熊虎，盧曉平

海軍工程大學(xué)艦船工程系，湖北武漢430033

驅(qū)逐艦?zāi)筒ㄐ耘c人因中暈動(dòng)癥相關(guān)性分析

熊虎，盧曉平

海軍工程大學(xué)艦船工程系，湖北武漢430033

艦船耐波性不僅是衡量艦船總體性能的重要指標(biāo)，也對艦船上人員暈動(dòng)癥的發(fā)生有直接影響，因此，良好的耐波性設(shè)計(jì)是保障艦員舒適度和績效的基礎(chǔ)。采用切片法理論編寫耐波性計(jì)算程序，對DTMB 5415標(biāo)模進(jìn)行耐波性計(jì)算，得到在迎浪中不同航速下船艏、重心處的垂向加速度響應(yīng)，分析DTMB 5415標(biāo)模對應(yīng)的驅(qū)逐艦升沉運(yùn)動(dòng)時(shí)垂向加速度對人因中暈動(dòng)癥造成的影響，給出驅(qū)逐艦?zāi)筒ㄐ耘c人因中暈動(dòng)癥的數(shù)值關(guān)系。結(jié)果表明：船艏和重心處垂向加速度理論計(jì)算結(jié)果正確，準(zhǔn)確度滿足暈動(dòng)癥預(yù)報(bào)的要求；計(jì)算所得暈動(dòng)癥發(fā)生率規(guī)律合理，可作為驅(qū)逐艦船型暈動(dòng)癥發(fā)生率分析和預(yù)報(bào)，以及人因改善的資料。

耐波性；切片法；人因工程學(xué)；暈動(dòng)癥；驅(qū)逐艦

0 引 言

隨著艦船自動(dòng)化程度的不斷提升，艦員編制數(shù)量持續(xù)減少，人因工程學(xué)的運(yùn)用成為驅(qū)逐艦設(shè)計(jì)過程中不可分割的一部分。其重要性體現(xiàn)在2個(gè)方面：一是人因工程學(xué)的合理運(yùn)用為減少艦員數(shù)量，提高艦船自動(dòng)化程度創(chuàng)造了條件；二是人因工程學(xué)的充分應(yīng)用能直接提高艦員績效，從而提升艦船的安全性及綜合作戰(zhàn)能力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約80%的災(zāi)難、事故、過失和失敗歸因于人的因素（即“人因”）［1］。

在海軍艦船的設(shè)計(jì)和使用中，與人因聯(lián)系最為密切的是艦船耐波性。人因的研究與艦船耐波性研究的關(guān)系大致可以表述為：耐波性研究是人因研究的重要基礎(chǔ)和一個(gè)方面，而人因工程研究和人因問題的解決是耐波性研究的深入和主要應(yīng)用目標(biāo)之一。要深入和有效地開展海軍艦船的設(shè)計(jì)和使用中人因的研究，必須具備堅(jiān)實(shí)的耐波性研究基礎(chǔ)。

當(dāng)前耐波性的研究方法主要有船模試驗(yàn)法、CFD方法和理論計(jì)算方法［2］。船模試驗(yàn)方法受到船模尺寸、流場擾動(dòng)、測量精度、人為因素的限制，并且試驗(yàn)方法還需要耗費(fèi)大量的人力、物力與財(cái)力，通過試驗(yàn)方法獲取耐波性結(jié)果并不總是令人滿意。近年來，CFD方法發(fā)展迅速，但由于船舶耐波性問題屬于變化物面、帶自由表面的非線性流動(dòng)問題，船體搖擺運(yùn)動(dòng)、入射波運(yùn)動(dòng)、船舶航行和搖擺興波等各種運(yùn)動(dòng)及其受力的疊加耦合極其復(fù)雜，使得CFD在解決耐波性問題時(shí)精度不夠、耗時(shí)巨大，難以獲取理想的結(jié)果。勢流理論計(jì)算方法主要有切片法、二維半方法和三維方法［3］。三維方法由于計(jì)算復(fù)雜且精度較二維方法并沒有顯著的提升，沒有得到廣泛應(yīng)用；二維半方法是一種適于計(jì)算艦船高速運(yùn)動(dòng)時(shí)耐波性的方法，最近幾年得到了廣泛應(yīng)用，計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確；切片法是一種二維方法，經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，切片理論已成為耐波性的基本理論之一，常規(guī)的切片理論適于預(yù)報(bào)細(xì)長型艦船在斜浪中六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)［4］。無論是模型試驗(yàn)方法、CFD方法，還是切片法、二維半方法和三維方法，國內(nèi)耐波性的研究尚未發(fā)展到考量艦船設(shè)計(jì)和使用中人因問題的新層次，極少見到艦船耐波性與艦船人因指標(biāo)相關(guān)性的研究。在國外，這方面的研究早見端倪，至今已初顯規(guī)模。

