基于船舶破損安全性的艙室優(yōu)化方法

邊金寧，陳淼，韓濤

哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001

0 引 言

多年來，不斷發(fā)生的大型海難事故，造成了嚴重的人員和財產(chǎn)損失[1]。船舶安全性是設計之初需要首要考慮的因素，因此如何客觀評價船舶破損后的安全性，并提出總布置優(yōu)化方案來提高船舶破損后的安全性就顯得很有必要。

在船舶完整穩(wěn)性方面，學者們進行了多年的研究，內容已基本完善。但破艙穩(wěn)性因具有復雜性、隨機性和時域性的特點，導致船舶破損穩(wěn)性研究較困難。Papanikolaou等[2]對IMO制定的有關概率破艙穩(wěn)性規(guī)則進行了歷史性回顧。在科研人員的不斷探索下，破艙穩(wěn)性研究方法已由確定性方法轉為更加貼近真實的概率性方法。而計算機技術的發(fā)展則促進了概率性破艙穩(wěn)性的實施[3]。隨著SOLAS 2009公約[4]的執(zhí)行，更多的學者開始進行相關研究。黃武剛[5]和周曉明[6]分別依托FORAN，VBA軟件，對船舶的破艙穩(wěn)性進行了研究，二人均較好地評估了船舶破損后的破艙穩(wěn)性。蘆樹平等[7]以SOLAS 2009公約為指導，利用數(shù)值仿真方法評估了貨船的概率性破艙穩(wěn)性，驗證了計算機在評估概率破艙穩(wěn)性上的可行性。

船舶艙室劃分對穩(wěn)性而言至關重要。Ehrling[8]最早進行分艙研究，其所在小組在大量分艙試驗的基礎上最終形成了基于“業(yè)務衡準數(shù)”、“分艙因數(shù)”和“平均滲透率”的確定性分艙計算方法。之后，很多學者針對船舶優(yōu)化分艙對破艙穩(wěn)性的影響進行了研究。孫家鵬等[9]和孫國軍[10]研究了破艙穩(wěn)性與艙室劃分之間的關系，以大量的分艙方案為基礎，對比分析了各種分艙方案的分艙指數(shù)大小，最終得到了最佳分艙方案。但這種方案耗時較長，且分艙指數(shù)不能作為衡量船舶破損后安全性的唯一標準。以上學者并未從多個角度分析船舶破損后的安全性，也未基于多因素來探討船舶艙室優(yōu)化對船舶破損后安全性的影響。

Vanem等[11]提出了一種基于風險的用來考察客船破艙穩(wěn)性的方法，其通過建模分析和評估指出分艙指數(shù)與船舶風險密切相關，該方法從風險的角度考慮了船舶破損后的安全性，較合理，但未考慮艙室優(yōu)化與船舶破損安全性的關系。層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）是一種基于多準則的決策方法，已被廣泛應用于國內外的經(jīng)濟分析和企業(yè)管理等方面，但在船舶行業(yè)應用較少。張文泉[12]利用AHP對航道內船舶的引航風險進行了分析。趙楠等[13]利用AHP與模糊評價法相結合的方法對生活區(qū)艙室布局設計進行了研究，驗證該方法在船舶行業(yè)同樣適用，但在評估船舶安全性方面AHP方法還未得到應用。

本文將以提高船舶破損后的安全性為目標，首先評估實船的概率破艙穩(wěn)性，提出危險區(qū)域的概念，將船舶破損后的危險區(qū)域進行可視化及量化處理，分別給出不同工況下的危險區(qū)域分布圖；接著，對風險系數(shù)較高的局部區(qū)域進行優(yōu)化處理，調整分艙水密板以形成不同的優(yōu)化方案，考慮優(yōu)化方案的可行性，對可行的分艙方案重新進行破艙穩(wěn)性評估及危險區(qū)域構建；然后，采用AHP方法，以分艙指數(shù)大小、危險區(qū)域類型和數(shù)量為準則評估優(yōu)化方案，確定不同準則對于船舶安全性的權重，得到最優(yōu)化方案；最后，驗證調整局部艙室布局及尺寸在提高船舶破損后安全性方面的可行性，同時構建以提高船舶破損后安全性為目標、基于多準則的評價方法，并通過實例驗證評價結果的合理性與科學性。

