驅逐艦耐波性與人因中暈動癥相關性分析

熊虎，盧曉平

海軍工程大學艦船工程系，湖北武漢430033

驅逐艦耐波性與人因中暈動癥相關性分析

熊虎，盧曉平

海軍工程大學艦船工程系，湖北武漢430033

艦船耐波性不僅是衡量艦船總體性能的重要指標，也對艦船上人員暈動癥的發生有直接影響，因此，良好的耐波性設計是保障艦員舒適度和績效的基礎。采用切片法理論編寫耐波性計算程序，對DTMB 5415標模進行耐波性計算，得到在迎浪中不同航速下船艏、重心處的垂向加速度響應，分析DTMB 5415標模對應的驅逐艦升沉運動時垂向加速度對人因中暈動癥造成的影響，給出驅逐艦耐波性與人因中暈動癥的數值關系。結果表明：船艏和重心處垂向加速度理論計算結果正確，準確度滿足暈動癥預報的要求；計算所得暈動癥發生率規律合理，可作為驅逐艦船型暈動癥發生率分析和預報，以及人因改善的資料。

耐波性；切片法；人因工程學；暈動癥；驅逐艦

0 引 言

隨著艦船自動化程度的不斷提升，艦員編制數量持續減少，人因工程學的運用成為驅逐艦設計過程中不可分割的一部分。其重要性體現在2個方面：一是人因工程學的合理運用為減少艦員數量，提高艦船自動化程度創造了條件；二是人因工程學的充分應用能直接提高艦員績效，從而提升艦船的安全性及綜合作戰能力。據統計，約80%的災難、事故、過失和失敗歸因于人的因素（即“人因”）［1］。

在海軍艦船的設計和使用中，與人因聯系最為密切的是艦船耐波性。人因的研究與艦船耐波性研究的關系大致可以表述為：耐波性研究是人因研究的重要基礎和一個方面，而人因工程研究和人因問題的解決是耐波性研究的深入和主要應用目標之一。要深入和有效地開展海軍艦船的設計和使用中人因的研究，必須具備堅實的耐波性研究基礎。

當前耐波性的研究方法主要有船模試驗法、CFD方法和理論計算方法［2］。船模試驗方法受到船模尺寸、流場擾動、測量精度、人為因素的限制，并且試驗方法還需要耗費大量的人力、物力與財力，通過試驗方法獲取耐波性結果并不總是令人滿意。近年來，CFD方法發展迅速，但由于船舶耐波性問題屬于變化物面、帶自由表面的非線性流動問題，船體搖擺運動、入射波運動、船舶航行和搖擺興波等各種運動及其受力的疊加耦合極其復雜，使得CFD在解決耐波性問題時精度不夠、耗時巨大，難以獲取理想的結果。勢流理論計算方法主要有切片法、二維半方法和三維方法［3］。三維方法由于計算復雜且精度較二維方法并沒有顯著的提升，沒有得到廣泛應用；二維半方法是一種適于計算艦船高速運動時耐波性的方法，最近幾年得到了廣泛應用，計算結果較為準確；切片法是一種二維方法，經過半個世紀的發展，切片理論已成為耐波性的基本理論之一，常規的切片理論適于預報細長型艦船在斜浪中六個自由度的運動［4］。無論是模型試驗方法、CFD方法，還是切片法、二維半方法和三維方法，國內耐波性的研究尚未發展到考量艦船設計和使用中人因問題的新層次，極少見到艦船耐波性與艦船人因指標相關性的研究。在國外，這方面的研究早見端倪，至今已初顯規模。

本文擬在耐波性切片法計算的基礎上，針對大型驅逐艦標模DTMB 5415開展耐波性與人因中暈動癥關系的研究，得出暈動癥與垂向加速度的相關性，以及改進船型和耐波性設計對降低暈動癥發生率的重要性。

1 人因中的暈動癥

1.1 暈動癥的概述

暈動癥是由最近存儲線索與實際垂向線索之間的感官沖突或不匹配造成的。按照慣例，在海洋環境中，認為暈動癥最主要的組成因素是船舶垂向運動（垂蕩、縱搖和橫搖的垂直分量），因為船舶其他的線性運動和角運動對暈動癥的影響通常較小［5］。

