車霖源，王 丹，陳偉民，陳建挺，金允龍

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 a.航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.航運(yùn)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135)

0 引 言

在船舶設(shè)計(jì)階段，對(duì)船舶的快速性能進(jìn)行評(píng)價(jià)尤為重要。船舶設(shè)計(jì)、建造和使用人員需了解當(dāng)前船舶在同類船舶中所處的位置，判斷其是否具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。采用不同的評(píng)價(jià)方法會(huì)得到不同的結(jié)果，因此對(duì)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行統(tǒng)一尤為重要。早在2000年，交通運(yùn)輸部就發(fā)布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《新建及購(gòu)置運(yùn)輸船舶節(jié)能技術(shù)要求》(以下簡(jiǎn)稱《技術(shù)要求》)，針對(duì)不同船舶的快速性評(píng)價(jià)給出了詳細(xì)的方法說(shuō)明[1]，其核心思想是對(duì)比新建船舶的快速性系數(shù)與衡準(zhǔn)值，若新船的快速性系數(shù)大于衡準(zhǔn)值，則其滿足《技術(shù)要求》。與此類似，2002年國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)發(fā)布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《海洋運(yùn)輸船主要性能水平評(píng)級(jí)》(以下簡(jiǎn)稱《水平評(píng)級(jí)》)，從船舶的承載能力、快速性、艙容利用率和耗油量等方面給出了判斷船舶綜合性能優(yōu)劣的方法[2]，即采用與《技術(shù)要求》類似的方法，將新船與已有船相對(duì)比，考慮不同因素的權(quán)重，給出綜合得分。隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，以往的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的適用性越來(lái)越差，已有很多研究針對(duì)《水平評(píng)級(jí)》，從船型、指標(biāo)和權(quán)值處理等方面提出改進(jìn)方法[3-5]。為滿足船舶設(shè)計(jì)人員對(duì)快速性精準(zhǔn)評(píng)價(jià)的需求，本文結(jié)合《技術(shù)要求》的評(píng)價(jià)方法，利用水池試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，提出新的性能評(píng)價(jià)方法，達(dá)到合理、科學(xué)評(píng)價(jià)船舶快速性能的目的。

1 現(xiàn)有評(píng)價(jià)方法分析和改進(jìn)

通過(guò)對(duì)《技術(shù)要求》進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其有以下局限性：

1) 適用范圍小。隨著設(shè)計(jì)和建造水平快速提升，散貨船和油船的最大載重量均已超過(guò)300 000 t，新建集裝箱船的載箱量已超過(guò)20 000 TEU，而衡準(zhǔn)值計(jì)算公式要求散貨船和油船的載重量在90 000 t以下，差別較大。圖1為散貨船衡準(zhǔn)值計(jì)算公式的局限性。由圖1可知，當(dāng)載重量超過(guò)90 000 t之后，衡準(zhǔn)值曲線出現(xiàn)不合理的走勢(shì)，無(wú)法合理評(píng)估船舶的性能。

圖1 散貨船衡準(zhǔn)值計(jì)算公式的局限性

2) 衡準(zhǔn)值指標(biāo)?！都夹g(shù)要求》中的衡準(zhǔn)值來(lái)自于2000年以前的船型數(shù)據(jù)分析，適用于當(dāng)時(shí)的船舶性能對(duì)比。近年來(lái)，隨著船型優(yōu)化技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，船舶的快速性能得到明顯提升。

3) 評(píng)價(jià)等級(jí)單一。為說(shuō)明船舶的性能優(yōu)良，單獨(dú)評(píng)價(jià)其是否符合要求是不夠的，船舶設(shè)計(jì)人員希望得到更詳細(xì)的信息，明確船舶在同類船型中的位置，判斷其是否具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，以便說(shuō)服船舶所有人采用其方案。