1 計算原理

1.1 危險區(qū)域假設

式中，V為水平水密間隔不破損概率。

1.2 AHP原理

AHP是由美國運籌學家Satty[15]提出的一種方法，其基本思想是：根據(jù)待決策問題的目標及性質，將一個復雜的問題按照層次進行分析，形成一個自上而下的遞階層次，然后逐層求解下一層相對上一層的影響因子大小，最終得到最下層對目標的影響程度。該方法可將人對各種影響因素的定性理解定量地確定下來，然后通過數(shù)學方法確定各個影響因子對目標的影響程度。主要包括4大步驟：

1） 建立層次結構模型。將問題包含的因素自上而下劃分為3個層次[16]，即目標層、準則層和方案層，然后用框圖的形式說明層次間結構與各因素的從屬關系。

2） 構造判斷矩陣。該矩陣為形成矩陣，采用標度1～9及其倒數(shù)進行標度，通過元素之間的兩兩對比得到具體數(shù)值。

2 實船破艙穩(wěn)性評估

2.1 實船數(shù)值模型

本文將以某概念游輪為例進行相關的計算和方法驗證，參數(shù)如表1所示。

表 1 船舶主尺度Table 1 Principal dimensions of ship

采用船舶建模軟件Maxsurf對該船進行建模，并根據(jù)各艙室的位置、類型等信息，在封閉船模中建立艙室。完成艙室的建立后，模型準備工作即完成，渲染后的分艙模型如圖1所示。

圖 1 船舶分艙模型Fig. 1 Ship subdivision model

2.2 破艙穩(wěn)性評估

表 2 計算工況浮態(tài)Table 2 Floating state of calculation conditions

對該船舶進行破損區(qū)域劃分。依據(jù)水密板位置，首先將該船沿縱向劃分為10個區(qū)域，然后再將上述各區(qū)域分別劃分為橫向和垂向區(qū)域，劃分完成后的效果如圖2所示。各縱向區(qū)域內的主要艙室如表3所示。因過長的區(qū)域發(fā)生破損的概率極低，故可不予考慮。依據(jù)SOLAS公約的規(guī)定，該模型最大的破損區(qū)域有3個，可進行相應的設置，以減小計算量。

圖 2 破艙穩(wěn)性區(qū)域劃分Fig. 2 Zone division of damage stability

表 3 縱向區(qū)域內主要艙室Table 3 Main cabins of longitudinal zone

利用Maxsurf軟件的破艙穩(wěn)性評估模塊對該船進行破艙穩(wěn)性評估，整理得到該船的破艙穩(wěn)性計算結果如表4所示。表中：AS，AP，AL別為最深

3 危險區(qū)域構建

3.1 3種工況下的危險區(qū)域

首先，將完成概率破艙穩(wěn)性評估后得到的大量數(shù)據(jù)進行整理，從中篩選出所需的破損區(qū)域（S＜1），也即危險區(qū)域。然后，按照RISK公式計算各個區(qū)域下的風險值，得到的部分數(shù)據(jù)如表5所示（以最深分艙吃水為例）。表中：Zn，N表示縱向破損考慮的區(qū)域，例如Z3，2表示考慮從Z3區(qū)域開始2個相鄰區(qū)域破損，也就是Z3，Z4區(qū)域破損；Bn表示橫向破損的穿透深度；Hn表示垂向能夠到達第n塊甲板；中點位置指該區(qū)域的縱向位置。

