邊金寧，陳淼，韓濤

哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

0 引 言

多年來，不斷發(fā)生的大型海難事故，造成了嚴(yán)重的人員和財(cái)產(chǎn)損失[1]。船舶安全性是設(shè)計(jì)之初需要首要考慮的因素，因此如何客觀評(píng)價(jià)船舶破損后的安全性，并提出總布置優(yōu)化方案來提高船舶破損后的安全性就顯得很有必要。

在船舶完整穩(wěn)性方面，學(xué)者們進(jìn)行了多年的研究，內(nèi)容已基本完善。但破艙穩(wěn)性因具有復(fù)雜性、隨機(jī)性和時(shí)域性的特點(diǎn)，導(dǎo)致船舶破損穩(wěn)性研究較困難。Papanikolaou等[2]對(duì)IMO制定的有關(guān)概率破艙穩(wěn)性規(guī)則進(jìn)行了歷史性回顧。在科研人員的不斷探索下，破艙穩(wěn)性研究方法已由確定性方法轉(zhuǎn)為更加貼近真實(shí)的概率性方法。而計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展則促進(jìn)了概率性破艙穩(wěn)性的實(shí)施[3]。隨著SOLAS 2009公約[4]的執(zhí)行，更多的學(xué)者開始進(jìn)行相關(guān)研究。黃武剛[5]和周曉明[6]分別依托FORAN，VBA軟件，對(duì)船舶的破艙穩(wěn)性進(jìn)行了研究，二人均較好地評(píng)估了船舶破損后的破艙穩(wěn)性。蘆樹平等[7]以SOLAS 2009公約為指導(dǎo)，利用數(shù)值仿真方法評(píng)估了貨船的概率性破艙穩(wěn)性，驗(yàn)證了計(jì)算機(jī)在評(píng)估概率破艙穩(wěn)性上的可行性。

船舶艙室劃分對(duì)穩(wěn)性而言至關(guān)重要。Ehrling[8]最早進(jìn)行分艙研究，其所在小組在大量分艙試驗(yàn)的基礎(chǔ)上最終形成了基于“業(yè)務(wù)衡準(zhǔn)數(shù)”、“分艙因數(shù)”和“平均滲透率”的確定性分艙計(jì)算方法。之后，很多學(xué)者針對(duì)船舶優(yōu)化分艙對(duì)破艙穩(wěn)性的影響進(jìn)行了研究。孫家鵬等[9]和孫國軍[10]研究了破艙穩(wěn)性與艙室劃分之間的關(guān)系，以大量的分艙方案為基礎(chǔ)，對(duì)比分析了各種分艙方案的分艙指數(shù)大小，最終得到了最佳分艙方案。但這種方案耗時(shí)較長，且分艙指數(shù)不能作為衡量船舶破損后安全性的唯一標(biāo)準(zhǔn)。以上學(xué)者并未從多個(gè)角度分析船舶破損后的安全性，也未基于多因素來探討船舶艙室優(yōu)化對(duì)船舶破損后安全性的影響。

Vanem等[11]提出了一種基于風(fēng)險(xiǎn)的用來考察客船破艙穩(wěn)性的方法，其通過建模分析和評(píng)估指出分艙指數(shù)與船舶風(fēng)險(xiǎn)密切相關(guān)，該方法從風(fēng)險(xiǎn)的角度考慮了船舶破損后的安全性，較合理，但未考慮艙室優(yōu)化與船舶破損安全性的關(guān)系。層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）是一種基于多準(zhǔn)則的決策方法，已被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外的經(jīng)濟(jì)分析和企業(yè)管理等方面，但在船舶行業(yè)應(yīng)用較少。張文泉[12]利用AHP對(duì)航道內(nèi)船舶的引航風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析。趙楠等[13]利用AHP與模糊評(píng)價(jià)法相結(jié)合的方法對(duì)生活區(qū)艙室布局設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，驗(yàn)證該方法在船舶行業(yè)同樣適用，但在評(píng)估船舶安全性方面AHP方法還未得到應(yīng)用。

