張明霞 王涑宇 李 晶

（大連理工大學(xué) 船舶CAD工程中心 大連116024）

引 言

綠色船舶及綠色航運是未來船舶及航道的發(fā)展方向，防污染是油船設(shè)計時需要考慮的重要因素之一。傳統(tǒng)的油船防污染措施主要是在設(shè)置雙層底雙層殼、滿足一定的破艙穩(wěn)性衡準要求之外，還需要用確定性方法對假定泄油量進行計算與評估。國際海事組織（IMO）的海上環(huán)境保護委員會（MEPC）在第52次會議上采納了修正的73/78防污公約MARPOL附則I第23條規(guī)定，對2010年1月1日或以后交船的5 000載重噸及以上的油船要求對貨油艙進行意外泄油性能的評估，評估方法是基于概率方法進行。與傳統(tǒng)的確定性方法相比，使用概率方法評估意外泄油性能的計算要繁瑣得多［1-4］。如果采用手工計算，將更費時費力，效率很低；因此本文采用Matlab對基于概率的意外泄油性能參數(shù)計算加以程序化，簡化設(shè)計過程，從而使油船一旦分艙即可快速給出意外泄油性能的評估結(jié)果，為船舶實現(xiàn)快速合理化分艙提供決策依據(jù)。

1 意外泄油性能規(guī)范要求

MARPOL的附則I第23條規(guī)定：對5 000載重噸及以上的油輪，其平均泄油量參數(shù)OM應(yīng)滿足一定的衡準要求。貨油艙總?cè)萘坎煌鉁视兴兓?。下面對?guī)范要求進行具體介紹。

1.1 計算所需的相關(guān)數(shù)據(jù)

1.1.1 需提供的計算船舶相關(guān)數(shù)據(jù)

（1）夏季載重線吃水ds/m；

（2）船舶的型寬Bs/m；

（3）船舶的型深Ds/m；

（4）船舶的載重線船長L/m；

（5）吃水ds時的載重量DWT/t；

（6）為型深DS的30%dB/m；

（7）指dB水線處或下面的船舶最大型寬Bb/m；

（8）98%貨艙的總?cè)莘eC/m3；

（9）惰性氣體系統(tǒng)的正常超壓P/kPa；

（10）名義貨油密度ρn，ρn=1 000 DWT/C/(kg/m3)。

1.1.2 需提供的計算船舶各艙室的相關(guān)數(shù)據(jù)