表 5 危險區(qū)域數(shù)據(jù)Table 5 The data of damagerous zone

以危險區(qū)域的中點位置為橫坐標，風險值為縱坐標，依次在同一張圖上標出單區(qū)域、雙區(qū)域和三區(qū)域的危險區(qū)域分布情況，如圖3所示。

由圖3可以看出：在Z4單區(qū)域破損存在風險，風險值為0.041 591；較高風險值的危險區(qū)域分布在船舶的中前部，艏部的雙區(qū)域破損風險值達到了最高值0.050 528，這與艏部發(fā)生破損的概率較高有關。由圖3，還可直觀、客觀地看出整船危險區(qū)域分布情況及其風險值大小，但該圖針對的僅是最深分艙吃水，具有局限性。重復上述步驟，對其他2種工況下的概率破艙穩(wěn)性結果進行整理、篩選、計算、作圖，得到其他2種工況下的風險區(qū)域分布如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可看出，在部分分艙吃水和輕載運營吃水工況下，不存在單區(qū)域破損的危險區(qū)域，其中在部分分艙吃水工況下風險值較大的危險區(qū)域在Z4，Z5區(qū)域，且在該工況下還存在著許多三區(qū)域破損的危險區(qū)域。在輕載運營吃水工況下，危險區(qū)域的數(shù)目明顯減少，且只存在三區(qū)域同時破損的危險區(qū)域。

圖 3 最深分艙吃水危險區(qū)域分布圖Fig. 3 Distribution of dangerous zones for the deepest subdivision draft

圖 4 部分分艙吃水危險區(qū)域分布圖Fig. 4 Distribution of dangerous zones for the partial subdivision draft

圖 5 輕載運營分艙吃水危險區(qū)域分布圖Fig. 5 Distribution of dangerous zones for the lightweight subdivision draft

3.2 船舶破損后危險區(qū)域

由上述危險區(qū)域分布圖可以看出，不同工況下，危險區(qū)域的分布各不相同，并存在著較大差異。對于本文所研究船舶來說，吃水越低，破艙穩(wěn)性越好，對應的危險區(qū)域數(shù)目便越少，風險值也就越小。3種工況對船舶破損后危險區(qū)域均有影響，必須尋找一種方法將這3種工況進行整合。

為解決上述問題，設置了船舶總風險函數(shù)，其值由上述3種工況下的風險值共同決定，通過在3種風險值前加上相應的權重來衡量各個工況對船舶整體風險的影響程度。

將3種工況下所有的風險區(qū)域全部列出，利用總風險公式進行計算，部分結果如表6所示。針對此表制作的危險區(qū)域分布如圖6所示。

表 6 船舶破損后危險區(qū)域分布數(shù)據(jù)Table 6 Distribution data of dangerous zone after ship damage

圖 6 船舶破損后危險區(qū)域分布圖Fig. 6 Distribution of dangerous zones of the damaged ship

4 優(yōu)化方案及AHP評估

艙室優(yōu)化主要是調整水密分艙板的位置，從而生成新的艙室。重新進行大量的艙室劃分工作量較大，可操作性不強，為此，本文將采用局部優(yōu)化法，針對個別艙室進行調整，進而提高船舶破損后的安全性。

對艙室進行優(yōu)化時，需要考慮較多的因素：

1） 艙室的實際用途；

2） 艙室內特定方向尺寸限制；

3） 艙室容積變化對經(jīng)濟性的影響；

4） 各種工況下船舶初始浮態(tài)的變化；

5） 船舶初穩(wěn)性的變化；

6） 快速性、操縱性和耐波性等。

因此，在確定優(yōu)化分艙方案之前，需綜合考慮優(yōu)化方案的可行性。本文將按照圖7所示流程提出優(yōu)化方案并進行評估。

圖 7 優(yōu)化方案評估流程Fig. 7 Evaluation process of optimal scheme

通過對比分析4幅危險區(qū)域分布圖（圖3～圖6），可知Z4區(qū)域的風險指數(shù)較高，因而初步確定Z4區(qū)域為待優(yōu)化區(qū)域。由表3，可知Z4區(qū)域為以第1貨艙為主體的區(qū)域，主要包括第1貨艙、底部壓載水艙以及左、右壓載水艙。本文將從縱向、橫向和垂向來調整分艙水密板的位置，初步形成了5種優(yōu)化方案。