本文將以提高船舶破損后的安全性為目標(biāo)，首先評(píng)估實(shí)船的概率破艙穩(wěn)性，提出危險(xiǎn)區(qū)域的概念，將船舶破損后的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行可視化及量化處理，分別給出不同工況下的危險(xiǎn)區(qū)域分布圖；接著，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較高的局部區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化處理，調(diào)整分艙水密板以形成不同的優(yōu)化方案，考慮優(yōu)化方案的可行性，對(duì)可行的分艙方案重新進(jìn)行破艙穩(wěn)性評(píng)估及危險(xiǎn)區(qū)域構(gòu)建；然后，采用AHP方法，以分艙指數(shù)大小、危險(xiǎn)區(qū)域類型和數(shù)量為準(zhǔn)則評(píng)估優(yōu)化方案，確定不同準(zhǔn)則對(duì)于船舶安全性的權(quán)重，得到最優(yōu)化方案；最后，驗(yàn)證調(diào)整局部艙室布局及尺寸在提高船舶破損后安全性方面的可行性，同時(shí)構(gòu)建以提高船舶破損后安全性為目標(biāo)、基于多準(zhǔn)則的評(píng)價(jià)方法，并通過實(shí)例驗(yàn)證評(píng)價(jià)結(jié)果的合理性與科學(xué)性。

1 計(jì)算原理

1.1 危險(xiǎn)區(qū)域假設(shè)

式中，V為水平水密間隔不破損概率。

1.2 AHP原理

AHP是由美國運(yùn)籌學(xué)家Satty[15]提出的一種方法，其基本思想是：根據(jù)待決策問題的目標(biāo)及性質(zhì)，將一個(gè)復(fù)雜的問題按照層次進(jìn)行分析，形成一個(gè)自上而下的遞階層次，然后逐層求解下一層相對(duì)上一層的影響因子大小，最終得到最下層對(duì)目標(biāo)的影響程度。該方法可將人對(duì)各種影響因素的定性理解定量地確定下來，然后通過數(shù)學(xué)方法確定各個(gè)影響因子對(duì)目標(biāo)的影響程度。主要包括4大步驟：

1） 建立層次結(jié)構(gòu)模型。將問題包含的因素自上而下劃分為3個(gè)層次[16]，即目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層，然后用框圖的形式說明層次間結(jié)構(gòu)與各因素的從屬關(guān)系。

2） 構(gòu)造判斷矩陣。該矩陣為形成矩陣，采用標(biāo)度1～9及其倒數(shù)進(jìn)行標(biāo)度，通過元素之間的兩兩對(duì)比得到具體數(shù)值。

2 實(shí)船破艙穩(wěn)性評(píng)估

2.1 實(shí)船數(shù)值模型

本文將以某概念游輪為例進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算和方法驗(yàn)證，參數(shù)如表1所示。

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

采用船舶建模軟件Maxsurf對(duì)該船進(jìn)行建模，并根據(jù)各艙室的位置、類型等信息，在封閉船模中建立艙室。完成艙室的建立后，模型準(zhǔn)備工作即完成，渲染后的分艙模型如圖1所示。

圖 1 船舶分艙模型Fig. 1 Ship subdivision model

2.2 破艙穩(wěn)性評(píng)估

表 2 計(jì)算工況浮態(tài)Table 2 Floating state of calculation conditions

對(duì)該船舶進(jìn)行破損區(qū)域劃分。依據(jù)水密板位置，首先將該船沿縱向劃分為10個(gè)區(qū)域，然后再將上述各區(qū)域分別劃分為橫向和垂向區(qū)域，劃分完成后的效果如圖2所示。各縱向區(qū)域內(nèi)的主要艙室如表3所示。因過長的區(qū)域發(fā)生破損的概率極低，故可不予考慮。依據(jù)SOLAS公約的規(guī)定，該模型最大的破損區(qū)域有3個(gè)，可進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，以減小計(jì)算量。