1.2 暈動癥發生率經驗公式

2006年2～3月，國外開展了一項研究，127 m長的三體渡輪Benchijigua Express號（圖1）在加那利群島（Canary Islands）之間的公海進行了多次2 h運輸作業。該船應用運動傳感器和船用雷達儀器提供海況信息。近2 000名乘客填寫了詳細的調查表。據報道，由于波高和航向的原因，60%～90%的乘客至少有一些暈動癥的癥狀。筆者所在課題組曾在某預研項目中對高速三體船的適航性進行過系統、深入的研究，研究結果表明，等排水量的單體船相對于三體船的適航性、橫搖穩性都會差一些。因此，在相同的航態和排水量條件下，常規單體驅逐艦上艦員出現暈動病癥狀的人數比例不會低于國外對127 m三體船研究所得的結果。在國外127 m三體船的研究中，作為暈動癥評估問卷（MSAQ）的項目，胃腸道癥狀的反應程度與被測試人員的航海次數成反比；在該項試驗中，被試人員有著不同的航海經歷，有些具有多次航海經驗（多于9班次），有些具有一定的航海經驗（2～8班次），也有一些缺乏航海經驗的（0～1班次），不同航海頻次乘員構成的被試組正可以用于分析得出暈動癥反應程度與航海次數的相關性。另外，在暈動癥評估問卷中，黑暗的夜晚乘船旅行者比早晨（可以見到地平線時）及白天乘船旅行者得分高［6］，即患暈動癥的概率大。

圖1 澳大利亞建造的三體船Fig.1 Australian-built trimaran Benchijigua Express

通過研究志愿受試者發現，大多數暈動癥發生在船舶運動頻率為0.125～0.25 Hz時。暈動癥的發生率隨加速度和遭受船舶運動時間的增加而增加。通常用于衡量暈動癥的指標是暈動癥發生率（Motion Sickness Incidence，MSI），這也是受試人員遭受船舶運動后的嘔吐百分比［6］。

受試者坐在一個封閉、明亮的空調實驗室中，經歷2 h的單向正弦垂直加速度。選擇2 h的時限，是因為暈動癥發生率在持續一段時間后（經過一段時日，人們通常會適應船舶運動）不再增加。注意，這里不考慮縱搖和橫搖。如果增加升沉分量可以預期到，則由非純升沉加速度所導致的暈動癥發生率超過預估值。利用國外該類項目實驗測試數據和結果，McCauley等［7］得出了預測暈動癥發生率的估算公式：

式中：MSI為暈動癥發生率，按艦員遭受2 h船舶運動后的嘔吐概率定義；Φ為高斯分布概率密度的累積值，即高斯概率密度函數的不定積分，其表達式為

式中，z為標準正態變量。

式（1）中，Na，Nt′為與船體在波浪中升沉運動的垂向加速度a、頻率f和時間歷程t相關的物理量，其估算公式為：

式中：a為垂直加速度的有義值，g；t為測試對象遭受的時間歷程，min；f為船體在波浪中的升沉運動頻率，Hz。當為正值時，Φ通過查閱數學手冊確定，或由式（2）計算得到；當Na和為負值時，Φ由以下關系計算得到：

Colwell認為，暈動癥發生率簡化公式的計算結果與McCauley所得的數據相符，即平均誤差不超過1%、標準偏差不超過6%［8］。

2 規則波中的標模暈動癥發生率計算

2.1 規則波中縱搖與垂蕩運動

由于艦船暈動癥最主要的原因是船舶的垂向運動，通常迎浪時的垂向運動最為劇烈，故可以認為，若艦船在迎浪狀態滿足垂向運動數值范圍，則其他浪向總能滿足要求。一般在艏樓常有較大的加速度，因此，根據STF方法，通過編程計算標模DTMB 5415在迎浪中不同航速下艏部和重心處的垂向絕對加速度響應［9］。假設重心在自由液面處。

建立固連于船的坐標系o-xyz。其原點o在船重心G上，xGy平面平行于靜止時的載重水線面，Gx軸正向指向船艏，xGz平面在船的縱中剖面上，Gz垂直向上，坐標系與船一起移動和振蕩。垂蕩和縱搖的耦合方程可表示為

式中：m為排水質量；z為垂蕩運動值；I為縱搖慣性矩；θ為縱搖角；A11為垂向附加質量；A22為縱搖附加慣性矩；A12為垂蕩與縱搖耦合系數；A21為縱搖與垂蕩耦合系數；B11為垂蕩阻尼力系數；B22為縱搖阻尼力系數；B12為垂蕩與縱搖阻尼耦合力系數；B21為縱搖與垂蕩阻尼耦合力系數；C11為垂蕩復原力系數；C22為縱搖復原力系數；C12為垂蕩與縱搖復原力耦合系數；C21為縱搖與垂蕩復原力耦合系數；Fc，Fs分別為擾動力系數的實部和虛部；Mc，Ms分別為力矩系數的實部和虛部；ωe為遭遇頻率；t為遭受船舶運動的時間。