4.1 艙室優(yōu)化方案

4.1.1 優(yōu)化方案的提出

方案1：在保證全船長度不變的情況下，將Z3與Z4區(qū)域的水密板向船艏方向移動5 m。

方案2：在保證全船長度不變的情況下，將Z3與Z4區(qū)域的水密板向船艏方向移動2 m。

方案3：在船舶寬度不變的情況下，將Z4區(qū)域的舷側壓載水艙寬度增加0.5 m，對應的第1貨艙寬度減小1 m。

方案4：在船舶寬度不變的情況下，將Z4區(qū)域的舷側壓載水艙寬度減小0.5 m，貨艙寬度增加1 m。

方案5：在船舶高度不變的情況下，將Z4區(qū)域底部雙層底高度調整至4 m。

4.1.2 優(yōu)化方案可行性分析

提出5種優(yōu)化方案后，利用Maxsurf軟件更改艙室的分布，重新建立新的分艙模型，同時進行各種性能的計算。此處的計算選用船舶滿載工況進行，因滿載工況下艙室利用率最高。此時，載重量較大，空余可用艙室容量較小，很難通過調整壓載水來調整浮態(tài)。而其他工況則可通過調整壓載水、貨物裝載位置、人員分布位置等來調整浮態(tài)，故進行可行性分析時選取滿載工況進行。

本次更改的艙室主要為第1貨艙位置，本艙室無特殊設備及尺寸限制要求，主要考慮更改后艙室艙容的變化。

在滿載工況下，船舶的浮態(tài)、重心高以及初穩(wěn)性均會發(fā)生變化。本次更改時因全船主尺度及大部分艙室分布不變，故主要考慮船舶初穩(wěn)性、初始船舶浮態(tài)的變化，對于操縱性和快速性等不予單獨考慮。

利用Maxsurf軟件進行滿載工況下各種性能的計算，結果如表7所示。

表 7 各方案性能計算結果Table 7 The performance calculation results of each scheme

由船舶設計手冊可知，船舶要求的初始浮態(tài)為正浮或稍有艉傾。初穩(wěn)性方面，要求GM≥0.15 m。本船的要求艙容為55 000 m3。

取貨艙的型容積利用率KC=0.98，根據(jù)上式，可得船艙容積下限為56 122 m3。

以上述各項性能的限制值為縱坐標原點作圖，如圖8所示，判斷各優(yōu)化方案是否滿足船舶性能要求。

圖 8 船舶總艙容對比圖Fig. 8 Comparison of ship's total capacity

由表7和圖8可知，方案1，2，3，5均減小了艙容。但經(jīng)過艙容計算整理后可知，更改后的艙容仍能達到要求的艙容。

由圖9可知，在滿載工況下，原模型及方案1，3，4，5的初始浮態(tài)均有不同幅度的小幅艉傾，在可接受范圍內；而方案2有0.846 m的艏傾，這是船舶初始浮態(tài)所不允許的，故方案2不合理。

由圖10可知，5種分艙模型的初穩(wěn)性高均超過了3 m，遠大于要求的0.15 m，且相差不大，均滿足初穩(wěn)性要求。

圖 9 初始浮態(tài)對比圖Fig. 9 Comparison of initial floating state

圖 10 初穩(wěn)性高對比圖Fig. 10 Comparison of initial metacentric height

通過對各種優(yōu)化方案的可行性分析，發(fā)現(xiàn)方案1，3，4，5滿足限制要求。對上述4種優(yōu)化分艙模型進行概率破艙穩(wěn)性的計算和危險區(qū)域的確定，可為AHP評估最優(yōu)方案提供數(shù)據(jù)支撐。

整理的概率破艙穩(wěn)性結果如圖11所示。圖中數(shù)值從左到右分別為原船舶、方案1、方案3、方案4和方案5的結果。

圖 11 分艙指數(shù)結果對比Fig. 11 Comparison of subdivision index results

分析圖11可知：

1） 方案1中，船舶的AS，A有所提高，AL和AP雖有小幅的減小，但減小后的數(shù)值仍然滿足破艙穩(wěn)性要求。這4種分艙指數(shù)均達到了SOLAS 2009公約要求，故此種方案可行。