圖 2 破艙穩(wěn)性區(qū)域劃分Fig. 2 Zone division of damage stability

表 3 縱向區(qū)域內(nèi)主要艙室Table 3 Main cabins of longitudinal zone

利用Maxsurf軟件的破艙穩(wěn)性評(píng)估模塊對(duì)該船進(jìn)行破艙穩(wěn)性評(píng)估，整理得到該船的破艙穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果如表4所示。表中：AS，AP，AL別為最深

3 危險(xiǎn)區(qū)域構(gòu)建

3.1 3種工況下的危險(xiǎn)區(qū)域

首先，將完成概率破艙穩(wěn)性評(píng)估后得到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，從中篩選出所需的破損區(qū)域（S＜1），也即危險(xiǎn)區(qū)域。然后，按照RISK公式計(jì)算各個(gè)區(qū)域下的風(fēng)險(xiǎn)值，得到的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表5所示（以最深分艙吃水為例）。表中：Zn，N表示縱向破損考慮的區(qū)域，例如Z3，2表示考慮從Z3區(qū)域開始2個(gè)相鄰區(qū)域破損，也就是Z3，Z4區(qū)域破損；Bn表示橫向破損的穿透深度；Hn表示垂向能夠到達(dá)第n塊甲板；中點(diǎn)位置指該區(qū)域的縱向位置。

表 5 危險(xiǎn)區(qū)域數(shù)據(jù)Table 5 The data of damagerous zone

以危險(xiǎn)區(qū)域的中點(diǎn)位置為橫坐標(biāo)，風(fēng)險(xiǎn)值為縱坐標(biāo)，依次在同一張圖上標(biāo)出單區(qū)域、雙區(qū)域和三區(qū)域的危險(xiǎn)區(qū)域分布情況，如圖3所示。

由圖3可以看出：在Z4單區(qū)域破損存在風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)值為0.041 591；較高風(fēng)險(xiǎn)值的危險(xiǎn)區(qū)域分布在船舶的中前部，艏部的雙區(qū)域破損風(fēng)險(xiǎn)值達(dá)到了最高值0.050 528，這與艏部發(fā)生破損的概率較高有關(guān)。由圖3，還可直觀、客觀地看出整船危險(xiǎn)區(qū)域分布情況及其風(fēng)險(xiǎn)值大小，但該圖針對(duì)的僅是最深分艙吃水，具有局限性。重復(fù)上述步驟，對(duì)其他2種工況下的概率破艙穩(wěn)性結(jié)果進(jìn)行整理、篩選、計(jì)算、作圖，得到其他2種工況下的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域分布如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可看出，在部分分艙吃水和輕載運(yùn)營吃水工況下，不存在單區(qū)域破損的危險(xiǎn)區(qū)域，其中在部分分艙吃水工況下風(fēng)險(xiǎn)值較大的危險(xiǎn)區(qū)域在Z4，Z5區(qū)域，且在該工況下還存在著許多三區(qū)域破損的危險(xiǎn)區(qū)域。在輕載運(yùn)營吃水工況下，危險(xiǎn)區(qū)域的數(shù)目明顯減少，且只存在三區(qū)域同時(shí)破損的危險(xiǎn)區(qū)域。

圖 3 最深分艙吃水危險(xiǎn)區(qū)域分布圖Fig. 3 Distribution of dangerous zones for the deepest subdivision draft

圖 4 部分分艙吃水危險(xiǎn)區(qū)域分布圖Fig. 4 Distribution of dangerous zones for the partial subdivision draft

圖 5 輕載運(yùn)營分艙吃水危險(xiǎn)區(qū)域分布圖Fig. 5 Distribution of dangerous zones for the lightweight subdivision draft

3.2 船舶破損后危險(xiǎn)區(qū)域

由上述危險(xiǎn)區(qū)域分布圖可以看出，不同工況下，危險(xiǎn)區(qū)域的分布各不相同，并存在著較大差異。對(duì)于本文所研究船舶來說，吃水越低，破艙穩(wěn)性越好，對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)區(qū)域數(shù)目便越少，風(fēng)險(xiǎn)值也就越小。3種工況對(duì)船舶破損后危險(xiǎn)區(qū)域均有影響，必須尋找一種方法將這3種工況進(jìn)行整合。