本文擬在耐波性切片法計(jì)算的基礎(chǔ)上，針對大型驅(qū)逐艦標(biāo)模DTMB 5415開展耐波性與人因中暈動(dòng)癥關(guān)系的研究，得出暈動(dòng)癥與垂向加速度的相關(guān)性，以及改進(jìn)船型和耐波性設(shè)計(jì)對降低暈動(dòng)癥發(fā)生率的重要性。

1 人因中的暈動(dòng)癥

1.1 暈動(dòng)癥的概述

暈動(dòng)癥是由最近存儲(chǔ)線索與實(shí)際垂向線索之間的感官?zèng)_突或不匹配造成的。按照慣例，在海洋環(huán)境中，認(rèn)為暈動(dòng)癥最主要的組成因素是船舶垂向運(yùn)動(dòng)（垂蕩、縱搖和橫搖的垂直分量），因?yàn)榇捌渌木€性運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)對暈動(dòng)癥的影響通常較小［5］。

1.2 暈動(dòng)癥發(fā)生率經(jīng)驗(yàn)公式

2006年2～3月，國外開展了一項(xiàng)研究，127 m長的三體渡輪Benchijigua Express號（圖1）在加那利群島（Canary Islands）之間的公海進(jìn)行了多次2 h運(yùn)輸作業(yè)。該船應(yīng)用運(yùn)動(dòng)傳感器和船用雷達(dá)儀器提供海況信息。近2 000名乘客填寫了詳細(xì)的調(diào)查表。據(jù)報(bào)道，由于波高和航向的原因，60%～90%的乘客至少有一些暈動(dòng)癥的癥狀。筆者所在課題組曾在某預(yù)研項(xiàng)目中對高速三體船的適航性進(jìn)行過系統(tǒng)、深入的研究，研究結(jié)果表明，等排水量的單體船相對于三體船的適航性、橫搖穩(wěn)性都會(huì)差一些。因此，在相同的航態(tài)和排水量條件下，常規(guī)單體驅(qū)逐艦上艦員出現(xiàn)暈動(dòng)病癥狀的人數(shù)比例不會(huì)低于國外對127 m三體船研究所得的結(jié)果。在國外127 m三體船的研究中，作為暈動(dòng)癥評估問卷（MSAQ）的項(xiàng)目，胃腸道癥狀的反應(yīng)程度與被測試人員的航海次數(shù)成反比；在該項(xiàng)試驗(yàn)中，被試人員有著不同的航海經(jīng)歷，有些具有多次航海經(jīng)驗(yàn)（多于9班次），有些具有一定的航海經(jīng)驗(yàn)（2～8班次），也有一些缺乏航海經(jīng)驗(yàn)的（0～1班次），不同航海頻次乘員構(gòu)成的被試組正可以用于分析得出暈動(dòng)癥反應(yīng)程度與航海次數(shù)的相關(guān)性。另外，在暈動(dòng)癥評估問卷中，黑暗的夜晚乘船旅行者比早晨（可以見到地平線時(shí)）及白天乘船旅行者得分高［6］，即患暈動(dòng)癥的概率大。