針對(duì)以上局限性，重新擬定船舶快速性評(píng)價(jià)方法。選取近5 a的常規(guī)船型數(shù)據(jù)，所選船型的噸位涵蓋當(dāng)前市場(chǎng)上的主流噸位，能反映當(dāng)前船型的特點(diǎn)。區(qū)別于《技術(shù)要求》中的方法，設(shè)立上、下2個(gè)衡準(zhǔn)值，根據(jù)新建船在其中的位置判斷該船的等級(jí)。等級(jí)共分為4個(gè)，提供精細(xì)的判斷結(jié)果。評(píng)價(jià)過(guò)程與《技術(shù)要求》類似，說(shuō)明如下。

1) 第一步，計(jì)算新船的快速性系數(shù)額定值，分為2種情況：

(1) 對(duì)于散貨船和油船，有

(1)

(2) 對(duì)于集裝箱船，有

(2)

式(1)和式(2)中:Ch為快速性系數(shù)額定值；Y為船舶海上功率裕度，%；P為船舶主機(jī)功率(包括海上功率裕度)，kW；Δ、Δ1和Δ2為船舶排水量，t；vs、vs1和vs2為船舶航速，kn。

2) 第二步，計(jì)算對(duì)應(yīng)船型的快速性系數(shù)衡準(zhǔn)值C0，具體計(jì)算公式見(jiàn)表1。

表1 快速性系數(shù)衡準(zhǔn)值計(jì)算公式

表1中：角標(biāo)1代表結(jié)構(gòu)吃水狀態(tài)；角標(biāo)2代表壓載吃水狀態(tài)；集裝箱船的參數(shù)為設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)下的參數(shù)；角標(biāo)L代表下限；角標(biāo)U代表上限。

3) 第三步，計(jì)算快速性系數(shù)C的值，有

ΔC=C0,U-C0,L

(3)

ΔCh=Ch-C0,L

(4)

(5)

根據(jù)C值判斷船舶的快速性等級(jí)見(jiàn)表2。

表2 船舶快速性等級(jí)判定

2 評(píng)價(jià)方法說(shuō)明

海軍系數(shù)以航速、排水量和功率確定的系數(shù)評(píng)價(jià)船舶的快速性能，使用方便，所需的變量較少，易于快速對(duì)比同類型船舶的性能?？紤]主機(jī)功率和風(fēng)浪儲(chǔ)備，建立快速性系數(shù)Ch，將同噸位的船舶在同一水平上對(duì)比。

不同船舶的實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況差異明顯，考慮船舶的實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況更能合理、科學(xué)地反映其性能。散貨船和油船在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中的裝載情況相對(duì)固定，即結(jié)構(gòu)吃水和壓載吃水2種情況。因此，考慮船舶在2種吃水狀態(tài)下的綜合性能。集裝箱船在實(shí)際營(yíng)運(yùn)過(guò)程中的裝載情況不固定，在正常的市場(chǎng)環(huán)境中，設(shè)計(jì)吃水出現(xiàn)的概率相對(duì)較大，以該狀態(tài)進(jìn)行性能對(duì)比具有代表性。

以散貨船為例說(shuō)明衡準(zhǔn)值的建立和等級(jí)劃分方法。衡準(zhǔn)值的建立結(jié)合了回歸分析和樣本分布的特點(diǎn)。首先，根據(jù)回歸分析得到變量的變化趨勢(shì)，確定快速性系數(shù)Ch隨排水體積的變化特點(diǎn)(見(jiàn)圖2)；隨后，根據(jù)變量的變化趨勢(shì)和專家經(jīng)驗(yàn)建立邊界線，確定上限和下限，即衡準(zhǔn)值，邊界線根據(jù)樣本點(diǎn)調(diào)整。樣本包括常規(guī)主流船型，均經(jīng)過(guò)一定的優(yōu)化設(shè)計(jì)，下限以上即為合格船型。為更詳細(xì)地進(jìn)行評(píng)價(jià)，將上邊界與下邊界之間的部分三等分，得到良好和優(yōu)秀界限。對(duì)于一艘船舶，計(jì)算出其快速性系數(shù)Ch，并將所得結(jié)果與上限數(shù)值和下限數(shù)值相對(duì)比，確定落入該區(qū)間的哪個(gè)位置，由此即可判定同噸位下該船性能的優(yōu)劣。該評(píng)價(jià)方法通過(guò)相對(duì)的性能比較評(píng)價(jià)船舶的性能，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，方便新數(shù)據(jù)的填充和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的定期修正。