為解決上述問題，設(shè)置了船舶總風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)，其值由上述3種工況下的風(fēng)險(xiǎn)值共同決定，通過在3種風(fēng)險(xiǎn)值前加上相應(yīng)的權(quán)重來衡量各個(gè)工況對(duì)船舶整體風(fēng)險(xiǎn)的影響程度。

將3種工況下所有的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域全部列出，利用總風(fēng)險(xiǎn)公式進(jìn)行計(jì)算，部分結(jié)果如表6所示。針對(duì)此表制作的危險(xiǎn)區(qū)域分布如圖6所示。

表 6 船舶破損后危險(xiǎn)區(qū)域分布數(shù)據(jù)Table 6 Distribution data of dangerous zone after ship damage

圖 6 船舶破損后危險(xiǎn)區(qū)域分布圖Fig. 6 Distribution of dangerous zones of the damaged ship

4 優(yōu)化方案及AHP評(píng)估

艙室優(yōu)化主要是調(diào)整水密分艙板的位置，從而生成新的艙室。重新進(jìn)行大量的艙室劃分工作量較大，可操作性不強(qiáng)，為此，本文將采用局部優(yōu)化法，針對(duì)個(gè)別艙室進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而提高船舶破損后的安全性。

對(duì)艙室進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，需要考慮較多的因素：

1） 艙室的實(shí)際用途；

2） 艙室內(nèi)特定方向尺寸限制；

3） 艙室容積變化對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響；

4） 各種工況下船舶初始浮態(tài)的變化；

5） 船舶初穩(wěn)性的變化；

6） 快速性、操縱性和耐波性等。

因此，在確定優(yōu)化分艙方案之前，需綜合考慮優(yōu)化方案的可行性。本文將按照?qǐng)D7所示流程提出優(yōu)化方案并進(jìn)行評(píng)估。

圖 7 優(yōu)化方案評(píng)估流程Fig. 7 Evaluation process of optimal scheme

通過對(duì)比分析4幅危險(xiǎn)區(qū)域分布圖（圖3～圖6），可知Z4區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)較高，因而初步確定Z4區(qū)域?yàn)榇齼?yōu)化區(qū)域。由表3，可知Z4區(qū)域?yàn)橐缘?貨艙為主體的區(qū)域，主要包括第1貨艙、底部壓載水艙以及左、右壓載水艙。本文將從縱向、橫向和垂向來調(diào)整分艙水密板的位置，初步形成了5種優(yōu)化方案。

4.1 艙室優(yōu)化方案

4.1.1 優(yōu)化方案的提出

方案1：在保證全船長度不變的情況下，將Z3與Z4區(qū)域的水密板向船艏方向移動(dòng)5 m。

方案2：在保證全船長度不變的情況下，將Z3與Z4區(qū)域的水密板向船艏方向移動(dòng)2 m。

方案3：在船舶寬度不變的情況下，將Z4區(qū)域的舷側(cè)壓載水艙寬度增加0.5 m，對(duì)應(yīng)的第1貨艙寬度減小1 m。

方案4：在船舶寬度不變的情況下，將Z4區(qū)域的舷側(cè)壓載水艙寬度減小0.5 m，貨艙寬度增加1 m。

方案5：在船舶高度不變的情況下，將Z4區(qū)域底部雙層底高度調(diào)整至4 m。

4.1.2 優(yōu)化方案可行性分析

提出5種優(yōu)化方案后，利用Maxsurf軟件更改艙室的分布，重新建立新的分艙模型，同時(shí)進(jìn)行各種性能的計(jì)算。此處的計(jì)算選用船舶滿載工況進(jìn)行，因滿載工況下艙室利用率最高。此時(shí)，載重量較大，空余可用艙室容量較小，很難通過調(diào)整壓載水來調(diào)整浮態(tài)。而其他工況則可通過調(diào)整壓載水、貨物裝載位置、人員分布位置等來調(diào)整浮態(tài)，故進(jìn)行可行性分析時(shí)選取滿載工況進(jìn)行。

