海船破艙進水安全綜合評價系統

邱文昌　王一沫　孫錫志

摘要：

為彌補目前船舶應急響應服務（Emergency Response Service，ERS）存在的不足，構建由3項一級指標和10項二級指標組成的海船破艙進水安全綜合評價系統.基于Maxsurf船體設計平臺計算船舶性能參數，依據多維價值準則對評價指標進行定量化、歸一化等處理后建立綜合評價的數學模型，并給出與船舶破艙進水不同安全評價等級相對應的應急處置建議.這為身處事故現場的船長在關鍵時刻及時作出棄船、主動搶灘等正確決策提供了有效依據，對避免或減少人命傷亡、船貨損毀和水域污染都有重要意義.

關鍵詞：

海船； 破艙進水； 多維價值； 安全綜合評價

0引言

目前船舶的裝載手冊或船上裝載軟件普遍缺少滿載水線以上船舶浮性、穩性等參數，

因此當船舶在海上遇碰撞、擱淺等發生破艙進水時，

無法計算船舶剩余浮性和破艙穩性指標，而借助岸基的船舶應急響應服務（Emergency Response Service，ERS）[1]耗時長（有時超過24 h），且缺少對事故現場船況、氣象、海況等因素的綜合考慮.韓國“歲月號”等海難事故表明，船長延誤棄船時機是造成大量人員傷亡的主要原因.顯然，開發船上或船公司應急專用的海船破艙進水安全綜合評價系統，能夠使裝備該系統的船舶在發生破艙進水事故時，快速完成船舶剩余浮性和破艙穩性等指標計算，并能結合事故現場船況、氣象、海況等因素確定船舶破艙進水安全綜合評價等級，給出有針對性的應急處置建議.這為身處事故現場的船長在關鍵時刻及時作出棄船、主動搶灘等正確決策提供了有效依據，對避免或減少人命傷亡、船貨損毀和水域污染都有重要意義.

1海船破艙進水安全綜合評價模型

1.1綜合評價指標體系的建立

結合船舶法定抗沉性指標要求并考慮事故當時船況、氣象、海況等多方面因素[23]，建立由3項一級指標和10項二級指標構成的海船破艙進水安全綜合評價指標體系，見表1.

I11主要考慮船舶破艙進水終了時的最高水位線是否超過許用載重線、安全限界線和船舶最低非水密開口；I12考慮船舶進水終了時的橫傾角不得超過法定的橫傾角指標要求；I13考慮船舶進水終了時經自由液面修正的初穩心高度hGM不得小于其對應特定吃水下船舶破艙臨界初穩心高度hGMD的要求；I14以船殼破損后經修正的船體各橫剖最大許用剪力或最大許用彎矩值為基準，用來計算其最大剪力比（RSF max）和最大彎矩比（RBM max）；I21包括船舶是否擱淺、擱淺狀況（若已擱淺）、機艙設備運行狀況、船舶周圍是否有他船伴航、是否具備搶灘擱淺條件、船舶螺旋槳運行狀況等；I22反映船舶進水的嚴重程度（如機艙是否進水）；I23反映本船自航脫離危險、能夠獲岸基或他船救助的時間；I24反映一旦發生沉船可能危及的旅客人數；I31主要考慮異常的風、浪和涌的影響；I32主要涉及晝夜變化、異常氣溫、雨雪狀況、能見度等因素.

1.2綜合評價模型的構建

在建立海船破艙進水安全綜合評價指標體系的基礎上，基于多維價值組合規律[4]，對指標作定量化和歸一化處理后，構建海船破艙進水安全綜合評價的數學模型[56].

1.2.1海船破艙進水安全綜合評價總指標U

U=100U1（）（w2U2（+）w3U3），U∈[0，100]

式中：（*）和+分別是多維價值準則中定義的乘號和加號，其運算規則等同于數學運算中的乘法和加法；U1，U2，U3∈0，1；w2和w3分別為U2和U3的權重，w2+w3=1，0≤w2，w3≤1.

U1在《船舶與海上設施法定檢驗規則》中有明確的最低衡準要求，對海船破艙進水安全綜合評價特別重要，因此在指標合并中采用了不可偏廢的乘法規則，即若U1取0.6，則U≤60.U2和U3則具有一定的互補性質，即船舶狀況良好可部分彌補氣象和海況差的影響，反之亦然，因此在指標合并中采用了加法規則.

1.2.2船舶浮性、穩性與船體強度組合指標U1

式中：Δ表示船舶進水終了的排水量；Δm表示船舶許用載重線所對應的滿載排水量；FBm和FB min分別表示相對于船舶許用載重線且考慮當時船舶縱、橫傾狀態下對應的最小干舷和實際最小干舷（FB min取船舶橫傾一側船首、船舯前1/4船長處、船舯、船舯后1/4船長處和船尾等這5處干舷值中的最小值）；FB min≥0.076 m3英寸考慮船舶水線不超過法定安全限界線的要求；dfm是船舶最低非水密開口距設定船舶水線與安全限界線相切，且是相對于船舶當時縱、橫傾狀態下的垂向距離；df為船舶最低非水密開口距船舶實際水線的距離，df<0表示船舶最低非水密開口已開始入水；dlim m表示當df=0時船舶水線到船舶極限入水位置的距離；dlim表示當df=0時船舶實際水線到船舶極限入水位置的距離，dlim<0表示船舶實際水線已高過船舶極限入水位置.

