基于船舶破损安全性的舱室优化方法

引用格式：边金宁,陈淼, 韩涛.基于船舶破损安全性的舱室优化方法[J].中国舰船研究, 2020, 15(2): 23–30. BIAN J L, CHEN M, HAN T. Cabin optimization method based on damaged ship safety[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2020, 15(2): 23–30.

边金宁，陈淼*，韩涛

哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001

摘 要:［目的］船舶安全性是船舶最重要的性能之一，而舱室优化与提高船舶破损安全性密切相关，二者之间的关系是一个复杂的多因素问题。［方法］基于SOLAS 2009公约，评估概率破舱稳性，量化危险区域，采用层次分析法（ AHP），以分舱指数、危险区域类型和数量为评估指标，求解各指标对船舶破损安全性的影响权重，并以提高船舶破损后的安全性为目标，评估出最优舱室优化方案。［结果］结果显示，调整危险区域边舱宽度、舱室长度及双层底高度均可提高船舶破舱稳性，以及船舶破损后的安全性。［结论］实验结果表明研究危险区域可提高船舶安全性，在基于多准则评估船舶破舱后的安全性上采用AHP方法可行。关键词：破舱稳性；SOLAS 2009；层次分析法；分舱布置优化

中图分类号: U661.22 文献标志码:A DOI：10.19693/j.issn.1673-3185.01785

人员的不断探索下，破舱稳性研究方法已由确定性方法转为更加贴近真实的概率性方法。而计算机技术的发展则促进了概率性破舱稳性的实施随着 SOLAS 2009 公约 的执行，更多的学者开始进行相关研究。黄武刚 和周晓明 分别依托FORAN， VBA软件，对船舶的破舱稳性进行了研究，二人均较好地评估了船舶破损后的破舱稳性。芦树平等 以 SOLAS 2009 公约为指导，利用数值仿真方法评估了货船的概率性破舱稳性，验证了计算机在评估概率破舱稳性上的可行性。船舶舱室划分对稳性而言至关重要。Ehrling[8]最早进行分舱研究，其所在小组在大量分舱试验的基础上最终形成了基于“业务衡准数”、“分舱因数”和“平均渗透率”的确定性分舱计算方法。之后，很多学者针对船舶优化分舱对破舱稳性的影响进行了研究。孙家鹏等 和孙国军 研究了破舱稳性与舱室划分之间的关系，以大量的分舱方案为基础，对比分析了各种分舱方案的分舱指数大小，最终得到了最佳分舱方案。但这种方案耗时较长，且分舱指数不能作为衡量船舶破损后安全性的唯一标准。以上学者并未从多个角度分析船舶破损后的安全性，也未基于多因素来探讨船舶舱室优化对船舶破损后安全性的影响。Vanem 等 提出了一种基于风险的用来考察客船破舱稳性的方法，其通过建模分析和评估指出分舱指数与船舶风险密切相关，该方法从风险的角度考虑了船舶破损后的安全性，较合理，但未考虑舱室优化与船舶破损安全性的关系。层次分析法（ analytic hierarchy process， AHP ）是一种基于多准则的决策方法，已被广泛应用于国内外的经济分析和企业管理等方面，但在船舶行业应用较少。张文泉 利用 AHP对航道内船舶的引航风险进行了分析。赵楠等 利用 AHP与模糊评价法相结合的方法对生活区舱室布局设计进行了研究，验证该方法在船舶行业同样适用，但在评估船舶安全性方面AHP方法还未得到应用。本文将以提高船舶破损后的安全性为目标，首先评估实船的概率破舱稳性，提出危险区域的概念，将船舶破损后的危险区域进行可视化及量化处理，分别给出不同工况下的危险区域分布图；接着，对风险系数较高的局部区域进行优化处理，调整分舱水密板以形成不同的优化方案，考虑优化方案的可行性，对可行的分舱方案重新进行破舱稳性评估及危险区域构建；然后，采用AHP方法，以分舱指数大小、危险区域类型和数量为准则评估优化方案，确定不同准则对于船舶安全性的权重，得到最优化方案；最后，验证调整局部舱室布局及尺寸在提高船舶破损后安全性方面的可行性，同时构建以提高船舶破损后安全性为目标、基于多准则的评价方法，并通过实例验证评价结果的合理性与科学性。对分舱指数A进行分析，发现此值越高，船舶的破舱稳性越好，可见A的获取至关重要。在计算概率破舱稳性时，首先需要将船舶沿3个方向分为数量相当的区域，接着按照由船艉至船艏、单区域至多区域的顺序依次破损，并计算相应的破损概率 P和残存概率S，然后再将二者相乘从而得到此破损工况 i下的分舱指数 ，最后按下式计算船舶分舱指数A。

(1)

