水面艦船在風浪作用下的航行性能綜合評價方法研究

周華偉 肖海松 何 秦 錢 浩

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

大量案例表明，水面艦船在風浪中的航行性能與其在靜水中的航行性能有很大差別。然而，根據全球主要海域的海浪統計數據表明，三、四、五級海況發生的概率要遠大于一、二級海況。這表明，一艘水面艦船在全壽命周期作業任務內，遭遇三級及以上海況的概率要遠大于靜水中的概率。但是，當前我國的艦船設計常以靜水中的航行性能作為考核指標，而不夠重視風浪中的相關性能指標（如：快速性），這很容易造成設計的水面艦船在靜水中的航行性能優良，而在風浪中的航行性能卻差強人意。因此，評價水面艦船航行性能的優劣，不僅要包含靜水中的航行性能指標，還應包含風浪中的航行性能指標。

另外，水面艦船在風浪中的航行性能包含的內容多、相關因素多、相互關系復雜，如何在綜合考慮各種影響因素的基礎上，構建合理的評價方法，成為艦船設計人員必須研究和解決的一個重要問題。

目前，國內水面艦船在風浪中的航行性能綜合評價方法研究尚處于起步階段。楊寶璋［1］（1991）對風浪中船舶性能對航速航向的影響進行了研究，以風浪中的航速、耐波性、穩性、波浪載荷等為指標建立評價方程，對其航行性能進行評價，用于指民航行中的船舶合理選擇航向和航速。楊松林［2］（2003）采用遺傳算法和模糊優化方法，以靜水中快速性和操縱性為目標進行船型模糊綜合優化并用于大型中速船的設計中。毛筱菲［3］（2005）采用模糊綜合評價等方法對船舶耐波性、操縱性評價指標體系開展研究，建立了評價指標體系和評估方法。以上研究主要聚焦在艦船本身的快速性、耐波性、操縱性和穩性底層指標之間如何分配權重進行綜合平衡，為水面艦船航行性能的綜合評價奠定了良好的基礎。但以上研究少有考慮風浪環境的影響，也少有反映各項航行性能是如何影響主要作業工況作業率的，其底層指標的權重系數分配也嚴重依賴樣本數量，難以和工程應用緊密結合。

為此，本文在以上學者成果的基礎上，進一步引入主要作業工況作業率與各航行性能之間的關系，從提高水面艦船在風浪中作業率的角度入手，構建水面艦船在風浪作用下的航行性能綜合評價方法和模型，可用于水面艦船實戰功效評價，從而為水面艦船方案論證提供技術支持。

1 風浪環境特征及發生概率分析

風浪環境特征及發生概率與水面艦船的航行性能密切相關。由于風浪環境是隨機發生的且各類風浪環境發生的概率不等，在進行艦船方案設計和評價時，如果采用最強的風浪環境特征作為輸入，就有可能造成設計方案過強、代價過高，甚至失敗。因此，在進行水面艦船航行性能綜合評價之前，有必要提前分析水面艦船各類任務工況所處的風浪環境特征及其發生概率，并將其作為水面艦船航行性能綜合評價的環境條件。

1.1 風浪環境特征分析

海洋波浪表面是隨機的、不規則的，且是隨時間變化的，不利于工程應用。工程上常采用傅里葉變換的方法將海浪的時間序列轉換到頻域，以有義波高和波浪周期組成的譜密度公式來表示風生浪數據。本文采用ITTC推薦的雙參數譜公式，如式（1）。

式中：H1/3為有義波高，m；T1為特征周期，s。

1.2 風浪發生概率分析

特定海域的風生浪有義波高和特征周期是以一定的概率發生的。根據《艦船通用規范》（2000）（以下簡稱“通規”）第072.4.1.2.2條，將海況分為9個等級，本文以北太平洋為例，給出各浪級、譜峰周期及概率如下頁表1。