圖1 澳大利亞建造的三體船F(xiàn)ig.1 Australian-built trimaran Benchijigua Express

通過研究志愿受試者發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)暈動(dòng)癥發(fā)生在船舶運(yùn)動(dòng)頻率為0.125～0.25 Hz時(shí)。暈動(dòng)癥的發(fā)生率隨加速度和遭受船舶運(yùn)動(dòng)時(shí)間的增加而增加。通常用于衡量暈動(dòng)癥的指標(biāo)是暈動(dòng)癥發(fā)生率（Motion Sickness Incidence，MSI），這也是受試人員遭受船舶運(yùn)動(dòng)后的嘔吐百分比［6］。

受試者坐在一個(gè)封閉、明亮的空調(diào)實(shí)驗(yàn)室中，經(jīng)歷2 h的單向正弦垂直加速度。選擇2 h的時(shí)限，是因?yàn)闀瀯?dòng)癥發(fā)生率在持續(xù)一段時(shí)間后（經(jīng)過一段時(shí)日，人們通常會(huì)適應(yīng)船舶運(yùn)動(dòng)）不再增加。注意，這里不考慮縱搖和橫搖。如果增加升沉分量可以預(yù)期到，則由非純升沉加速度所導(dǎo)致的暈動(dòng)癥發(fā)生率超過預(yù)估值。利用國外該類項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)和結(jié)果，McCauley等［7］得出了預(yù)測暈動(dòng)癥發(fā)生率的估算公式：

式中：MSI為暈動(dòng)癥發(fā)生率，按艦員遭受2 h船舶運(yùn)動(dòng)后的嘔吐概率定義；Φ為高斯分布概率密度的累積值，即高斯概率密度函數(shù)的不定積分，其表達(dá)式為

式中，z為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量。

式（1）中，Na，Nt′為與船體在波浪中升沉運(yùn)動(dòng)的垂向加速度a、頻率f和時(shí)間歷程t相關(guān)的物理量，其估算公式為：

式中：a為垂直加速度的有義值，g；t為測試對象遭受的時(shí)間歷程，min；f為船體在波浪中的升沉運(yùn)動(dòng)頻率，Hz。當(dāng)為正值時(shí)，Φ通過查閱數(shù)學(xué)手冊確定，或由式（2）計(jì)算得到；當(dāng)Na和為負(fù)值時(shí)，Φ由以下關(guān)系計(jì)算得到：

Colwell認(rèn)為，暈動(dòng)癥發(fā)生率簡化公式的計(jì)算結(jié)果與McCauley所得的數(shù)據(jù)相符，即平均誤差不超過1%、標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過6%［8］。

2 規(guī)則波中的標(biāo)模暈動(dòng)癥發(fā)生率計(jì)算

2.1 規(guī)則波中縱搖與垂蕩運(yùn)動(dòng)

由于艦船暈動(dòng)癥最主要的原因是船舶的垂向運(yùn)動(dòng)，通常迎浪時(shí)的垂向運(yùn)動(dòng)最為劇烈，故可以認(rèn)為，若艦船在迎浪狀態(tài)滿足垂向運(yùn)動(dòng)數(shù)值范圍，則其他浪向總能滿足要求。一般在艏樓常有較大的加速度，因此，根據(jù)STF方法，通過編程計(jì)算標(biāo)模DTMB 5415在迎浪中不同航速下艏部和重心處的垂向絕對加速度響應(yīng)［9］。假設(shè)重心在自由液面處。

建立固連于船的坐標(biāo)系o-xyz。其原點(diǎn)o在船重心G上，xGy平面平行于靜止時(shí)的載重水線面，Gx軸正向指向船艏，xGz平面在船的縱中剖面上，Gz垂直向上，坐標(biāo)系與船一起移動(dòng)和振蕩。垂蕩和縱搖的耦合方程可表示為

