艦船戰損生命力實時計算方法及軟件開發研究

劉金林 曾凡明 李彥強

（海軍工程大學船舶與動力學院1） 武漢 430033）（海軍裝備技術研究所2） 北京 102442）

隨著現代精確制導武器的廣泛應用，艦船遭受攻擊而破損進水的概率大大增加，其船體系統、動力系統、電力系統、武器系統、電子系統等均將受到不同程度的損傷，嚴重時甚至會因為完全喪失儲備浮力而沉沒，或因穩性不足而傾覆［1-2］.本文旨在充分分析國內外艦船戰損生命力計算評估現有成果的基礎上，研究適應于艦船戰損條件下的快速計算評估方法，開發艦船戰損條件下生命力計算評估軟件.

1 浮穩性參數實時計算方法研究

艦船戰損浮穩性參數計算方法主要有確定性方法和概率方法［3］：確定性方法是指艦船在破損前的環境參數及自身狀態（包括破損前的浮穩性參數、破損進水艙室和進水量的大小）均是確定的，并根據這些確定參數計算艦船破損進水后的浮穩性參數的計算方法；概率方法是根據大量碰撞、擱淺事故形成的船舶海損統計資料的基礎上建立的計算船舶殘存能力的方法.由于艦船戰損條件下的浮穩性參數計算的實時性和快速性的要求，確定性方法顯然是適用的計算方法.確定性方法計算艦船戰損浮穩性參數又包含增加重量法和損失浮力法［4］，損失浮力法由于其計算的準確性和便利性而得到了廣泛的應用，也是本文將采用的計算方法.根據破損艙進水的特征，可將破損艙分為三類，三種類型的進水艙室由于其進水量的大小及特點均不相同，因此采用的計算方法也是不同的.

在一般情況下，破損進水將同時引起傾斜與傾差，如果進水量不超過艦艇排水量的15%，稱為小艙進水.在單個小艙破損進水情況下，可作兩個基本假設：假設傾斜角θ與傾差角φ互相獨立；艦艇橫傾時，縱傾保持不變；縱傾時橫傾保持不變.

由于在艦船實際戰損條件下，可能同時出現3種類型的艙室破損或者是其中的某幾種，因此在計算的過程中需要考慮通用的計算公式，式（1）～式（22）為同時有3類艙室進水時的計算公式，

式中：V為進水總容積；Vi為第i個艙的進水容積；xv和xvi分別為等效容積中心橫坐標及第i個進水艙室容積中心橫坐標；yV和yVi分別為等效容積中心縱坐標及第i個進水艙室容積中心縱坐標；zV和zVi分別為等效容積中心豎坐標及第i個進水艙室容積中心豎坐標；s為所有第三類進水艙室的等效損失水線面積；si為第i個第三類進水艙室損失水線面積；xs為等效損失面積中心橫坐標；ys為等效損失面積中心橫坐標；S為原水線面積；xsi為第i個第三類進水艙室損失水線面積中心橫坐標；ysi為第i個第3類進水艙室損失水線面積中心縱坐標，其中求和表達式中若只有1類求和表達式的下標只取1，有1類和2類取2，3類都有取3.

吃水變化：

水線面有效面積中心橫坐標：

水線面有效面積中心橫坐標：

水線面損失慣性矩：

初橫穩度變化：

初縱穩度變化：

新橫穩度：

新縱穩度：

傾斜角變化：

傾差角變化：

首吃水變化：

新的首吃水：

尾吃水變化：

新的尾吃水：

2 戰損等級評定方法研究

依據《艦船生命力大綱》，參考文獻［5-8］，本文對艦船主要分系統及總體的損傷等級作如下定義，見表1～表4.

表1 船體損傷等級評定標準

表2 動力系統損傷評估準則

表3 電力系統損傷評估準則

3 生命力實時計算軟件研究

3.1 功能設計

艦船戰損實時生命力計算軟件主要實現對艦船在戰損條件下的各個分系統及總體的損傷評估功能，其功能結構見圖1.

表4 艦船總體損傷等級評定準則

3.2 軟件結構設計

圖1 系統功能設計

圖2 軟件系統結構圖

根據艦船戰損生命力實時計算軟件的需求，本文設計了如圖2所示的軟件結構圖，系統由下至上共分為6層結構進行開發：系統支撐層、核心功能層、地理信息層、損傷分析層、輸入輸出層和系統界面層.

