船舶操縱性評估體系構(gòu)架設(shè)計＊

李秋珍 劉 暢

（武漢數(shù)字工程研究所 武漢 430074）

1 引言

在傳統(tǒng)的船舶設(shè)計中，船型和主尺度主要是根據(jù)快速性、穩(wěn)性、排水量等方面的要求來決定，很少考慮操縱性的要求。隨著航運業(yè)的發(fā)展，船舶日益大型化、專用化和高速化，航行密度增大，海損事故增多，給人類生命財產(chǎn)和海洋生態(tài)環(huán)境帶來了很大威脅，人們更加關(guān)心船舶的操縱性能否滿足安全上的要求。因此，針對船舶航行安全和操縱安全的需求，以評價船舶操縱性為研究對象，本文初步設(shè)計了船舶操縱性評估系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)邏輯框架和評估指標體系。評估指標體系是評估系統(tǒng)的核心，由3個一級評估指標和11個二級評估指標組成。本文給出了緊急停船沖程和沖時等二級評估指標，工程上可行的計算模型和評估準則。最后給出某貨船的試驗結(jié)果，驗證了該計算模型的實用性。

2 船舶操縱性評估系統(tǒng)邏輯框架

船舶操縱性評估系統(tǒng)由船舶平臺數(shù)據(jù)庫、船舶操縱性評估模型、船舶操縱性評估共3個子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)邏輯框圖如圖1所示。

圖1 船舶操縱性評估系統(tǒng)固定邏輯?？蚣?/p>

在圖1中，船舶平臺數(shù)據(jù)庫模塊存儲型號船舶和武器的幾何特征量、物理特征量、戰(zhàn)術(shù)技能性能指標等信息，具有查詢、修改、增補和數(shù)據(jù)輸出等功能。船舶操縱性評估模型模塊是標準規(guī)范、數(shù)值方法等計算模型，用于計算船舶航行的行為過程、規(guī)律和特征。船舶操縱性評估模塊以技術(shù)規(guī)范為判斷準則，用相應的評估模式（如0／1、概率、層次分析等模式）對船舶操縱性進行評估。

3 船舶操縱性的評價指標及衡準

衡量船舶操縱性的指標分為兩大類［1～2］，一類是“直接判據(jù)”，它是由航模試驗或?qū)嵈囼炛苯訙y定的參數(shù)。如旋回試驗中的進距、停船試驗中的最短停船沖程等。另一類是“間接判據(jù)”，如旋回性指數(shù)K［3］、追隨性指數(shù)T［4］等。對于船舶操縱人員來說，“直接判據(jù)”比較直觀，而且船舶固有操縱性與船舶操縱運動有關(guān)，航模試驗或?qū)嵈囼灧椒ㄈ〉玫臄?shù)據(jù)比較容易被接受，因此這里采用“直接判據(jù)”。

國際海事組織（International Maritime Organization，簡稱IMO）和各國對船舶操縱性各個單一指標都提出了嚴格要求。根據(jù)國際海事組織A.751號決議，操縱性評價指標［5～6］包括：

1）旋回性能（Turning ability）

旋回性能是衡量船舶機動回轉(zhuǎn)性的指標。它通過旋回試驗測取旋回圈數(shù)據(jù)進行判斷。主要數(shù)據(jù)包括進距、旋回初徑、旋回直徑等。這些數(shù)據(jù)越小，旋回性能越好。

2）初始回轉(zhuǎn)性能（Initial turning ability）

初始回轉(zhuǎn)性能是衡量直航中船舶轉(zhuǎn)向能力的指標。它通過試驗獲得數(shù)據(jù)進行判斷。通常用直航船舶操10°舵角，航向角變化10°時，船舶前進的距離來衡量。該距離越小，初始回轉(zhuǎn)性能越好。

3）偏轉(zhuǎn)抑制性能和保向性能（Yaw－checking and course－keeping ability）

偏轉(zhuǎn)抑制性能和保向性能是衡量船舶航向控制能力的指標。它通過Z形試驗結(jié)果的超越角進行判斷。超越角越小，船舶保向能力越好。

4）停船性能（Stopping ability）

停船性能是衡量船舶直線運動慣性的指標。它通過倒車停船試驗進行判斷。一般用全速進車航行中進行全速倒車操作，直至船舶速度為0時所前進的距離來衡量。該距離越小，船舶停船性能越好。

以往的評價方法基本上是從單項性能出發(fā)來評價船舶操縱性的優(yōu)劣。船舶操縱安全不但與操縱性有關(guān)，還與航行水域、氣象條件以及操船者的操船技能等因素有關(guān)［7～8］。但船舶操縱性能是最基本因素，沒有操縱性的保證，船舶操縱安全和航行安全就無從談起。

