船舶操纵性评估体系构架设计＊

李秋珍 刘 畅

（武汉数字工程研究所 武汉 430074）

1 引言

在传统的船舶设计中，船型和主尺度主要是根据快速性、稳性、排水量等方面的要求来决定，很少考虑操纵性的要求。随着航运业的发展，船舶日益大型化、专用化和高速化，航行密度增大，海损事故增多，给人类生命财产和海洋生态环境带来了很大威胁，人们更加关心船舶的操纵性能否满足安全上的要求。因此，针对船舶航行安全和操纵安全的需求，以评价船舶操纵性为研究对象，本文初步设计了船舶操纵性评估系统，给出了系统逻辑框架和评估指标体系。评估指标体系是评估系统的核心，由3个一级评估指标和11个二级评估指标组成。本文给出了紧急停船冲程和冲时等二级评估指标，工程上可行的计算模型和评估准则。最后给出某货船的试验结果，验证了该计算模型的实用性。

2 船舶操纵性评估系统逻辑框架

船舶操纵性评估系统由船舶平台数据库、船舶操纵性评估模型、船舶操纵性评估共3个子系统组成，系统逻辑框图如图1所示。

图1 船舶操纵性评估系统固定逻辑停框架

在图1中，船舶平台数据库模块存储型号船舶和武器的几何特征量、物理特征量、战术技能性能指标等信息，具有查询、修改、增补和数据输出等功能。船舶操纵性评估模型模块是标准规范、数值方法等计算模型，用于计算船舶航行的行为过程、规律和特征。船舶操纵性评估模块以技术规范为判断准则，用相应的评估模式（如0／1、概率、层次分析等模式）对船舶操纵性进行评估。

3 船舶操纵性的评价指标及衡准

衡量船舶操纵性的指标分为两大类［1～2］，一类是“直接判据”，它是由航模试验或实船试验直接测定的参数。如旋回试验中的进距、停船试验中的最短停船冲程等。另一类是“间接判据”，如旋回性指数K［3］、追随性指数T［4］等。对于船舶操纵人员来说，“直接判据”比较直观，而且船舶固有操纵性与船舶操纵运动有关，航模试验或实船试验方法取得的数据比较容易被接受，因此这里采用“直接判据”。

国际海事组织（International Maritime Organization，简称IMO）和各国对船舶操纵性各个单一指标都提出了严格要求。根据国际海事组织A.751号决议，操纵性评价指标［5～6］包括：

1）旋回性能（Turning ability）

旋回性能是衡量船舶机动回转性的指标。它通过旋回试验测取旋回圈数据进行判断。主要数据包括进距、旋回初径、旋回直径等。这些数据越小，旋回性能越好。

2）初始回转性能（Initial turning ability）

初始回转性能是衡量直航中船舶转向能力的指标。它通过试验获得数据进行判断。通常用直航船舶操10°舵角，航向角变化10°时，船舶前进的距离来衡量。该距离越小，初始回转性能越好。

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

偏转抑制性能和保向性能是衡量船舶航向控制能力的指标。它通过Z形试验结果的超越角进行判断。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线运动惯性的指标。它通过倒车停船试验进行判断。一般用全速进车航行中进行全速倒车操作，直至船舶速度为0时所前进的距离来衡量。该距离越小，船舶停船性能越好。

以往的评价方法基本上是从单项性能出发来评价船舶操纵性的优劣。船舶操纵安全不但与操纵性有关，还与航行水域、气象条件以及操船者的操船技能等因素有关［7～8］。但船舶操纵性能是最基本因素，没有操纵性的保证，船舶操纵安全和航行安全就无从谈起。

4 船舶操纵性评估指标体系设计

根据上述船舶操纵性的评价指标及衡准分析，这里设计了船舶操纵性评估指标体系，具体评估指标见表1所示。其中，一级评估指标即是上述直接影响船舶操纵性的四大类因素综合而成；二级评估指标即是影响一级评估指标的直接因素，也是影响船舶操纵性的最终因素。