1.2.2.2I12的計算

船舶破艙進水終了平衡前：橫傾角小于等于2°時，I12=1；橫傾角等于20°時，I12=0.6；橫傾角等于40°時，I12=0；設定I12在上述各區間內均隨橫傾角線性遞增.

船舶破艙進水終了平衡后：橫傾角小于等于1°時，I12=1；橫傾角等于17°時，I12=0.6；橫傾角等于30°時，I12=0；設定I12在上述各區間內均隨橫傾角線性遞增.

1.2.2.3I13的計算

當完整和破艙穩性指標均滿足要求時，I13=1；當僅破艙穩性指標[8]滿足要求時，I13=0.8；當有至少一項破艙穩性指標不滿足要求時，I13=0.6；當hGM≤0時，I13=0.設定I13在[0，1]上呈線性變化.

1.2.2.4I14的計算

假設船舶處于靜水狀態：當RSF max≤90%且RBM max≤90%時，I14=1；當RSF max=100%或RBM max=100%時，I14=0.6；當RSF max=200%或RBM max=200%時，I14=0.當船殼破損時，應當借助專用船舶設計軟件修正其相應剖面的許用切力和許用彎矩值.[9]設定I14在[0，1]上呈線性遞增趨勢.

1.2.3船舶狀態指標U2

1.2.3.1I21的計算

這里的t表示船舶關鍵設備（主機、輔機或舵機等）出現故障后預計需要修復的時間，h；q2表示海船破艙進水后相對于進水速率的排水狀況，當總體上進水情況已被控制，即排水速率大于進水速率，艙內水位已在下降時，q2=0.7，否則q2=0；q3和q4表示船舶破艙進水過程中的擱淺狀態，若船舶已處于擱淺狀態，則q3=0.9，否則q3=0，當船舶部分擱淺，船體還能擺動時，q4=0.7，否則q4=0；q5表示附近是否有他船伴航，若有，q5=0.6，否則q5=0；q6表示船舶附近是否具備搶灘坐淺條件，若具備則q6=0.6，否則q6=0；q7表示船舶螺旋槳運行狀態，與船舶螺旋槳的沉深比I/D關系密切，

p表示船舶總進水量Δw占其夏季滿載排水量ΔS的比值.當船舶未發生進水時，I22=0；當p>1時，I22=1.

n是反映水密區域和進水艙類型的系數，初值取1，最小取0.若每一水密區域至少存在1個第2類水密艙破損，則n的值減少0.1；若每一水密區域至少存在1個第3類水密艙破損，則n的值減少0.2；若機艙無任何類型進水，則n的值額外減少0.3.每一水密區域均以最危險艙的類型進行統計，同一水密區域最多只算一項，不重復計算；當機艙存在進水狀況、其他水密區域存在1個第3類水密艙破損且p=0.5時，I22=0.6.

1.2.3.3I23的計算

1.2.3.4I24的計算

1.2.4氣象和海況指標U3

1.2.4.1I31的計算

對無限航區3 000總噸及以上海船，幾個折線點指標值可以設置為：當風力為4級及以下，或浪級為5級及以下，或涌高為4 m及以下時，I31=1；當風力為6級及以下，或浪級為7級及以下，或涌高為9 m及以下時，I31=0.8；當風力為8級及以下，或浪級為8級及以下，或涌高為14 m及以下時，I31=0.7；當風力為10～12級，或浪級為9級，或涌高為14 m以上時，I31=0.6；當風力或浪級超過12級，或涌高超過14 m時，I31=0.

1.2.4.2I32的計算

式中：I321為晝夜影響指標，I322為異常氣溫指標，I323為雨雪天氣影響指標，I324為能見度影響指標.I32由下述I321，I322，I323和I324的定義可知，其取值區間為0.9，1.

由式（1）可知，I321的最大影響值取0.98.式（2）中，t表示氣溫，℃.式（4）中，V表示能見度等級.當V=6級時為能見度中等，水天線看不清，且存在雨、雪、輕霧等現象，能見距離為2～5 n mile；當V>6級時，I324的影響最小，其值為1.00；當V=2級時，能見距離為0.5～1 n mile，存在碰撞危險，此時I324的影響最大，其值為0.90；其他取值可由式（4）計算.

1.3綜合評價模型指標權重的確定

選用專家問卷調查形式確定指標權重值的原始數據，借助克朗吧哈系數驗證專家打分數據的一致性和可靠性，利用最小二乘法對數據進行處理后，獲得w2=0.55，w3=0.45，w22=0.36，w23=0.34，w24=0.30.當然，在系統軟件的設計中，也可以提供一種讓軟件使用者在一定范圍內確定權重值的功能.