式中：m為排水質(zhì)量；z為垂蕩運(yùn)動(dòng)值；I為縱搖慣性矩；θ為縱搖角；A11為垂向附加質(zhì)量；A22為縱搖附加慣性矩；A12為垂蕩與縱搖耦合系數(shù)；A21為縱搖與垂蕩耦合系數(shù)；B11為垂蕩阻尼力系數(shù)；B22為縱搖阻尼力系數(shù)；B12為垂蕩與縱搖阻尼耦合力系數(shù)；B21為縱搖與垂蕩阻尼耦合力系數(shù)；C11為垂蕩復(fù)原力系數(shù)；C22為縱搖復(fù)原力系數(shù)；C12為垂蕩與縱搖復(fù)原力耦合系數(shù)；C21為縱搖與垂蕩復(fù)原力耦合系數(shù)；Fc，F(xiàn)s分別為擾動(dòng)力系數(shù)的實(shí)部和虛部；Mc，Ms分別為力矩系數(shù)的實(shí)部和虛部；ωe為遭遇頻率；t為遭受船舶運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。

由式（6）可得：

在上述方法的計(jì)算程序中，波幅取ζa=1，計(jì)算za和θa，解出艦?zāi)Ｉ?、縱搖的頻率響應(yīng)，進(jìn)而得出切片的絕對垂向加速度

艦?zāi)５脑庥鲱l率為

式中：ω為波浪圓頻率；g為重力加速度；v為航速，m/s；β為浪向角。

航行狀態(tài)分別取傅汝德數(shù)Fr=0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7和0.8，浪向角β=180°（迎浪），計(jì)算標(biāo)模DTMB 5415船艏和重心處的垂向加速度，所得值分別如圖2和圖3所示。圖中，H13為有義波高。

圖2 船艏垂向加速度Fig.2 Vertical acceleration of DTMB 5415 at the bow

圖3 重心處垂向加速度Fig.3 Vertical acceleration of DTMB 5415 at the center of gravity

國內(nèi)對各類艦船垂向加速度值的理論計(jì)算、試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬研究已很廣泛。為驗(yàn)證利用以上方法計(jì)算垂向加速度值的準(zhǔn)確性和有效性，將DTMB 5415艏部與文獻(xiàn)［9］中給出的驅(qū)逐艦艏部垂向加速度值進(jìn)行了對比，如圖4所示。

圖4 船艏垂向加速度對比Fig.4 The contrast of vertical acceleration at the bow

圖4中對DTMB 5415在Fr=0.2，0.3，0.4和0.5與文獻(xiàn)［9］所給驅(qū)逐艦Fr=0.263，0.351，0.409和0.468的艏部垂向加速度進(jìn)行了對比。文獻(xiàn)［9］中驅(qū)逐艦船型與DTMB 5415船型同屬方艉驅(qū)逐艦船型，且船型參數(shù)與傅汝德數(shù)接近，其垂向加速度特性大致相當(dāng)，具有可比性。由圖4可知，兩驅(qū)逐艦的垂向加速度曲線趨勢較為一致，數(shù)值上大致吻合，其吻合程度已足以說明本文垂向加速度計(jì)算方法的正確性和有效性。當(dāng)然，由于DTMB 5415為國外典型驅(qū)逐艦船型，文獻(xiàn)［9］中所給驅(qū)逐艦為國內(nèi)早期船型，二者的垂向加速度值存在偏差也在情理和預(yù)期之中。對于國外典型驅(qū)逐艦DTMB5415的耐波性模型試驗(yàn)和更詳細(xì)的理論計(jì)算方法，作者正在研究之中，這些工作可進(jìn)一步驗(yàn)證本文計(jì)算方法及結(jié)果的正確性和有效性。

2.2 暈動(dòng)癥與垂向加速度關(guān)系的計(jì)算與分析

根據(jù)1.2節(jié)給出的暈動(dòng)癥發(fā)生率計(jì)算公式及2.1節(jié)中的相關(guān)計(jì)算結(jié)果，可計(jì)算出所求驅(qū)逐艦標(biāo)模DTMB 5415對應(yīng)的驅(qū)逐艦在各航態(tài)下相應(yīng)運(yùn)動(dòng)頻率的暈動(dòng)癥發(fā)生率，這里給出一個(gè)算例。

算例：根據(jù)驅(qū)逐艦標(biāo)模DTMB 5415，計(jì)算對應(yīng)的驅(qū)逐艦在典型有義波高典型航速（巡航速度附近）Fr=0.28時(shí)，船艏處的暈動(dòng)癥發(fā)生率。