表1 船舶操纵性评估指标体系

5 二级评估指标理论计算模型

由表1可以看出，二级评估指标是得到一级评估指标和评估产品的基础。对于紧急停船性指标的部分二级评估指标，下面给出工程上可行的计算模型和评估准则。

5.1 船舶停船性能

船舶停船性能是指在标准状态下以海上船速行驶的船舶，经自力制动操纵后，可在允许偏航范围（偏航量和偏航角）内迅速停船的性能，也称为倒车制动性能［9］。全速前进的船舶在进行紧急制动时，为不致造成主机转动部件出现应力过大的情况，在关闭主机油门后，通常要等航速降至全速的60%～70%，转速降至额定转速的25%～35%时，方可将压缩空气持续充入汽缸使主机停转，然后进行反向启动。

由于沉深横向力和排出流横向力的作用，倒车制动时，船舶在减速的同时船首将发生剧烈的偏转运动，其运动轨迹是一条曲线，如图2所示。

图2 船舶停船轨迹示意图

在图2中曲线的长度即停船冲程，也称之为最短停船距离、制动行程RT（Track reach），停船所需时间称之为停船冲时。船舶重心沿原航向方向移动的距离称为停船纵距、制动纵距RH（Head reach），它是用车紧急停船能让开前方物标的最短距离。倒车制动时，船首向偏离原航向的角度，称为制动偏航角φ。而船舶重心偏离原航向的横向距离，称为偏航量DL，也称之为停船横距、制动横距。空载时，停船距离短，偏航角和偏航量较小；满载时，停船时间长，偏航角和偏航量大，有时偏航角竟高达200°左右。

具有良好停船性能的船舶应满足，在开阔水域具有相应其船长的最小停船距离，而在水深、航道宽度受限制的水域不仅要具有最小停船距离，而且要具有较小的偏航量和偏航角。

5.2 停船冲程和停船冲时的计算模型

1）高速航进时停船冲程及冲时的估算

当V0≥16.8kn时，停船冲程及冲时采用以下Lovett式估算法计算。

其中：s是停船冲程（m，米）；ts是停船冲时（min，分钟）；W是舶实际排水量（t，吨）；R0是船速为V0时的船舶阻力（t，吨力）；V0是倒车前的船舶速度（kn，节）。

2）低速航进时停船冲程及冲时的估算

即V0＜16.8kn时，采用的计算模型如下：

其中：s是停船冲程（m，米）；ts是停船冲时（s，秒）；g是重力加速度（9.8m／s2）；W是船舶排水量（t，吨）；Kx是船舶前进方向虚质量系数，可经实验取得，像VLCC或肥大型船舶可取1.07；Tp是螺旋桨倒车拉力（t，吨力），估算时可用Tp＝0.01 N拉（后退倒车功率）来估算；V0是船舶倒车时船速（m／s，米／秒）。

当船舶驶向泊地并要求船舶能在一倍船长的距离内用倒车把船停住，则船舶所用余速为

3）停船冲程经验估算法

从主机倒车后的船速随时间变化关系看，可近似认为是一个匀减速过程。紧急停船冲程的大小就是速度曲线与时间轴围成的面积。即：

其中：Vk是倒车时船速（kn，节）；ts是停船冲时（s，秒）；C是紧急停船距离系数，一般货船取0.25－0.27，大型油轮取0.27－0.29；s是停船冲程（m，米）。