2 主要作業工況及相關因素、衡準梳理

評價水面艦船航行性能的優劣需全面涵蓋其作業工況，即從艦船的各任務剖面入手，系統地評價風浪中的航行性能對每一項作業工況的影響。為便于研究，本文將水面艦船的作業工況簡單歸納為：航行、人員作業和裝備作業，并認為三種作業工況作業效率的重要程度一樣。

表1 北太平洋海浪年平均資料

在各作業工況中，由于穩性直接關系到艦船的安全性，必須首先考慮，且需滿足“通規”053.4的相關要求，否則意味著方案失敗，得分為0。通常，穩性衡準主要包括初穩性高和最大抗風等級兩方面，具體如下：

（1）初穩性高：GM＞h，其中，GM為初穩性高，h需根據“通規”053.4.1.1.2.1中的相關規定確定。

（2）最大抗風等級：U1＞U0，其中，U1為艦船所能承受的極限風速，U0需根據“通規”053.4.1.1.1.7中的相關規定確定。

另外，與各作業工況相關的航行性能和衡準如表2所示。

表2 作業工況、航行性能、衡準對應表

3 綜合評價指標體系構建

從各指標對艦船的作業任務貢獻度出發，本文將以上航向性能相關的指標分為三類：

3.1 與艦船航行安全相關的指標

這類指標直接關系到艦船的航行安全，必須優先滿足。在此基礎上，才有必要進一步評價，主要包括：穩性中的初穩性高和最大抗風能力指標。

由于這類指標往往與其他指標的影響方向相反（如初穩性高增大，會造成搖擺周期減小以及搖擺幅度增大），因此，這類指標應控制在合理范圍內，而非越大越好。

另外，由于目前風浪中的穩性理論計算方法還未在工程上成熟應用，本文僅考慮 “通規”中的靜水穩性高和風浪中的最大抗風能力指標。

3.2 研制總要求明確規定的指標

這類指標也必須優先滿足，否則，意味著方案失敗。包括：靜水中的最大航速、操縱性等。這類指標應控制在合理范圍內，并不是越大越好。

另外，由于目前風浪中的操縱性理論計算方法尚未成熟，本文僅考慮靜水中的操縱性指標。

3.3 與作業效率相關的指標

這類指標直接影響艦船的各類作業效率，是衡量艦船設計方案優劣的重要指標。包括：風浪中的期望航速百分數、人員可作業率、裝備可作業率等。在滿足排水量、主尺度等邊界條件下，且滿足第一、二類指標衡準的基礎上，這類指標越大代表方案越好，評分越高。

基于以上分析，本文采用層次分析法，構建了水面艦船在風浪作用下的航行性能評價指標體系，如圖1所示。

圖1 水面艦船在風浪中的航行性能評價指標體系圖

4 綜合評價目標函數構建及計算方法

4.1 綜合評價流程

由于安全航行和研制總要求中的指標必須優先滿足，本文的水面艦船在風浪中的航行性能綜合評價流程分兩步完成：

第一步安全航行和研制總要求中的指標校核

主要是采用數值計算或模型試驗的方法獲得各底層指標值，再與“通規”中的衡準值和研制總要求中的指標作對比，僅需滿足即可，不參與評分。

第二步可作業率計算及綜合評價

主要是根據數值計算或模型試驗的結果，計算航行、人員和裝備的可作業率，再進行加權求和。求得的值越大，代表方案越優。

4.2 綜合評價目標函數構建

在第二步中，本文采用的綜合評價目標函數如式（2）：

式中：F1、F2和F3分別代表各浪級、航速、浪向下航行作業綜合評價值、人員作業的綜合評價值和裝備作業綜合評價值；w1，w2和w3分別為F1、F2和F3的權重系數。

4.3 各子函數計算方法

對于水面艦船在風浪中的航行工況，其航行作業綜合評價值可用期望航速百分數表示［5-6］，公式如式（3）：

式中：V0max代表靜水中的最大航速，kn；Hi（i=1，…，9）代表1～9級海況的波高，m；Phi代表北太平洋各浪級概率，詳見表1；θk（k=1，…，N）代表 0°～180°相對浪向，間隔 180°/（N-1），Pθk代表各浪向概率 ；Vhmax（Hi，θk）代表有義波高Hi、相對浪向θk工況下滿足安全航行衡準的期望航速。