S值可取 0~1，其中 S=1表示在此种破损情况下船舶最终有足够的稳性， S<1表示稳性已经不足。胡铁牛 针对此现象提出了有贡献舱室这一说法，认为 S=1的破损舱室及其组合对A是有贡献的，对稳性也有贡献。本文逆向考虑，将研究重点放在 S<1 的破损区域。在这些区域，破损后的船舶将无法提供足够的稳性，这些区域的舱室组合对稳性无贡献。若能够找到这些区域，消除影响较大的危险区域，减少 S<1的区域数量，那么A值将得到提高，同时船舶稳性也将得到提高。引入危险区域的概念，将上述 S<1 的所有区域称为危险区域，危险区域越少，船舶的稳性将越好。为将危险区域这一概念量化，定义了衡量危RISK。险区域程度的参量−危险区域风险指数结合 A的获取公式并进行逆向思维，定义危险区域风险指数 RISK的计算原理为

式中，V为水平水密间隔不破损概率。

(2)

AHP是由美国运筹学家 Satty[15] 提出的一种方法，其基本思想是：根据待决策问题的目标及性质，将一个复杂的问题按照层次进行分析，形成一个自上而下的递阶层次，然后逐层求解下一层相对上一层的影响因子大小，最终得到最下层对目标的影响程度。该方法可将人对各种影响因素的定性理解定量地确定下来，然后通过数学方

依据 SOLAS 公约，设置 3种装载工况：最深分舱吃水 和部分分舱吃水 。输入各个舱室的装载量、重心位置等参数，进行必要的浮态调整。3种工况下的浮态如表 2所示。

分舱吃水、部分分舱吃水和轻载运营分舱吃水这3种工况下的分舱指数； 为实际船舶能达到的域，其中在部分分舱吃水工况下风险值较大的危险区域在 Z4， Z5区域，且在该工况下还存在着许多三区域破损的危险区域。在轻载运营吃水工况下，危险区域的数目明显减少，且只存在三区域同时破损的危险区域。

(4)

式中： 为 i的风险指数。此处参考了 SOLAS 2009 公约，认为3种工况对船舶风险的影响程度与分舱指数的影响程度一致，权重确定为 0.4， 0.4， 0.2 ，即i工况下

将 3种工况下所有的风险区域全部列出，利用总风险公式进行计算，部分结果如表6所示。针对此表制作的危险区域分布如图6所示。

本次更改的舱室主要为第1货舱位置，本舱室无特殊设备及尺寸限制要求，主要考虑更改后舱室舱容的变化。在满载工况下，船舶的浮态、重心高以及初稳性均会发生变化。本次更改时因全船主尺度及大部分舱室分布不变，故主要考虑船舶初稳性、初始船舶浮态的变化，对于操纵性和快速性等不予单独考虑。利用 Maxsurf软件进行满载工况下各种性能的计算，结果如表7所示。船舶初始浮态所不允许的，故方案2不合理。由图 10 可知，5种分舱模型的初稳性高均超过了 3m ，远大于要求的 0.15 m ，且相差不大，均满足初稳性要求。

终满足公约要求。4） 方案 5中的 AS， AL 和 A有小幅增加，最终满足公约要求。按照本文所提的危险区域概念，重新计算满足破舱稳性方案（方案 1，4，5）下的船舶破损后危险区域数。通过计算可以发现，各个方案均有可取之处，有的方案分舱指数高，有的方案危险区域数目少，为寻找一种最优方案，引入了 AHP评价法，在考虑分舱指数、单区域危险区域数，双区域危险区域数和三区域危险区域数的情况下评估各方案。此模型中，目标层为提高船舶破损后的安全性，准则层为分舱指数、单区域危险区域数目、双区域危险区域数目和三区域危险区域数，方案层为优化方案。层次结构模型如图12 所示。以 A为例构造方案层对分舱指数准则的判断矩阵，如表 11 所示。表中，P1，P2，P3 分别代表方案 1，方案 4和方案5。

在本案例中，方案1相比其他方案为最优方案。本文采用船舶概率破舱稳评估法和AHP 法，针对优化分舱对船舶破损后安全性的影响进行了研究，得到如下主要结论： 1） 从危险区域分布图中可以快速、直观、准确地看出船舶破损后危险区域的位置分布情况，风险值可用于衡量各个区域的危险程度。2） 不同工况下的风险区域数量、分布位置差异较大，可由船舶破损危险场景分布来观察整船的破损后危险场景分布。3） 针对局部高风险区域进行舱室优化可以达到提高船舶破舱稳性、减小危险场景数量的目的。4） 以提高船舶破损后的安全性为目标，以分舱指数、风险场景类型及数量为评价准则，采用AHP方法可以客观地得到最优舱室优化方案，此方法可为今后基于多准则评价船舶破损后安全性提供重要依据。由于本文篇幅有限且注重方法的结合应用，提出的优化方案较少，在后续研究中可以将不同方向的优化方案进行结合处理，也可以增加评价准则，完善评价船舶破损安全性的方法，以在船舶设计初期最大程度地提高船舶破损后的安全性。

参考文献：

李世锋.从客船视角谈大规模海难救助的几点思考航海,

周晓明. 基于概率破舱稳性的驳船优化分舱研究大连:大连理工大学,芦树平, 边金宁, 陈淼. 基于破损稳性评估研究 应用科技,的船舶概率孙家鹏, 夏益美.基于概率破损稳性的集装箱船优化分舱研究 船舶与海洋工程,孙国君.基于概率破舱稳性的散货船优化分舱研究大连:大连理工大学,