1）系統支撐層 系統支撐層主要包括系統硬件支撐、操作系統環境支撐和系統的開發平臺，其中系統開發平臺采用Visual Studio.Net 2005 CJHJ，系統數據庫平臺采用SQL Server 2005.

2）核心功能層 核心功能層主要包括用戶管理、數據管理、地理信息系統及其接口管理、類庫管理、相關算法及函數管理，是系統的核心功能模塊.

3）地理信息管理 地理信息管理主要通過地理信息系統引擎Arc Gis Engine與.Net的接口調用，實現對戰損艦船地理位置的標注、顯示和管理.

4）損傷評估分析 損傷評估分析主要根據設定的攻擊武器及擊中部位，對艦船各個分系統損傷情況及艦船總體的損傷情況進行評估，其中分系統主要包括船體、動力系統、電力系統等分系統，同時在對各個分系統進行損傷評估分析的基礎上，對艦船總體的損傷情況進行評估.

5）系統輸入輸出 系統輸入主要包括型號數據、港區海區碼頭數據、地理信息數據、破損艙室數據和攻擊武器數據等數據，系統數據輸出主要包括艦船分系統損傷數據、艦船總體損傷數據、損傷日志和xml格式輸出數據等內容.

6）界面層 界面層主要為用戶提供實現各個模塊功能的界面，從而實現信息輸入、損傷分析評估、地理信息顯示及信息輸出的功能.

3.3 數據庫設計

系統數據庫主要包含六個方面的內容：型號數據庫、艙室破損浮穩性計算數據庫、海區港區數據庫、攻擊武器數據庫、損傷數據庫及用戶數據庫.其中型號數據庫、艙室破損浮穩性計算數據庫、海區港區數據庫及攻擊武器數據庫為系統基礎數據庫，系統必須輸入以上部分數據庫內容才能正常運行，損傷數據庫為系統輸出內容，用戶數據庫是進行安全使用和權限管理的支撐數據庫，系統數據庫的結構見圖3.

圖3 系統數據庫結構

3.4 主要算法實現

軟件的主要算法包括艦船戰損浮穩性參數計算、分系統損傷等級評定和艦船總體損傷等級評定等內容，具體計算方法按照前文的論述進行，其中在進行艦船戰損浮穩性參數的計算過程中需要從系統型號數據庫和損傷數據庫中讀取破損艙室及類型、艙室諸元及艦船浮穩性參數等數據，如計算艦船戰損傾斜傾差角的源代碼等.

4 軟件原型系統

按照前文所設計的軟件結構，開發了《艦船戰損生命力實時計算軟件》原型系統，該系統主要實現了艦船分系統損傷分析評估、艦船綜合損傷評估、系統數據錄入及維護、地理信息顯示、數據輸出、數據安全管理及系統權限管理等方面的功能.

5 結束語

通過本文的研究，為艦船戰損生命力實時計算提供了通用的計算方法和軟件平臺，從而可實現對戰損艦船浮穩性參數快速準確的計算及艦船損傷等級評定，為決策制定搶修決策方案提供科學的依據，同時艦船戰損生命力實時計算軟件可作為艦船損管監控系統模塊的開發提供一定的參考，具有重要的理論意義和軍事意義.

［1］浦金云，金 濤，邱金水，等.艦船生命力［M］.北京：國防工業出版社，2008.

［2］LEE D，LEE J Y，LEE K H.A study of conventional military submarine on the decision-aid system for damage survivability of convention military submarine［J］.Naval Engineers Journal，2002，114：21-30.

［3］胡麗芬.艦船抗沉輔助決策系統研究［D］.大連：大連理工大學，2010.

［4］孔慶福，曾凡明，吳家明.艦艇浮穩性保持與優化計算機輔助決策系統［J］.艦船科學技術，2006，28（1）：22-26.

［5］LEE D，LEE S，PARK B，et al.A study on the framework for survivability assessment for system of damaged ships［J］.Oceaning Engineering，2005，32：1122-1132.

［6］許 勇，金 濤.基于模糊綜合評判的艦艇推進系統生命力評估［J］.艦船科學技術，2007，29（5）：56-59.

［7］崔魯寧，浦金云，劉玲艷.艦船戰損評估分析方法研究［J］.中國安全科學學報，2008，18（9）：136-140.

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