圖2 散貨船Ch分布情況

根據(jù)上述評(píng)價(jià)方法分析樣本性能的等級(jí)分布情況，結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知，對(duì)于散貨船、集裝箱船和油船等三大主力船型而言，性能為“良好”等級(jí)的船舶最多，其次是“優(yōu)秀”等級(jí)，“合格”等級(jí)的船舶較少。由樣本選擇方法可知，參與對(duì)比的船舶均為經(jīng)過(guò)優(yōu)化的性能較好的船舶，有些船舶經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化，樣本多數(shù)集中在“良好”和“優(yōu)秀”區(qū)域，符合實(shí)際情況。隨著計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)工具的進(jìn)一步發(fā)展和相關(guān)人員經(jīng)驗(yàn)的積累，此種分布情況會(huì)愈加明顯。

a) 散貨船

b) 集裝箱船

圖3 樣本性能的等級(jí)分布情況

在現(xiàn)階段的工程實(shí)踐中，多以設(shè)計(jì)吃水和設(shè)計(jì)航速下的船舶性能為優(yōu)化目標(biāo)。由上述分析可知，集裝箱船的快速性系數(shù)是基于設(shè)計(jì)吃水計(jì)算的，而油船和散貨船的快速性系數(shù)是基于結(jié)構(gòu)吃水和壓載吃水計(jì)算的，導(dǎo)致集裝箱船“優(yōu)秀”等級(jí)的比例相對(duì)較大?？傮w而言，當(dāng)前的船舶性能等級(jí)評(píng)價(jià)方法能反映船型的特點(diǎn)，合理對(duì)比船舶的快速性能。

3 計(jì)算實(shí)例

某散貨船的主要參數(shù)見(jiàn)表3，計(jì)算過(guò)程見(jiàn)表4。

表3 某散貨船的主要參數(shù)

表4 計(jì)算過(guò)程

由表4可知，C值為0.328，該船的快速性能為“合格”等級(jí)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)《技術(shù)要求》中船舶快速性評(píng)價(jià)方法的局限性，結(jié)合上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所的水池試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，提出了一種新的船舶快速性評(píng)價(jià)方法。該方法考慮了不同船型的特點(diǎn)，應(yīng)用范圍較廣；對(duì)比的衡準(zhǔn)值來(lái)自于近年來(lái)的優(yōu)秀船型，能反映當(dāng)前船舶的性能特點(diǎn)；采用四級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)船型的性能和發(fā)展?jié)摿Γ凰鑵?shù)較少，計(jì)算方便，能快速幫助使用者得到結(jié)論；在建立衡準(zhǔn)值曲線過(guò)程中融入了專家經(jīng)驗(yàn)，從樣本的分布情況來(lái)看，當(dāng)前的等級(jí)劃分方法能反映出船舶的性能特點(diǎn)，可用于性能對(duì)比。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，會(huì)有更加優(yōu)秀的船型出現(xiàn)，后續(xù)將定期對(duì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行更新。同時(shí)，緊跟新船型的特點(diǎn)，客觀、合理地評(píng)價(jià)船舶的快速性能。此外，新規(guī)范、新公約中出現(xiàn)了從不同角度評(píng)價(jià)船舶性能的系數(shù)和指標(biāo)，為船舶快速性評(píng)價(jià)提供了新的方向，后續(xù)將研究將其納入評(píng)價(jià)體系的可行性。