4 船舶操縱性評估指標體系設(shè)計

根據(jù)上述船舶操縱性的評價指標及衡準分析，這里設(shè)計了船舶操縱性評估指標體系，具體評估指標見表1所示。其中，一級評估指標即是上述直接影響船舶操縱性的四大類因素綜合而成；二級評估指標即是影響一級評估指標的直接因素，也是影響船舶操縱性的最終因素。

表1 船舶操縱性評估指標體系

5 二級評估指標理論計算模型

由表1可以看出，二級評估指標是得到一級評估指標和評估產(chǎn)品的基礎(chǔ)。對于緊急停船性指標的部分二級評估指標，下面給出工程上可行的計算模型和評估準則。

5.1 船舶停船性能

船舶停船性能是指在標準狀態(tài)下以海上船速行駛的船舶，經(jīng)自力制動操縱后，可在允許偏航范圍（偏航量和偏航角）內(nèi)迅速停船的性能，也稱為倒車制動性能［9］。全速前進的船舶在進行緊急制動時，為不致造成主機轉(zhuǎn)動部件出現(xiàn)應力過大的情況，在關(guān)閉主機油門后，通常要等航速降至全速的60%～70%，轉(zhuǎn)速降至額定轉(zhuǎn)速的25%～35%時，方可將壓縮空氣持續(xù)充入汽缸使主機停轉(zhuǎn)，然后進行反向啟動。

由于沉深橫向力和排出流橫向力的作用，倒車制動時，船舶在減速的同時船首將發(fā)生劇烈的偏轉(zhuǎn)運動，其運動軌跡是一條曲線，如圖2所示。

圖2 船舶停船軌跡示意圖

在圖2中曲線的長度即停船沖程，也稱之為最短停船距離、制動行程RT（Track reach），停船所需時間稱之為停船沖時。船舶重心沿原航向方向移動的距離稱為停船縱距、制動縱距RH（Head reach），它是用車緊急停船能讓開前方物標的最短距離。倒車制動時，船首向偏離原航向的角度，稱為制動偏航角φ。而船舶重心偏離原航向的橫向距離，稱為偏航量DL，也稱之為停船橫距、制動橫距?？蛰d時，停船距離短，偏航角和偏航量較??；滿載時，停船時間長，偏航角和偏航量大，有時偏航角竟高達200°左右。

具有良好停船性能的船舶應滿足，在開闊水域具有相應其船長的最小停船距離，而在水深、航道寬度受限制的水域不僅要具有最小停船距離，而且要具有較小的偏航量和偏航角。

5.2 停船沖程和停船沖時的計算模型

1）高速航進時停船沖程及沖時的估算

當V0≥16.8kn時，停船沖程及沖時采用以下Lovett式估算法計算。

其中：s是停船沖程（m，米）；ts是停船沖時（min，分鐘）；W是舶實際排水量（t，噸）；R0是船速為V0時的船舶阻力（t，噸力）；V0是倒車前的船舶速度（kn，節(jié)）。

2）低速航進時停船沖程及沖時的估算

即V0＜16.8kn時，采用的計算模型如下：

其中：s是停船沖程（m，米）；ts是停船沖時（s，秒）；g是重力加速度（9.8m／s2）；W是船舶排水量（t，噸）；Kx是船舶前進方向虛質(zhì)量系數(shù)，可經(jīng)實驗取得，像VLCC或肥大型船舶可取1.07；Tp是螺旋槳倒車拉力（t，噸力），估算時可用Tp＝0.01 N拉（后退倒車功率）來估算；V0是船舶倒車時船速（m／s，米／秒）。

當船舶駛向泊地并要求船舶能在一倍船長的距離內(nèi)用倒車把船停住，則船舶所用余速為

3）停船沖程經(jīng)驗估算法

從主機倒車后的船速隨時間變化關(guān)系看，可近似認為是一個勻減速過程。緊急停船沖程的大小就是速度曲線與時間軸圍成的面積。即：

其中：Vk是倒車時船速（kn，節(jié)）；ts是停船沖時（s，秒）；C是緊急停船距離系數(shù)，一般貨船取0.25－0.27，大型油輪取0.27－0.29；s是停船沖程（m，米）。