2） 方案3中，3種工況下的A值均有所減小，破艙穩(wěn)性降低，最深分艙吃水工況下的分艙指數(shù)為0.551 51，未達到SOLAS 2009公約要求，故此方案不可行。

3） 方案4中的AS，AP和A有小幅的增加，最終滿足公約要求。

4） 方案5中的AS，AL和A有小幅增加，最終滿足公約要求。

按照本文所提的危險區(qū)域概念，重新計算滿足破艙穩(wěn)性方案（方案1，4，5）下的船舶破損后危險區(qū)域數(shù)。通過計算可以發(fā)現(xiàn)，各個方案均有可取之處，有的方案分艙指數(shù)高，有的方案危險區(qū)域數(shù)目少，為尋找一種最優(yōu)方案，引入了AHP評價法，在考慮分艙指數(shù)、單區(qū)域危險區(qū)域數(shù)，雙區(qū)域危險區(qū)域數(shù)和三區(qū)域危險區(qū)域數(shù)的情況下評估各方案。

4.2 AHP評估流程

此模型中，目標層為提高船舶破損后的安全性，準則層為分艙指數(shù)、單區(qū)域危險區(qū)域數(shù)目、雙區(qū)域危險區(qū)域數(shù)目和三區(qū)域危險區(qū)域數(shù)，方案層為優(yōu)化方案。層次結構模型如圖12所示。

圖 12 層次模型Fig. 12 Hierarchical model

在本案例中，根據(jù)各因素對船舶破艙后安全性的影響程度來判斷4種準則的重要程度。所分析準則層的4個因素的重要性如表8所示。

表 8 各準則的重要程度Table 8 The importance of each criterion

表 9 準則層判斷矩陣Table 9 The Judgment matrix of criterion layer

表 10 4種準則數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 10 Statistics of four guideline data

以A為例構造方案層對分艙指數(shù)準則的判斷矩陣，如表11所示。表中，P1，P2，P3分別代表方案1，方案4和方案5。

表 11 分艙指數(shù)判斷矩陣Table 11 The Judgment matrix of Subdivision index

分別計算方案層對C2，C3，C4的層次單排序結果，并將求得的特征向量制成表，如表12所示。表中：數(shù)字0.262 2，0.565 0，0.117 5，0.055 3指C層各因素對W層的影響程度；W-P指P層每個因素對W層的影響程度。

表 12 總排序權值Table 12 Total sorting weights

在本案例中，方案1相比其他方案為最優(yōu)方案。

5 結 論

本文采用船舶概率破艙穩(wěn)評估法和AHP法，針對優(yōu)化分艙對船舶破損后安全性的影響進行了研究，得到如下主要結論：

1） 從危險區(qū)域分布圖中可以快速、直觀、準確地看出船舶破損后危險區(qū)域的位置分布情況，風險值可用于衡量各個區(qū)域的危險程度。

2） 不同工況下的風險區(qū)域數(shù)量、分布位置差異較大，可由船舶破損危險場景分布來觀察整船的破損后危險場景分布。

3） 針對局部高風險區(qū)域進行艙室優(yōu)化可以達到提高船舶破艙穩(wěn)性、減小危險場景數(shù)量的目的。

4） 以提高船舶破損后的安全性為目標，以分艙指數(shù)、風險場景類型及數(shù)量為評價準則，采用AHP方法可以客觀地得到最優(yōu)艙室優(yōu)化方案，此方法可為今后基于多準則評價船舶破損后安全性提供重要依據(jù)。

由于本文篇幅有限且注重方法的結合應用，提出的優(yōu)化方案較少，在后續(xù)研究中可以將不同方向的優(yōu)化方案進行結合處理，也可以增加評價準則，完善評價船舶破損安全性的方法，以在船舶設計初期最大程度地提高船舶破損后的安全性。