（1）自船長L的最后端至艙室的最后一點的縱向距離Xa/m；

（2）自船長L的最后端至艙室的最前一點的縱向距離Xf/m；

（3）自型基線至艙室的最低一點的垂直距離Z1/m；

（4）自型基線至艙室的最高一點的垂直距離Zu/m；

（5）在所計及艙室和船側(cè)外板之間垂直于中心線量取的最小水平距離y/m；

（6）自位于水線dB處或下面艙室的最左一點至位于船舶中心線右舷B/2垂直平面的橫向距離YP/m；

（7）自位于水線dB處或下面艙室的最右一點至位于船舶中心線右舷B/2垂直平面的橫向距離YS/m；

（8）船底板最低一點至艙室最低一點的垂向距離z/m；

（9）每個貨油艙100%的型容積Oa/m3。

1.2 計算方法

平均泄油量參數(shù)OM可在分別計算側(cè)向破損的平均泄油量OMS和底部破損的平均泄油量OMB之后，通過以下公式將其組合求得OM：

1.2.1 側(cè)向破損的平均泄油量OMS

式中：

C3為側(cè)向破損系數(shù)。對于貨油艙內(nèi)具有兩個縱向艙壁時取0.77，其余取1.0；

OS為每個貨油艙在98%滿載時，側(cè)向破損后的泄油量，m3。

OS=0.99×0.98×Oa，其中0.99為貨油艙的滲透率；

PS為每個貨油艙的側(cè)向破損概率

式中：

PSL=1-PSf-PSa，損壞延伸至由Xa和Xf為界限的縱向區(qū)域的概率；

PSV=1-PSu-PSl，損壞延伸至由Z1和Zu為界限的垂直區(qū)域的概率；

PST=1-PSy，損壞橫向延伸超越由y定義的界限之外的概率。

PSf為損壞全部位于Xf/L位置前部的概率；

PSa為損壞全部位于Xa/L位置后部的概率；

PSu為損壞全部位于油艙上面的概率；

PSl為損壞全部位于油艙下面的概率；

PSy損壞全部在油艙外的概率。

上述概率分別根據(jù)Xa/L，Xf/L，Z1/DS，Zu/DS的比值（在表中由K表示）查表1得出。

表1 船側(cè)破損概率表［1］

PSy由式（4）～式（6）計算求得：

當(dāng)y/BS≤0.05時，

當(dāng)0.05＜y/BS＜0.1時，

當(dāng)y/BS≥0.1時，

1.2.2 底部破損的平均泄油量OMB

潮汐變化為-2.5 m時的底部破損的平均泄油量 的計算公式為：

式中：

（1）對于有雙層底結(jié)構(gòu)，CDB取0.6；無雙層底的結(jié)構(gòu)，CDB取為1.0。

（2）；0.99的含義同前。

OR為破損后貨艙內(nèi)剩余油量，由破損后剩余液面油位高hc，查艙容表得到。

其中：tc為潮汐變化，取0 m或-2.5 m；ρs為海水密度1.025 kg/m3；g為重力加速度，9.81 m/s2。

（3）PB：底部破損概率，PB=PBL PBV PBT

PBL=1-PBa-PBf，損壞延伸至由Xa和Xf為界限的縱向區(qū)域的破損概率；

PBT=1-PBP-PBs，損壞延伸至由YP和YS為界限的橫向區(qū)域的破損概率；

PBV=1-PBz，損壞延伸至由Z定義的界限之上的破損概率。

PBa為損壞全部位于Xa/L位置后部的概率；PBf為損壞全部位于Xf/L位置前部的概率；PBP為損壞全部在油艙左舷外的概率；PBs為損壞全部在油艙右舷外的概率；PBz為損壞全部在油艙之下的概率。

PBa、PBf、PBP和PBs均可由插值船底破損概率表得到。計算Xa/L、Xf/L、YP/BB和YS/BB（在表中由K表示），并由表2中插值得出PBa、PBf、PBP和PBs。

表2 船底破損概率表［1］

PBz由下式計算而得：

2 程序介紹

2.1 程序簡介

在按照概率法計算平均泄油量參數(shù)OM的過程中，需要根據(jù)各燃油艙的縱向、橫向及垂向位置，分別在船側(cè)破損概率表和船底破損概率表中插值得到相應(yīng)的破損概率，然后計算各艙室破損后的漏出油量，再將二者組合起來。本文基于Matlab平臺，編制了程序流程圖和計算平均泄油量參數(shù)OM的程序。

程序共包括4個模塊：輸入模塊、插值模塊、計算模塊和輸出模塊。

（1）程序輸入數(shù)據(jù)包括：主尺度要素及全部貨油艙室的位置數(shù)據(jù)及艙容線數(shù)。

（2）插值模塊包括：根據(jù)艙室縱向位置的插值模塊、根據(jù)艙室橫向位置的插值模塊、根據(jù)艙室垂向位置的插值模塊、艙容曲線插值模塊。

（3）計算模塊：計算出船側(cè)泄油量、船底破損后貨油艙殘存液面高度、貨油艙剩余油量、貨油艙泄露油量，最后求出總的泄油量及泄油量參數(shù)。

（4）輸出模塊：將計算過程及結(jié)果數(shù)據(jù)顯示在計算機屏幕并保存為獨立文件。

圖1 程序模塊功能圖

程序計算流程：首先輸入計算船舶的相關(guān)數(shù)據(jù)以及計算艙室的定位和艙容數(shù)據(jù)；在計算底部破損平均泄油量OMB時，程序先計算出各艙室底部破損后的剩余油面高度；然后插值艙容曲線，得到剩余油量。程序自動計算出結(jié)果，并將結(jié)果以一份報告的形式輸出，羅列出最終的計算結(jié)果以及計算過程中比較重要的數(shù)據(jù)。

2.2 程序流程圖

根據(jù)意外泄油性能參數(shù)計算方法，編制出圖2所示的程序流程圖。

圖2 程序流程圖

2.3 程序輸入

在已經(jīng)做好的Excel表中輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，程序在計算時自動從Excel中提取相關(guān)數(shù)據(jù)進行計算。圖3是程序運行輸入Excel表的部分截圖。

圖3 程序運行輸入Excel表截圖

2.4 插值與計算模塊

本程序?qū)⒋瑐?cè)以及船底的破損概率表，以數(shù)組的形式存入，由計算機插值得到各艙室的破損概率。插值函數(shù)使用的是Matlab里的Spline三次樣條插值，即用分段光滑曲線插值，每一段都是三次多項式。圖4是船側(cè)破損時的垂向概率插值曲線。