當(dāng)Fr=0.28時(shí)，由圖2可知船艏處的垂向加速度值為0.282g。上文已確定大多數(shù)暈動(dòng)癥發(fā)生在船舶運(yùn)動(dòng)頻率為0.125～0.25 Hz之間，這里取運(yùn)動(dòng)頻率0.15 Hz進(jìn)行計(jì)算，步驟如下：

1）將數(shù)據(jù)代入式（3），可得Na1=0.673；

2）將其代入式（4），人員遭受船舶運(yùn)動(dòng)的時(shí)間取2 h，可得Nt1′=1.995；

3）查閱標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表，可得

Φ（Na1）=0.56，Φ（Nt1′）=0.91

4）將以上數(shù)據(jù)代入式（1），得到MSI1= 50.96，即暈動(dòng)癥發(fā)生率為50.96%。

重復(fù)上述步驟，計(jì)算得到各有義波高下相應(yīng)運(yùn)動(dòng)頻率和航速的暈動(dòng)癥發(fā)生率。標(biāo)模DTMB 5415對應(yīng)的驅(qū)逐艦暈動(dòng)癥發(fā)生率如表1所示，相應(yīng)的三維視圖如圖5所示。

由圖5可知，在大多數(shù)航態(tài)下，DTMB 5415對應(yīng)的驅(qū)逐艦暈動(dòng)癥發(fā)生率均較低。由于我國驅(qū)逐艦排水量較美國“阿利·伯克”級驅(qū)逐艦小，在波浪中的搖擺運(yùn)動(dòng)（含垂向運(yùn)動(dòng)加速度）會(huì)更大，初步預(yù)期國內(nèi)驅(qū)逐艦暈動(dòng)癥發(fā)生率會(huì)比上述針對美國“阿利·伯克”級驅(qū)逐艦所得結(jié)果更高。國內(nèi)驅(qū)逐艦，從艦船耐波性的角度優(yōu)化船型或采取其他改善耐波性的設(shè)計(jì)和運(yùn)營措施，降低驅(qū)逐艦的垂向加速度值，從而減弱暈動(dòng)癥發(fā)生的主要因素，減少暈動(dòng)癥對驅(qū)逐艦整體性能的影響十分必要，對進(jìn)一步提高國內(nèi)驅(qū)逐艦的作戰(zhàn)性能和人因指標(biāo)均有重要意義。

表1 DTMB 5415對應(yīng)的驅(qū)逐艦暈動(dòng)癥發(fā)生率Table 1 DTMB 5415 corresponding destroyer motion sickness incidence

圖5 DTMB 5415對應(yīng)的驅(qū)逐艦暈動(dòng)癥發(fā)生率Fig.5 DTMB 5415 corresponding destroyer motion sickness incidence

2.3 結(jié)果驗(yàn)證

這里結(jié)合Piscopo等［10］給出的計(jì)算方法校驗(yàn)本文中暈動(dòng)癥發(fā)生率計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

式中：m4為船舶垂向運(yùn)動(dòng)波譜的第4階譜矩［11］；μMSI為系數(shù)，由勞氏船級社給出的公式計(jì)算得出。

式中，m2為船舶垂向運(yùn)動(dòng)波譜的第2階譜矩［11］，其中根據(jù)有義波高H13、特征周期T、遭遇頻率ωe得出。

n階譜矩：

用上述驗(yàn)證方法，同樣計(jì)算驅(qū)逐艦標(biāo)模對應(yīng)的驅(qū)逐艦在有義波高典型航速Fr=0.28時(shí)，船艏處暈動(dòng)癥的發(fā)生率為54.19%，比文中計(jì)算值50.96%要大3.23%，誤差在合理范圍之內(nèi)。使用該方法，計(jì)算各航態(tài)下船艏和重心處的暈動(dòng)癥發(fā)病率，所得暈動(dòng)癥發(fā)生率如表2所示，相應(yīng)的三維視圖如圖6所示。將采用驗(yàn)證方法所得表2數(shù)據(jù)與文中方法計(jì)算所得表1數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，誤差均在5%左右，說明本文所使用的計(jì)算方法準(zhǔn)確性較好。

