基于船舶破损安全性的舱室优化方法

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

0 引 言

多年来，不断发生的大型海难事故，造成了严重的人员和财产损失[1]。船舶安全性是设计之初需要首要考虑的因素，因此如何客观评价船舶破损后的安全性，并提出总布置优化方案来提高船舶破损后的安全性就显得很有必要。

在船舶完整稳性方面，学者们进行了多年的研究，内容已基本完善。但破舱稳性因具有复杂性、随机性和时域性的特点，导致船舶破损稳性研究较困难。Papanikolaou等[2]对IMO制定的有关概率破舱稳性规则进行了历史性回顾。在科研人员的不断探索下，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[3]。随着SOLAS 2009公约[4]的执行，更多的学者开始进行相关研究。黄武刚[5]和周晓明[6]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[7]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[9]和孙国军[10]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[11]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[12]利用AHP对航道内船舶的引航风险进行了分析。赵楠等[13]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。

1 计算原理

1.1 危险区域假设

式中，V为水平水密间隔不破损概率。

1.2 AHP原理

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，然后通过数学方法确定各个影响因子对目标的影响程度。主要包括4大步骤：

1） 建立层次结构模型。将问题包含的因素自上而下划分为3个层次[16]，即目标层、准则层和方案层，然后用框图的形式说明层次间结构与各因素的从属关系。

2） 构造判断矩阵。该矩阵为形成矩阵，采用标度1～9及其倒数进行标度，通过元素之间的两两对比得到具体数值。

2 实船破舱稳性评估

2.1 实船数值模型

本文将以某概念游轮为例进行相关的计算和方法验证，参数如表1所示。

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

采用船舶建模软件Maxsurf对该船进行建模，并根据各舱室的位置、类型等信息，在封闭船模中建立舱室。完成舱室的建立后，模型准备工作即完成，渲染后的分舱模型如图1所示。

图 1 船舶分舱模型Fig. 1 Ship subdivision model

2.2 破舱稳性评估

表 2 计算工况浮态Table 2 Floating state of calculation conditions

对该船舶进行破损区域划分。依据水密板位置，首先将该船沿纵向划分为10个区域，然后再将上述各区域分别划分为横向和垂向区域，划分完成后的效果如图2所示。各纵向区域内的主要舱室如表3所示。因过长的区域发生破损的概率极低，故可不予考虑。依据SOLAS公约的规定，该模型最大的破损区域有3个，可进行相应的设置，以减小计算量。

图 2 破舱稳性区域划分Fig. 2 Zone division of damage stability

表 3 纵向区域内主要舱室Table 3 Main cabins of longitudinal zone

利用Maxsurf软件的破舱稳性评估模块对该船进行破舱稳性评估，整理得到该船的破舱稳性计算结果如表4所示。表中：AS，AP，AL别为最深

3 危险区域构建

3.1 3种工况下的危险区域

首先，将完成概率破舱稳性评估后得到的大量数据进行整理，从中筛选出所需的破损区域（S＜1），也即危险区域。然后，按照RISK公式计算各个区域下的风险值，得到的部分数据如表5所示（以最深分舱吃水为例）。表中：Zn，N表示纵向破损考虑的区域，例如Z3，2表示考虑从Z3区域开始2个相邻区域破损，也就是Z3，Z4区域破损；Bn表示横向破损的穿透深度；Hn表示垂向能够到达第n块甲板；中点位置指该区域的纵向位置。

表 5 危险区域数据Table 5 The data of damagerous zone

以危险区域的中点位置为横坐标，风险值为纵坐标，依次在同一张图上标出单区域、双区域和三区域的危险区域分布情况，如图3所示。

由图3可以看出：在Z4单区域破损存在风险，风险值为0.041 591；较高风险值的危险区域分布在船舶的中前部，艏部的双区域破损风险值达到了最高值0.050 528，这与艏部发生破损的概率较高有关。由图3，还可直观、客观地看出整船危险区域分布情况及其风险值大小，但该图针对的仅是最深分舱吃水，具有局限性。重复上述步骤，对其他2种工况下的概率破舱稳性结果进行整理、筛选、计算、作图，得到其他2种工况下的风险区域分布如图4、图5所示。

由图4、图5可看出，在部分分舱吃水和轻载运营吃水工况下，不存在单区域破损的危险区域，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。

图 3 最深分舱吃水危险区域分布图Fig. 3 Distribution of dangerous zones for the deepest subdivision draft

图 4 部分分舱吃水危险区域分布图Fig. 4 Distribution of dangerous zones for the partial subdivision draft

图 5 轻载运营分舱吃水危险区域分布图Fig. 5 Distribution of dangerous zones for the lightweight subdivision draft

3.2 船舶破损后危险区域

由上述危险区域分布图可以看出，不同工况下，危险区域的分布各不相同，并存在着较大差异。对于本文所研究船舶来说，吃水越低，破舱稳性越好，对应的危险区域数目便越少，风险值也就越小。3种工况对船舶破损后危险区域均有影响，必须寻找一种方法将这3种工况进行整合。

为解决上述问题，设置了船舶总风险函数，其值由上述3种工况下的风险值共同决定，通过在3种风险值前加上相应的权重来衡量各个工况对船舶整体风险的影响程度。

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。

表 6 船舶破损后危险区域分布数据Table 6 Distribution data of dangerous zone after ship damage

图 6 船舶破损后危险区域分布图Fig. 6 Distribution of dangerous zones of the damaged ship

4 优化方案及AHP评估

舱室优化主要是调整水密分舱板的位置，从而生成新的舱室。重新进行大量的舱室划分工作量较大，可操作性不强，为此，本文将采用局部优化法，针对个别舱室进行调整，进而提高船舶破损后的安全性。