本次更改的艙室主要為第1貨艙位置，本艙室無特殊設(shè)備及尺寸限制要求，主要考慮更改后艙室艙容的變化。

在滿載工況下，船舶的浮態(tài)、重心高以及初穩(wěn)性均會(huì)發(fā)生變化。本次更改時(shí)因全船主尺度及大部分艙室分布不變，故主要考慮船舶初穩(wěn)性、初始船舶浮態(tài)的變化，對(duì)于操縱性和快速性等不予單獨(dú)考慮。

利用Maxsurf軟件進(jìn)行滿載工況下各種性能的計(jì)算，結(jié)果如表7所示。

表 7 各方案性能計(jì)算結(jié)果Table 7 The performance calculation results of each scheme

由船舶設(shè)計(jì)手冊可知，船舶要求的初始浮態(tài)為正浮或稍有艉傾。初穩(wěn)性方面，要求GM≥0.15 m。本船的要求艙容為55 000 m3。

取貨艙的型容積利用率KC=0.98，根據(jù)上式，可得船艙容積下限為56 122 m3。

以上述各項(xiàng)性能的限制值為縱坐標(biāo)原點(diǎn)作圖，如圖8所示，判斷各優(yōu)化方案是否滿足船舶性能要求。

圖 8 船舶總艙容對(duì)比圖Fig. 8 Comparison of ship's total capacity

由表7和圖8可知，方案1，2，3，5均減小了艙容。但經(jīng)過艙容計(jì)算整理后可知，更改后的艙容仍能達(dá)到要求的艙容。

由圖9可知，在滿載工況下，原模型及方案1，3，4，5的初始浮態(tài)均有不同幅度的小幅艉傾，在可接受范圍內(nèi)；而方案2有0.846 m的艏傾，這是船舶初始浮態(tài)所不允許的，故方案2不合理。

由圖10可知，5種分艙模型的初穩(wěn)性高均超過了3 m，遠(yuǎn)大于要求的0.15 m，且相差不大，均滿足初穩(wěn)性要求。

圖 9 初始浮態(tài)對(duì)比圖Fig. 9 Comparison of initial floating state

圖 10 初穩(wěn)性高對(duì)比圖Fig. 10 Comparison of initial metacentric height

通過對(duì)各種優(yōu)化方案的可行性分析，發(fā)現(xiàn)方案1，3，4，5滿足限制要求。對(duì)上述4種優(yōu)化分艙模型進(jìn)行概率破艙穩(wěn)性的計(jì)算和危險(xiǎn)區(qū)域的確定，可為AHP評(píng)估最優(yōu)方案提供數(shù)據(jù)支撐。

整理的概率破艙穩(wěn)性結(jié)果如圖11所示。圖中數(shù)值從左到右分別為原船舶、方案1、方案3、方案4和方案5的結(jié)果。

圖 11 分艙指數(shù)結(jié)果對(duì)比Fig. 11 Comparison of subdivision index results

分析圖11可知：

1） 方案1中，船舶的AS，A有所提高，AL和AP雖有小幅的減小，但減小后的數(shù)值仍然滿足破艙穩(wěn)性要求。這4種分艙指數(shù)均達(dá)到了SOLAS 2009公約要求，故此種方案可行。

2） 方案3中，3種工況下的A值均有所減小，破艙穩(wěn)性降低，最深分艙吃水工況下的分艙指數(shù)為0.551 51，未達(dá)到SOLAS 2009公約要求，故此方案不可行。