表2 驗(yàn)證方法計(jì)算所得暈動(dòng)癥發(fā)生率Table 2 Motion sickness incidence calculated by the method in Reference[10]

圖6 驗(yàn)證方法計(jì)算所得暈動(dòng)癥發(fā)生率Fig.6 Motion sickness incidence calculated by the method in Reference[10]

3 結(jié) 語

隨著海軍艦船的不斷發(fā)展，艦船設(shè)計(jì)將不可避免地與諸如人因工程等新理念相結(jié)合，需從多學(xué)科、多層次考量提升驅(qū)逐艦的耐波性、操縱性、波浪中穩(wěn)性以及艦員的績效、居住舒適度，降低人的因素對艦船戰(zhàn)斗性能的不利影響。

本文計(jì)算了標(biāo)模DTMB 5415各航態(tài)下迎浪運(yùn)動(dòng)時(shí)艏部和重心處的垂向加速度值，并進(jìn)一步計(jì)算了不同垂向加速度值時(shí)艦員發(fā)生暈動(dòng)癥的概率。當(dāng)然，暈動(dòng)癥是一個(gè)受人的自身精神狀態(tài)、光照、聲音、氣味、船體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等諸多因素共同作用影響的病癥，此處只是將暈動(dòng)癥的主要影響因素（垂向加速度值）納入考慮范圍，可以大致預(yù)測出驅(qū)逐艦?zāi)筒ㄐ耘c艦員暈動(dòng)癥發(fā)生率之間的數(shù)值關(guān)系。未來可以經(jīng)過實(shí)船試驗(yàn)研究，驗(yàn)證理論計(jì)算的準(zhǔn)確性，完善理論計(jì)算方法，并進(jìn)一步總結(jié)艦船耐波性與暈動(dòng)癥的數(shù)值關(guān)系，以作為艦船設(shè)計(jì)過程中耐波性和人因工程設(shè)計(jì)的一個(gè)參考。

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Analysis of correlation between destroyer seakeeping and motion sickness in human factors

XIONG Hu，LU Xiaoping
Department of Naval Architecture Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

Seakeeping is not only an important indicator of the overall performance of a ship，it also has a direct impact on the occurrence of motion sickness among ship personnel；as such,a good seakeeping design is the basis for guaranteeing the crew's comfort and work performance.In this paper,a seakeeping calculation program using the theory of the strip method is written to calculate the seakeeping of the DTMB 5415 standard model,and the vertical acceleration response at the bow and the center of gravity in head waves and under different speeds are obtained.Next,the effects on motion sickness of the vertical accelerations of DTMB 5415 corresponding to the destroyer's heaving are analyzed,and the numerical relationship of motion sickness with the destroyer's seakeeping performance is obtained.The results show that the calculated vertical accelerations at the bow and center of gravity are correct,the accuracy of which satisfies the requirements of motion sickness prediction;and the calculated regularities of the motion sickness are reasonable,and can be applied to analyze and predict the incidence of motion sickness on a ship,as well as to improve human factors in the hull form design of destroyers.

seakeeping；strip method；human factors engineering；motion sickness；destroyer

U661.32

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.006

2016-04-25

2016-12-28 15:57

海軍工程大學(xué)社會(huì)科學(xué)基金資助項(xiàng)目（HGDSK2015E06）

熊虎，男，1992年生，碩士生。研究方向：艦船水動(dòng)力性能研究。E-mail：398820941@qq.com盧曉平（通信作者），男，1957年生，博士，教授。研究方向：艦船水動(dòng)力性能研究。E-mail：luxiaoping100@163.com

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20161228.1557.030.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

熊虎，盧曉平.驅(qū)逐艦?zāi)筒ㄐ耘c人因中暈動(dòng)癥相關(guān)性分析［J］.中國艦船研究，2017，12（1）：32-37. XIONG H，LU X P.Analysis of correlation between destroyer seakeeping and motion sickness in human factors［J］.Chi?nese Journal of Ship Research，2017，12（1）：32-37.