大型油輪如時間按分鐘（min）計算，也可按下式計算停船沖程：

其中ts是停船沖時（min，分鐘）。使用上述式（4）、（5）時，可不考慮船舶主機種類和吃水狀態(tài)。

5.3 評估準則

根據(jù)統(tǒng)計，一般情況下，各類船舶的緊急停船沖程經(jīng)驗值如表2所示。

表2 各類船舶的緊急停船距離經(jīng)驗值

評估準則：當船舶的緊急停船沖程在表2中船舶的緊急停船沖程經(jīng)驗值范圍內(nèi)，則緊急停船性好，船舶操縱性好，航行安全。

5.4 船舶航行阻力計算模型

1）低速航進時船舶航行阻力計算模型

如果V≤8kn，通常使用經(jīng)過實踐檢驗和被普遍使用的阿法納西耶夫公式［11］（簡稱阿氏公式）計算船舶航行阻力R0。

已知船長L（m）、排水量D（t）、船寬B（m）、垂線間長Lpp（m）、額定航速Vmax（kn）、額定主機功率Ps（W）、額定航速下螺旋槳轉(zhuǎn)速n0（轉(zhuǎn)／分）；K為附加阻力系數(shù)（一般取0.004），設(shè)船舶深水航行阻力R0（噸力），則：

阿氏公式適用于瘦型船（方形系數(shù)0.40～0.55），但限于低速（即V≤8kn）和深水（水深大于40m）。

2）高速航進時船舶航行阻力計算模型

為計算高速（即V＞8kn）航進時船舶航行阻力，需要突破阿氏公式僅適用于低速的限制，這里提出使用中間值公式。

中間值公式：使用船舶計算中常用的回歸方法求得，即根據(jù)幾條典型船舶的航行阻力曲線擬合出來的船舶航行阻力。普遍適用于與典型船舶類似的船舶（典型船舶選擇瘦型船，擬合來的中間值公式就適用于類似的瘦型船；典型船舶選擇肥大型船，擬合出來的中間值公式就適用于類似的肥大型船），誤差小于10%，滿足工程計算需要的精度。

這里根據(jù)擬合的中間值公式得到速度大于8kn的阻力公式為

其中，vmax為設(shè)計航速（節(jié)，kn）；v0為8kn（節(jié)）；vi為中間任意速度（節(jié)，kn）；Ri為對應于vi的阻力（噸力）；R0為用阿氏公式（航速8kn左右）算出的阻力最大值：Rmax是按設(shè)計航速及對應功率借助η推算出的阻力值，Rmax＝Peη／vmax；Pe是額定功率；η是螺旋槳總效率，可據(jù)拉普公式η＝（0.985－0.00115n求得，這里取Pe＝Ps，n＝n0。

算法實現(xiàn)：

1）由于vi∈｛v0，vmax｝，取Δv＝（vmax－v0）／4，則｛vi｝＝｛v0，v0＋Δv，v0＋2Δv，v0＋3Δv，vmax｝，i＝0，1，2，3，4。

2）對應vi求Ri。

3）取Ri的平均值作為船舶航行阻力，返回。

6 試驗結(jié)果

已知某貨船船長L＝349.07m、船寬B＝45.6m、排水量D＝54951t、垂線間長Lpp＝334m、額定主機功率Ps＝2941kW、額定航速下螺旋槳轉(zhuǎn)速n0＝350轉(zhuǎn)／分；K為附加阻力系數(shù)（一般取0.004），設(shè)船舶深水航行阻力R0（t），初始航速V0變化時，沖程和沖時如表3所示（注：1鏈＝0.1海里＝185.2m）。

表3 初速變化時的沖程沖時列表

試驗表明：從表3可以看出：1）根據(jù)上述計算模型預報的停船沖程沖時，和實際試驗觀測的沖程沖時誤差不大，預報效果較好；2）壓載狀態(tài)下全速（即初速為26.8節(jié)）情況下的緊急倒車沖程將達到23鏈，即約12.2L（即12.2倍船長），在表2中經(jīng)驗值范圍［10L，13L］內(nèi)。按照評估準則，當前船舶緊急停船沖程在經(jīng)驗值范圍內(nèi)，則緊急停船性好，船舶操縱性好，航行安全。船舶海上試驗是在壓載狀態(tài)下進行的，滿載狀態(tài)的沖程沖時數(shù)據(jù)是利用外推法進行計算而得，難免存在誤差。同時，由于每航次船舶實際裝載情況不同，因此船舶的實際沖程與表3提供的數(shù)據(jù)可能存在一定差異。

7 結(jié)語

針對船舶航行安全和操縱安全的需求，本文初步設(shè)計了船舶操縱性評估系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)邏輯框架和評估指標體系；對部分二級評估指標給出了工程上可行的計算模型；結(jié)合某貨船的試驗結(jié)果，驗證了該計算模型的實用性。本文所研究評估技術(shù)已經(jīng)在艦艇航行安全上得到實際應用，實際應用結(jié)果表明：運用該評估系統(tǒng)，有利于操縱船舶者了解船舶的操縱性，能為船舶的安全操作提供科學指導。但應注意，外界條件如風浪流等對船舶操縱性也有影響，關(guān)系到評估結(jié)果的合理性，是今后需要進一步研究的問題之一。

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