tǒng)環(huán)境支撐和系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其中系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用Visual Studio.Net 2005 CJHJ，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)采用SQL Server 2005.

2）核心功能層 核心功能層主要包括用戶(hù)管理、數(shù)據(jù)管理、地理信息系統(tǒng)及其接口管理、類(lèi)庫(kù)管理、相關(guān)算法及函數(shù)管理，是系統(tǒng)的核心功能模塊.

3）地理信息管理 地理信息管理主要通過(guò)地理信息系統(tǒng)引擎Arc Gis Engine與.Net的接口調(diào)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)損艦船地理位置的標(biāo)注、顯示和管理.

4）損傷評(píng)估分析 損傷評(píng)估分析主要根據(jù)設(shè)定的攻擊武器及擊中部位，對(duì)艦船各個(gè)分系統(tǒng)損傷情況及艦船總體的損傷情況進(jìn)行評(píng)估，其中分系統(tǒng)主要包括船體、動(dòng)力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等分系統(tǒng)，同時(shí)在對(duì)各個(gè)分系統(tǒng)進(jìn)行損傷評(píng)估分析的基礎(chǔ)上，對(duì)艦船總體的損傷情況進(jìn)行評(píng)估.

5）系統(tǒng)輸入輸出 系統(tǒng)輸入主要包括型號(hào)數(shù)據(jù)、港區(qū)海區(qū)碼頭數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、破損艙室數(shù)據(jù)和攻擊武器數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出主要包括艦船分系統(tǒng)損傷數(shù)據(jù)、艦船總體損傷數(shù)據(jù)、損傷日志和xml格式輸出數(shù)據(jù)等內(nèi)容.

6）界面層 界面層主要為用戶(hù)提供實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊功能的界面，從而實(shí)現(xiàn)信息輸入、損傷分析評(píng)估、地理信息顯示及信息輸出的功能.

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)主要包含六個(gè)方面的內(nèi)容：型號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)、艙室破損浮穩(wěn)性計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)、海區(qū)港區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)、攻擊武器數(shù)據(jù)庫(kù)、損傷數(shù)據(jù)庫(kù)及用戶(hù)數(shù)據(jù)庫(kù).其中型號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)、艙室破損浮穩(wěn)性計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)、海區(qū)港區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)及攻擊武器數(shù)據(jù)庫(kù)為系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)必須輸入以上部分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容才能正常運(yùn)行，損傷數(shù)據(jù)庫(kù)為系統(tǒng)輸出內(nèi)容，用戶(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)是進(jìn)行安全使用和權(quán)限管理的支撐數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3.

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)

3.4 主要算法實(shí)現(xiàn)

軟件的主要算法包括艦船戰(zhàn)損浮穩(wěn)性參數(shù)計(jì)算、分系統(tǒng)損傷等級(jí)評(píng)定和艦船總體損傷等級(jí)評(píng)定等內(nèi)容，具體計(jì)算方法按照前文的論述進(jìn)行，其中在進(jìn)行艦船戰(zhàn)損浮穩(wěn)性參數(shù)的計(jì)算過(guò)程中需要從系統(tǒng)型號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)和損傷數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取破損艙室及類(lèi)型、艙室諸元及艦船浮穩(wěn)性參數(shù)等數(shù)據(jù)，如計(jì)算艦船戰(zhàn)損傾斜傾差角的源代碼等.

4 軟件原型系統(tǒng)

按照前文所設(shè)計(jì)的軟件結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)了《艦船戰(zhàn)損生命力實(shí)時(shí)計(jì)算軟件》原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了艦船分系統(tǒng)損傷分析評(píng)估、艦船綜合損傷評(píng)估、系統(tǒng)數(shù)據(jù)錄入及維護(hù)、地理信息顯示、數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)安全管理及系統(tǒng)權(quán)限管理等方面的功能.

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文的研究，為艦船戰(zhàn)損生命力實(shí)時(shí)計(jì)算提供了通用的計(jì)算方法和軟件平臺(tái)，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)損艦船浮穩(wěn)性參數(shù)快速準(zhǔn)確的計(jì)算及艦船損傷等級(jí)評(píng)定，為決策制定搶修決策方案提供科學(xué)的依據(jù)，同時(shí)艦船戰(zhàn)損生命力實(shí)時(shí)計(jì)算軟件可作為艦船損管監(jiān)控系統(tǒng)模塊的開(kāi)發(fā)提供一定的參考，具有重要的理論意義和軍事意義.

［1］浦金云，金 濤，邱金水，等.艦船生命力［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

［2］LEE D，LEE J Y，LEE K H.A study of conventional military submarine on the decision-aid system for damage survivability of convention military submarine［J］.Naval Engineers Journal，2002，114：21-30.

［3］胡麗芬.艦船抗沉輔助決策系統(tǒng)研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2010.

［4］孔慶福，曾凡明，吳家明.艦艇浮穩(wěn)性保持與優(yōu)化計(jì)算機(jī)輔助決策系統(tǒng)［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2006，28（1）：22-26.

［5］LEE D，LEE S，PARK B，et al.A study on the framework for survivability assessment for system of damaged ships［J］.Oceaning Engineering，2005，32：1122-1132.

［6］許 勇，金 濤.基于模糊綜合評(píng)判的艦艇推進(jìn)系統(tǒng)生命力評(píng)估［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2007，29（5）：56-59.

［7］崔魯寧，浦金云，劉玲艷.艦船戰(zhàn)損評(píng)估分析方法研究［J］.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，18（9）：136-140.

［8］李紅江，魯宗相，朱凌志，等.艦船電力系統(tǒng)生命力評(píng)估研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2007，31（3）：533-536.