由式（6）可得：

在上述方法的計算程序中，波幅取ζa=1，計算za和θa，解出艦模升沉、縱搖的頻率響應，進而得出切片的絕對垂向加速度

艦模的遭遇頻率為

式中：ω為波浪圓頻率；g為重力加速度；v為航速，m/s；β為浪向角。

航行狀態分別取傅汝德數Fr=0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7和0.8，浪向角β=180°（迎浪），計算標模DTMB 5415船艏和重心處的垂向加速度，所得值分別如圖2和圖3所示。圖中，H13為有義波高。

圖2 船艏垂向加速度Fig.2 Vertical acceleration of DTMB 5415 at the bow

圖3 重心處垂向加速度Fig.3 Vertical acceleration of DTMB 5415 at the center of gravity

國內對各類艦船垂向加速度值的理論計算、試驗研究、數值模擬研究已很廣泛。為驗證利用以上方法計算垂向加速度值的準確性和有效性，將DTMB 5415艏部與文獻［9］中給出的驅逐艦艏部垂向加速度值進行了對比，如圖4所示。

圖4 船艏垂向加速度對比Fig.4 The contrast of vertical acceleration at the bow

圖4中對DTMB 5415在Fr=0.2，0.3，0.4和0.5與文獻［9］所給驅逐艦Fr=0.263，0.351，0.409和0.468的艏部垂向加速度進行了對比。文獻［9］中驅逐艦船型與DTMB 5415船型同屬方艉驅逐艦船型，且船型參數與傅汝德數接近，其垂向加速度特性大致相當，具有可比性。由圖4可知，兩驅逐艦的垂向加速度曲線趨勢較為一致，數值上大致吻合，其吻合程度已足以說明本文垂向加速度計算方法的正確性和有效性。當然，由于DTMB 5415為國外典型驅逐艦船型，文獻［9］中所給驅逐艦為國內早期船型，二者的垂向加速度值存在偏差也在情理和預期之中。對于國外典型驅逐艦DTMB5415的耐波性模型試驗和更詳細的理論計算方法，作者正在研究之中，這些工作可進一步驗證本文計算方法及結果的正確性和有效性。

2.2 暈動癥與垂向加速度關系的計算與分析

根據1.2節給出的暈動癥發生率計算公式及2.1節中的相關計算結果，可計算出所求驅逐艦標模DTMB 5415對應的驅逐艦在各航態下相應運動頻率的暈動癥發生率，這里給出一個算例。

算例：根據驅逐艦標模DTMB 5415，計算對應的驅逐艦在典型有義波高典型航速（巡航速度附近）Fr=0.28時，船艏處的暈動癥發生率。

當Fr=0.28時，由圖2可知船艏處的垂向加速度值為0.282g。上文已確定大多數暈動癥發生在船舶運動頻率為0.125～0.25 Hz之間，這里取運動頻率0.15 Hz進行計算，步驟如下：

1）將數據代入式（3），可得Na1=0.673；

2）將其代入式（4），人員遭受船舶運動的時間取2 h，可得Nt1′=1.995；

3）查閱標準正態分布表，可得

Φ（Na1）=0.56，Φ（Nt1′）=0.91

4）將以上數據代入式（1），得到MSI1= 50.96，即暈動癥發生率為50.96%。

重復上述步驟，計算得到各有義波高下相應運動頻率和航速的暈動癥發生率。標模DTMB 5415對應的驅逐艦暈動癥發生率如表1所示，相應的三維視圖如圖5所示。

由圖5可知，在大多數航態下，DTMB 5415對應的驅逐艦暈動癥發生率均較低。由于我國驅逐艦排水量較美國“阿利·伯克”級驅逐艦小，在波浪中的搖擺運動（含垂向運動加速度）會更大，初步預期國內驅逐艦暈動癥發生率會比上述針對美國“阿利·伯克”級驅逐艦所得結果更高。國內驅逐艦，從艦船耐波性的角度優化船型或采取其他改善耐波性的設計和運營措施，降低驅逐艦的垂向加速度值，從而減弱暈動癥發生的主要因素，減少暈動癥對驅逐艦整體性能的影響十分必要，對進一步提高國內驅逐艦的作戰性能和人因指標均有重要意義。