大型油轮如时间按分钟（min）计算，也可按下式计算停船冲程：

其中ts是停船冲时（min，分钟）。使用上述式（4）、（5）时，可不考虑船舶主机种类和吃水状态。

5.3 评估准则

根据统计，一般情况下，各类船舶的紧急停船冲程经验值如表2所示。

表2 各类船舶的紧急停船距离经验值

评估准则：当船舶的紧急停船冲程在表2中船舶的紧急停船冲程经验值范围内，则紧急停船性好，船舶操纵性好，航行安全。

5.4 船舶航行阻力计算模型

1）低速航进时船舶航行阻力计算模型

如果V≤8kn，通常使用经过实践检验和被普遍使用的阿法纳西耶夫公式［11］（简称阿氏公式）计算船舶航行阻力R0。

已知船长L（m）、排水量D（t）、船宽B（m）、垂线间长Lpp（m）、额定航速Vmax（kn）、额定主机功率Ps（W）、额定航速下螺旋桨转速n0（转／分）；K为附加阻力系数（一般取0.004），设船舶深水航行阻力R0（吨力），则：

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

2）高速航进时船舶航行阻力计算模型

为计算高速（即V＞8kn）航进时船舶航行阻力，需要突破阿氏公式仅适用于低速的限制，这里提出使用中间值公式。

中间值公式：使用船舶计算中常用的回归方法求得，即根据几条典型船舶的航行阻力曲线拟合出来的船舶航行阻力。普遍适用于与典型船舶类似的船舶（典型船舶选择瘦型船，拟合来的中间值公式就适用于类似的瘦型船；典型船舶选择肥大型船，拟合出来的中间值公式就适用于类似的肥大型船），误差小于10%，满足工程计算需要的精度。

这里根据拟合的中间值公式得到速度大于8kn的阻力公式为

其中，vmax为设计航速（节，kn）；v0为8kn（节）；vi为中间任意速度（节，kn）；Ri为对应于vi的阻力（吨力）；R0为用阿氏公式（航速8kn左右）算出的阻力最大值：Rmax是按设计航速及对应功率借助η推算出的阻力值，Rmax＝Peη／vmax；Pe是额定功率；η是螺旋桨总效率，可据拉普公式η＝（0.985－0.00115n求得，这里取Pe＝Ps，n＝n0。

算法实现：

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

2）对应vi求Ri。

3）取Ri的平均值作为船舶航行阻力，返回。

6 试验结果

已知某货船船长L＝349.07m、船宽B＝45.6m、排水量D＝54951t、垂线间长Lpp＝334m、额定主机功率Ps＝2941kW、额定航速下螺旋桨转速n0＝350转／分；K为附加阻力系数（一般取0.004），设船舶深水航行阻力R0（t），初始航速V0变化时，冲程和冲时如表3所示（注：1链＝0.1海里＝185.2m）。

表3 初速变化时的冲程冲时列表

试验表明：从表3可以看出：1）根据上述计算模型预报的停船冲程冲时，和实际试验观测的冲程冲时误差不大，预报效果较好；2）压载状态下全速（即初速为26.8节）情况下的紧急倒车冲程将达到23链，即约12.2L（即12.2倍船长），在表2中经验值范围［10L，13L］内。按照评估准则，当前船舶紧急停船冲程在经验值范围内，则紧急停船性好，船舶操纵性好，航行安全。船舶海上试验是在压载状态下进行的，满载状态的冲程冲时数据是利用外推法进行计算而得，难免存在误差。同时，由于每航次船舶实际装载情况不同，因此船舶的实际冲程与表3提供的数据可能存在一定差异。

7 结语

针对船舶航行安全和操纵安全的需求，本文初步设计了船舶操纵性评估系统，给出了系统逻辑框架和评估指标体系；对部分二级评估指标给出了工程上可行的计算模型；结合某货船的试验结果，验证了该计算模型的实用性。本文所研究评估技术已经在舰艇航行安全上得到实际应用，实际应用结果表明：运用该评估系统，有利于操纵船舶者了解船舶的操纵性，能为船舶的安全操作提供科学指导。但应注意，外界条件如风浪流等对船舶操纵性也有影响，关系到评估结果的合理性，是今后需要进一步研究的问题之一。

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