2海船破艙進水的應急處置建議

為便于身處海船破艙進水危急狀態中的船長在關鍵時刻能夠考慮全面并及時地作出正確決策，海船破艙進水安全綜合評價系統應當包含與不同安全評價等級所對應的應急處置建議，見表2.

對裝載危險品等特殊貨物船以及散裝化學品船、液化氣體船等特種類型船， 除應給出上述應急處置一般建議外，還應給出針對特種貨物和船舶的特殊應急處置措施.

1級安全

90.00～100.0（1）檢查船體有無破損，酌情調整航速、航向，以便留出時間對險情進行評估.（2）盡快對進水艙進行堵漏排水，并確保相關排水泵運行正常（有條件時增設潛水泵排水）.（3）如有油艙破損，則應盡快移撥破損油艙的剩余油液，以減少海面油污.（4）密切監視進水艙的進水速率，留意與進水艙相鄰的各艙室是否存在進水以及艙壁有無破損. 在進入水密艙柜前，須做好照明和通風工作，防止發生人員缺氧和窒息危險.（5）密切監視船舶水線和橫傾角的變化情況.（6）調整壓載，盡量保持船舶正浮或減小橫傾.（7）謹防已完成堵漏的船體因裂痕擴展或高水壓致艙壁某部位破損而再次進水.（8）如與他船碰撞，則需將碰撞角度、碰撞部位、損害程度及所采取的措施作完整記錄.（9）及時向船舶所有人報告事故發生時間、地點、天氣、海況、船上機電設備運行狀態等數據信息

2級尚安全

80.00～89.99除上述措施外：（1）檢查風雨密和所有的水密裝置，使其處于關閉狀態；（2）保持上甲板排水暢通；（3）增加對進水艙液位的測量次數；（4）船舶橫傾角較大且海面風浪較大時，應避免順浪航行，及時減速并采取頂偏角約15°航行，以減小縱、橫搖幅度

3級有危險

70.00～79.99除上述措施外：（1）調整船舶縱傾，避免船舶主甲板后部被水淹沒；（2）應考慮先將船上旅客（如果有的話）轉移至他船；（3）若機艙進水，則輪機員在撤離前應及時關閉通向各貨艙和油艙的閥門；（4）備妥所有救生設備，以便隨時使用

4級較危險

60.00～69.99除上述措施外：（1）密切與岸基聯系，要求在附近有他船伴航；（2）有旅客時，應先行轉移至他船；（3）做好棄船準備

5級危險

0.00～59.99除艙內進水已被控制住，艙內的水位在明顯下降，或船舶具備搶灘坐淺條件外，評價值為40～60時建議船長考慮棄船，低于40時建議船長果斷下棄船命令

3計算實例

本文以救助船“DHJ”為例，其主要參數為：垂線間長88.00 m；型寬15.20 m；型深7.60 m；設計吃水5.60 m；排水量4 403.0 t；總載質量1 205.0 t；空船排水量3 248.0 t；空船重心距船舯距離-0.294 m；空船重心距基線高度 6.999 m；許用載重線為夏季載重線.

船舶破艙進水主要情景設定：船舶發生觸礁事故，造成其右舷1號燃油艙破損進水，海面出現油污，同時船舶主機發生故障，預計需要維修時間少于40 min.經計算，當進水終了時船舶平均吃水為6.017 m.船舶破艙進水情景的主要參數見表3. 經過Maxsurf計算，得到船舶相關數據，見表4.

4結束語

目前，盡管大型貨船為應對各類貨物裝載和船舶浮態、穩性和船體強度的復雜計算已要求強制配備船舶裝載軟件，但是這類裝載軟件普遍缺少船舶在破艙進水，特別是在吃水遠超滿載水線時計算船舶浮態、穩性和船體強度的功能.事實上，船舶在設計時所使用的輔助軟件都具備船舶破艙進水后、吃水遠超滿載水線時計算船舶浮態、穩性和船體強度的功能[10]，只是許多參數未能向船上提供.因此，對缺少在破艙進水，特別是在吃水遠超滿載水線時的關于船舶浮態、穩性和船體強度的校核數據的船舶，要完成破艙進水安全的部分指標計算，還需要基于船舶靜水力和船體結構參數，借助Maxsurf等船體設計平臺完成船舶破艙進水后的浮態、穩性和剩余船體強度方面的參數計算.因此，建議國內外相關規則的制定者應當明確要求船舶設計機構向船長提供船舶吃水遠超滿載水線時的船舶浮態、穩性和船體強度參數資料，并要求船上所配備的裝載軟件必須具備類似于本文的船舶破艙進水安全綜合評價系統的部分功能，以有效提升船舶破艙進水后的應急處置能力.

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（編輯趙勉）