表1 DTMB 5415對應的驅逐艦暈動癥發生率Table 1 DTMB 5415 corresponding destroyer motion sickness incidence

圖5 DTMB 5415對應的驅逐艦暈動癥發生率Fig.5 DTMB 5415 corresponding destroyer motion sickness incidence

2.3 結果驗證

這里結合Piscopo等［10］給出的計算方法校驗本文中暈動癥發生率計算結果的準確性。

式中：m4為船舶垂向運動波譜的第4階譜矩［11］；μMSI為系數，由勞氏船級社給出的公式計算得出。

式中，m2為船舶垂向運動波譜的第2階譜矩［11］，其中根據有義波高H13、特征周期T、遭遇頻率ωe得出。

n階譜矩：

用上述驗證方法，同樣計算驅逐艦標模對應的驅逐艦在有義波高典型航速Fr=0.28時，船艏處暈動癥的發生率為54.19%，比文中計算值50.96%要大3.23%，誤差在合理范圍之內。使用該方法，計算各航態下船艏和重心處的暈動癥發病率，所得暈動癥發生率如表2所示，相應的三維視圖如圖6所示。將采用驗證方法所得表2數據與文中方法計算所得表1數據進行對比，誤差均在5%左右，說明本文所使用的計算方法準確性較好。

表2 驗證方法計算所得暈動癥發生率Table 2 Motion sickness incidence calculated by the method in Reference[10]

圖6 驗證方法計算所得暈動癥發生率Fig.6 Motion sickness incidence calculated by the method in Reference[10]

3 結 語

隨著海軍艦船的不斷發展，艦船設計將不可避免地與諸如人因工程等新理念相結合，需從多學科、多層次考量提升驅逐艦的耐波性、操縱性、波浪中穩性以及艦員的績效、居住舒適度，降低人的因素對艦船戰斗性能的不利影響。

本文計算了標模DTMB 5415各航態下迎浪運動時艏部和重心處的垂向加速度值，并進一步計算了不同垂向加速度值時艦員發生暈動癥的概率。當然，暈動癥是一個受人的自身精神狀態、光照、聲音、氣味、船體運動狀態等諸多因素共同作用影響的病癥，此處只是將暈動癥的主要影響因素（垂向加速度值）納入考慮范圍，可以大致預測出驅逐艦耐波性與艦員暈動癥發生率之間的數值關系。未來可以經過實船試驗研究，驗證理論計算的準確性，完善理論計算方法，并進一步總結艦船耐波性與暈動癥的數值關系，以作為艦船設計過程中耐波性和人因工程設計的一個參考。

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Analysis of correlation between destroyer seakeeping and motion sickness in human factors

XIONG Hu，LU Xiaoping
Department of Naval Architecture Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

Seakeeping is not only an important indicator of the overall performance of a ship，it also has a direct impact on the occurrence of motion sickness among ship personnel；as such,a good seakeeping design is the basis for guaranteeing the crew's comfort and work performance.In this paper,a seakeeping calculation program using the theory of the strip method is written to calculate the seakeeping of the DTMB 5415 standard model,and the vertical acceleration response at the bow and the center of gravity in head waves and under different speeds are obtained.Next,the effects on motion sickness of the vertical accelerations of DTMB 5415 corresponding to the destroyer's heaving are analyzed,and the numerical relationship of motion sickness with the destroyer's seakeeping performance is obtained.The results show that the calculated vertical accelerations at the bow and center of gravity are correct,the accuracy of which satisfies the requirements of motion sickness prediction;and the calculated regularities of the motion sickness are reasonable,and can be applied to analyze and predict the incidence of motion sickness on a ship,as well as to improve human factors in the hull form design of destroyers.

seakeeping；strip method；human factors engineering；motion sickness；destroyer

U661.32

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.006

2016-04-25

2016-12-28 15:57

海軍工程大學社會科學基金資助項目（HGDSK2015E06）

熊虎，男，1992年生，碩士生。研究方向：艦船水動力性能研究。E-mail：398820941@qq.com盧曉平（通信作者），男，1957年生，博士，教授。研究方向：艦船水動力性能研究。E-mail：luxiaoping100@163.com

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20161228.1557.030.html期刊網址：www.ship-research.com

熊虎，盧曉平.驅逐艦耐波性與人因中暈動癥相關性分析［J］.中國艦船研究，2017，12（1）：32-37. XIONG H，LU X P.Analysis of correlation between destroyer seakeeping and motion sickness in human factors［J］.Chi?nese Journal of Ship Research，2017，12（1）：32-37.