對于人員、裝備作業工況，水面艦船的人員、裝備作業綜合評價值可用期望作業百分數表示，公式如式（4）：

式中：Vj（j=1，……，M）為艦船M個航速，kn；Pvj為 代 表 各 航 速 概 率 ；f2（Hi，Vj，θk）、f3（Hi，Vj，θk）分別代表有義波高Hi、相對浪向θk、航速Vj工況下的人員、裝備可作業值。當數值計算或模型試驗給出的底層指標滿足“通規”的衡準值，則f2與f3取1，否則取0。

5 評價實例

為了驗證以上方法的正確性和可行性，本文以三型5000噸級的不同船型為評估對象，分別為折角船型S1、圓舭船型S2和肥大船型S3，對其在北太平洋海域的航行性能進行預報，并針對航行、人員、裝備作業進行綜合評價。其中，各船型的主尺度見表3，橫剖面圖見圖2 -圖4，北太平洋各級波高、周期出現的概率見表1，并假定各航速、相對浪向等概率分布，可根據實際操船情況調整。

表3 船型主尺度

圖2 折角船型S 1橫剖面圖

圖3 圓舭船型S 2橫剖面圖

圖4 肥大船型S 3橫剖面圖

假定S1、S2、S3三個船型在靜水中的最大航速均為20 kn，本文采用耐波性切片法計算了各船型在不同海況、浪向、航速組合下的艦船運動，其中，三、四、五級海況的底層指標見表4 -表6。

從表4 -表6可以看出，在三、四、五級海況下，折角船型S1的橫搖、縱搖和垂蕩幅值均小于圓舭船型S2和肥大船型S3。這表明，從底層指標上可以直接判斷出折角船型S1的運動性能要優于圓舭船型S2和肥大船型S3。但對比圓舭船型S2和肥大船型S3發現，圓舭船型S2的橫搖幅值均比肥大船型S3大，但縱搖和垂蕩值均比肥大船型S3小，即：從底層指標上無法直接判斷出圓舭船型S2和肥大船型S3的性能優劣，需借助本文的綜合評價方法進行評判。

表4 三級海況下底層指標對比

表5 四級海況下底層指標對比

表6 五級海況下底層指標對比

根據表2中給出的“通規”中航行、人員和裝備（以直升機為例）作業衡準值，本文計算了S1、S2、S3三個船型的航行、人員、裝備作業評價值及綜合評價值，評價結果詳見表7。這表明，折角船型S1的航行、人員、裝備作業評價值及綜合評價值均比圓舭船型S2和肥大船型S3的對應值大，與底層指標反應的情況一致。另外，圓舭船型S2的綜合評價值大于肥大船型S3，主要是由于肥大船型S3在高海況下的垂向加速度幅值較大，造成人員作業的評價值較低。

表7 綜合評價值對比%

6 結 論

本文構建了水面艦船在風浪作用下的航行性能綜合評價方法，主要是：

（1）結合作業工況，分析穩性、快速性、耐波性和操縱性四個方面的底層指標對作業任務能力的影響方面，構建包含航行安全和作業效率的指標體系；

（2）將評價流程分為安全校核和作業效率評價兩方面，從工程應用的角度把各項底層指標耦合在一起；

（3）引入耐波性理論中的作業百分數，結合“通規”中的衡準，計算風浪作業下的期望航速百分數、人員作業百分數和裝備作業百分數， 并構建目標函數評價水面艦船在風浪作用下的綜合航行性能。

在此基礎上，選取折角、圓舭和肥大船型為典型算例，評價結論如下：

（1）折角船型比圓舭和肥大船型的綜合評價值及各分項評價值均高，且與底層指標反應的結果一致，驗證了本文方法的正確性。

（2）圓舭船型比肥大船型綜合評價值高，主要是由于肥大船型在高海況下的垂向加速度幅值較大，造成人員作業的評價值較低。