3） 方案4中的AS，AP和A有小幅的增加，最終滿足公約要求。

4） 方案5中的AS，AL和A有小幅增加，最終滿足公約要求。

按照本文所提的危險(xiǎn)區(qū)域概念，重新計(jì)算滿足破艙穩(wěn)性方案（方案1，4，5）下的船舶破損后危險(xiǎn)區(qū)域數(shù)。通過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，各個(gè)方案均有可取之處，有的方案分艙指數(shù)高，有的方案危險(xiǎn)區(qū)域數(shù)目少，為尋找一種最優(yōu)方案，引入了AHP評(píng)價(jià)法，在考慮分艙指數(shù)、單區(qū)域危險(xiǎn)區(qū)域數(shù)，雙區(qū)域危險(xiǎn)區(qū)域數(shù)和三區(qū)域危險(xiǎn)區(qū)域數(shù)的情況下評(píng)估各方案。

4.2 AHP評(píng)估流程

此模型中，目標(biāo)層為提高船舶破損后的安全性，準(zhǔn)則層為分艙指數(shù)、單區(qū)域危險(xiǎn)區(qū)域數(shù)目、雙區(qū)域危險(xiǎn)區(qū)域數(shù)目和三區(qū)域危險(xiǎn)區(qū)域數(shù)，方案層為優(yōu)化方案。層次結(jié)構(gòu)模型如圖12所示。

圖 12 層次模型Fig. 12 Hierarchical model

在本案例中，根據(jù)各因素對(duì)船舶破艙后安全性的影響程度來判斷4種準(zhǔn)則的重要程度。所分析準(zhǔn)則層的4個(gè)因素的重要性如表8所示。

表 8 各準(zhǔn)則的重要程度Table 8 The importance of each criterion

表 9 準(zhǔn)則層判斷矩陣Table 9 The Judgment matrix of criterion layer

表 10 4種準(zhǔn)則數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 10 Statistics of four guideline data

以A為例構(gòu)造方案層對(duì)分艙指數(shù)準(zhǔn)則的判斷矩陣，如表11所示。表中，P1，P2，P3分別代表方案1，方案4和方案5。

表 11 分艙指數(shù)判斷矩陣Table 11 The Judgment matrix of Subdivision index

分別計(jì)算方案層對(duì)C2，C3，C4的層次單排序結(jié)果，并將求得的特征向量制成表，如表12所示。表中：數(shù)字0.262 2，0.565 0，0.117 5，0.055 3指C層各因素對(duì)W層的影響程度；W-P指P層每個(gè)因素對(duì)W層的影響程度。

表 12 總排序權(quán)值Table 12 Total sorting weights

在本案例中，方案1相比其他方案為最優(yōu)方案。

5 結(jié) 論

本文采用船舶概率破艙穩(wěn)評(píng)估法和AHP法，針對(duì)優(yōu)化分艙對(duì)船舶破損后安全性的影響進(jìn)行了研究，得到如下主要結(jié)論：

1） 從危險(xiǎn)區(qū)域分布圖中可以快速、直觀、準(zhǔn)確地看出船舶破損后危險(xiǎn)區(qū)域的位置分布情況，風(fēng)險(xiǎn)值可用于衡量各個(gè)區(qū)域的危險(xiǎn)程度。

2） 不同工況下的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域數(shù)量、分布位置差異較大，可由船舶破損危險(xiǎn)場景分布來觀察整船的破損后危險(xiǎn)場景分布。

3） 針對(duì)局部高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行艙室優(yōu)化可以達(dá)到提高船舶破艙穩(wěn)性、減小危險(xiǎn)場景數(shù)量的目的。

4） 以提高船舶破損后的安全性為目標(biāo)，以分艙指數(shù)、風(fēng)險(xiǎn)場景類型及數(shù)量為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，采用AHP方法可以客觀地得到最優(yōu)艙室優(yōu)化方案，此方法可為今后基于多準(zhǔn)則評(píng)價(jià)船舶破損后安全性提供重要依據(jù)。

由于本文篇幅有限且注重方法的結(jié)合應(yīng)用，提出的優(yōu)化方案較少，在后續(xù)研究中可以將不同方向的優(yōu)化方案進(jìn)行結(jié)合處理，也可以增加評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，完善評(píng)價(jià)船舶破損安全性的方法，以在船舶設(shè)計(jì)初期最大程度地提高船舶破損后的安全性。