圖4 船側(cè)破損概率曲線

在計算底部破損時，由計算機根據(jù)輸入的各艙室艙容曲線表及計算得出的剩余油面高度，插值出剩余油量。

2.5 程序輸出

計算求得的最終平均泄油量參數(shù)會顯示在程序界面上；同時全部計算結(jié)果以計算報告的形式直接輸入到Excel表格中，方便查看計算結(jié)果。圖5是輸出的報告表的部分截圖（以2個艙室為例）。

2.6 程序代碼

Matlab編程語言簡潔緊湊，編程靈活。以下介紹如何使用Matlab編程語言，實現(xiàn)程序的輸入、計算和輸出功能。

2.6.1 輸入代碼

程序使用者需要在指定目錄的Excel里已設(shè)計好的表格中填寫計算所需的數(shù)據(jù)，以下語句可以讀取該目錄下Excel里指定單元格區(qū)域的數(shù)據(jù)，并以矩陣a的形式儲存。

圖5 部分輸出報告截圖

a=xlsread（'d：exeparameter.xlsx'，'c17：h25'）；

然后，以下語句將矩陣a中的數(shù)據(jù)按行分配到幾個數(shù)組之中，每個數(shù)組儲存不同艙室的同一特征值，便于計算時調(diào)用。

2.6.2 插值與計算代碼

本程序計算中的關(guān)鍵步驟是根據(jù)各艙室的定位數(shù)據(jù)，從破損概率表中插值得到破損概率?？捎靡韵麓a實現(xiàn)：

2.6.3 輸出代碼

計算的最終結(jié)果以及計算過程中的重要數(shù)據(jù)，均以數(shù)組的形式儲存，以下語句可以將這些數(shù)組中的值輸出到指定目錄下Excel表中已設(shè)計好的報告表中指定單元格區(qū)域。

2.6.4 用戶界面設(shè)計代碼

本程序設(shè)計出簡潔的用戶界面，所有代碼分別寫在每個‘button’中的callback函數(shù)中，可實現(xiàn)每個‘button’的功能。通過操縱‘button’的句柄，可將計算結(jié)果顯示在界面中的文本框中。例如：

3 程序可靠性驗證

以文獻［2］中的110 000 t阿芙拉型雙殼油輪為例進行計算，驗證本文程序的正確性。

3.1 輸入?yún)?shù)［2］

計算船舶的尺寸數(shù)據(jù)及艙容，載重量和惰性氣體系統(tǒng)壓力數(shù)據(jù)；計算船舶各計算貨油艙室的定位數(shù)據(jù)，艙容數(shù)據(jù)及漏油后的剩余油量數(shù)據(jù)。

表4 計算船舶計算艙室數(shù)據(jù)[2]

3.2 計算結(jié)果比較

平均泄油量參數(shù)由各艙的破損概率和破損后漏出油量組合得到，每一項的正確性可以保證最終結(jié)果的正確。計算結(jié)果見表5。根據(jù)表5，本程序插值求得的側(cè)向破損概率和底部破損概率與文獻［2］的結(jié)果基本相同。有少數(shù)概率值不同，其原因可能是因采用概率表插值曲線形式的不同而導(dǎo)致的。

表5 計算結(jié)果比較

4 結(jié) 論

本文簡要介紹了73/78防污公約MARPOL附則I第23條中以概率的方法計算平均漏油量參數(shù)OM的程序設(shè)計與實現(xiàn)方法；著重介紹如何基于Matlab實現(xiàn)該計算的程序化及程序總體流程圖，從Excel導(dǎo)入數(shù)據(jù)、插值概率，計算并輸出報告。將本程序的計算結(jié)果與文獻［2］的計算結(jié)果比較，證明本程序具有計算的可靠性以及較好的工程實用性。

［1］ 國際海事組織.73/78防污公約［M］.北京：人民出版社，2006.

［2］ 李銀球，劉禹，鄧愷.阿芙拉型雙殼油輪意外泄油性能研究［J］.船舶與海洋工程，2013（1）：17-23.

［3］ 陳銳，劉維國，鄧愛民.新燃油艙保護規(guī)則對大型公務(wù)船設(shè)計的影響［J］.中國艦船研究，2013（4）：42-45，58.

［4］ 陳曉隆.關(guān)于油船意外泄油性能的優(yōu)化［J］.廣東造船，2011（1）：32-35.

［5］ 劉保柱，蘇彥華，張宏林.Matlab7.0從入門到精通（修訂版）［M］.北京：人民郵電出版社，2010.