对舱室进行优化时，需要考虑较多的因素：

1） 舱室的实际用途；

2） 舱室内特定方向尺寸限制；

3） 舱室容积变化对经济性的影响；

4） 各种工况下船舶初始浮态的变化；

5） 船舶初稳性的变化；

6） 快速性、操纵性和耐波性等。

因此，在确定优化分舱方案之前，需综合考虑优化方案的可行性。本文将按照图7所示流程提出优化方案并进行评估。

图 7 优化方案评估流程Fig. 7 Evaluation process of optimal scheme

通过对比分析4幅危险区域分布图（图3～图6），可知Z4区域的风险指数较高，因而初步确定Z4区域为待优化区域。由表3，可知Z4区域为以第1货舱为主体的区域，主要包括第1货舱、底部压载水舱以及左、右压载水舱。本文将从纵向、横向和垂向来调整分舱水密板的位置，初步形成了5种优化方案。

4.1 舱室优化方案

4.1.1 优化方案的提出

方案1：在保证全船长度不变的情况下，将Z3与Z4区域的水密板向船艏方向移动5 m。

方案2：在保证全船长度不变的情况下，将Z3与Z4区域的水密板向船艏方向移动2 m。

方案3：在船舶宽度不变的情况下，将Z4区域的舷侧压载水舱宽度增加0.5 m，对应的第1货舱宽度减小1 m。

方案4：在船舶宽度不变的情况下，将Z4区域的舷侧压载水舱宽度减小0.5 m，货舱宽度增加1 m。

方案5：在船舶高度不变的情况下，将Z4区域底部双层底高度调整至4 m。

4.1.2 优化方案可行性分析

提出5种优化方案后，利用Maxsurf软件更改舱室的分布，重新建立新的分舱模型，同时进行各种性能的计算。此处的计算选用船舶满载工况进行，因满载工况下舱室利用率最高。此时，载重量较大，空余可用舱室容量较小，很难通过调整压载水来调整浮态。而其他工况则可通过调整压载水、货物装载位置、人员分布位置等来调整浮态，故进行可行性分析时选取满载工况进行。

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。

表 7 各方案性能计算结果Table 7 The performance calculation results of each scheme

由船舶设计手册可知，船舶要求的初始浮态为正浮或稍有艉倾。初稳性方面，要求GM≥0.15 m。本船的要求舱容为55 000 m3。

取货舱的型容积利用率KC=0.98，根据上式，可得船舱容积下限为56 122 m3。

以上述各项性能的限制值为纵坐标原点作图，如图8所示，判断各优化方案是否满足船舶性能要求。

图 8 船舶总舱容对比图Fig. 8 Comparison of ship's total capacity

由表7和图8可知，方案1，2，3，5均减小了舱容。但经过舱容计算整理后可知，更改后的舱容仍能达到要求的舱容。

由图9可知，在满载工况下，原模型及方案1，3，4，5的初始浮态均有不同幅度的小幅艉倾，在可接受范围内；而方案2有0.846 m的艏倾，这是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3 m，远大于要求的0.15 m，且相差不大，均满足初稳性要求。

图 9 初始浮态对比图Fig. 9 Comparison of initial floating state

图 10 初稳性高对比图Fig. 10 Comparison of initial metacentric height

通过对各种优化方案的可行性分析，发现方案1，3，4，5满足限制要求。对上述4种优化分舱模型进行概率破舱稳性的计算和危险区域的确定，可为AHP评估最优方案提供数据支撑。

整理的概率破舱稳性结果如图11所示。图中数值从左到右分别为原船舶、方案1、方案3、方案4和方案5的结果。

图 11 分舱指数结果对比Fig. 11 Comparison of subdivision index results

分析图11可知：

1） 方案1中，船舶的AS，A有所提高，AL和AP虽有小幅的减小，但减小后的数值仍然满足破舱稳性要求。这4种分舱指数均达到了SOLAS 2009公约要求，故此种方案可行。

2） 方案3中，3种工况下的A值均有所减小，破舱稳性降低，最深分舱吃水工况下的分舱指数为0.551 51，未达到SOLAS 2009公约要求，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。

4.2 AHP评估流程

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。

图 12 层次模型Fig. 12 Hierarchical model

在本案例中，根据各因素对船舶破舱后安全性的影响程度来判断4种准则的重要程度。所分析准则层的4个因素的重要性如表8所示。

表 8 各准则的重要程度Table 8 The importance of each criterion

表 9 准则层判断矩阵Table 9 The Judgment matrix of criterion layer

表 10 4种准则数据统计Table 10 Statistics of four guideline data

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。

表 11 分舱指数判断矩阵Table 11 The Judgment matrix of Subdivision index

分别计算方案层对C2，C3，C4的层次单排序结果，并将求得的特征向量制成表，如表12所示。表中：数字0.262 2，0.565 0，0.117 5，0.055 3指C层各因素对W层的影响程度；W-P指P层每个因素对W层的影响程度。

表 12 总排序权值Table 12 Total sorting weights

在本案例中，方案1相比其他方案为最优方案。

5 结 论

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。