客船概率論破艙穩性計算簡化研究

陳后寶 必維船級社（中國）有限公司

湯斌 招商重工（江蘇）有限公司

船舶穩性是船舶重要性能，是船舶營運的前提條件。概率論破艙計算是穩性計算中最復雜的部分，尤其是在客船穩性計算中。相較于貨船，客船分艙更為復雜，需要考慮A級艙壁破損和橫貫進水的影響。客船的分艙多，尤其是A級艙壁多的情況下破損工況多，概率論破艙計算需要數天甚至數周的時間。這給船舶設計，審圖工作和船廠交船都帶來了困難。在緊張的交船計劃下，如果不能在有限時間內完成交船文件，船廠往往面臨因交船延期而產生的每天幾萬美金的罰款。本文對客船概率論破艙穩性計算中復雜的主要因素進行了分析，并給出了可行的簡化方案。

1.客船概率論破艙穩性計算綜述與進展

概率論破艙穩性計算是船舶破艙穩性計算的一種重要方式。區別于就船舶確定性破艙穩性計算方式，概率論破艙穩性計算不關心某個或某些破損工況是否生存，而是對所有可能破損的情況整體生存概率有要求。滿足船舶的破艙穩性需要實際達到的總的分艙指數A大于要求的分艙指數R，同時對每個吃水下的分艙指數也有相應的要求。對客船而言，每個吃水下的分艙指數A要求不小于0.9 R。貨船每個吃水下的分艙指數A只需要不小于0.5 R即可。可以看出對客船的要求比貨船的要求高很多。

概率論破艙穩性是根據1974 年國際海上人命安全公約的要求進行計算的。隨著時間的推移和海損事故的經驗積累，破艙穩性計算也在不斷的更新。最近兩次大的更新生效日期是在2020 年1月1日和2009年1月1日。2020年1月1日生效的更新主要是針對客船的要求的分艙指數R 提高了要求。與SOLAS2009相比，SOLAS2020要求的分艙指數R 只是船上總人數的函數，與船長沒有關系。參見圖1 客船要求的分艙指數R 比較SOLAS2009以及SOLAS2020，在SOLAS2009 R計算中，船長假定為200米。2009年1月1日生效的更新將吃水由兩個（最深分艙載重線，部分分艙載重線）增加到三個（最深分艙載重線，部分分艙載重線和輕載載重線）。

圖1 客船要求的分艙指數R比較SOLAS2009 以及 SOLAS2020

客船概率論破艙穩性計算繁雜，需要考慮的內容眾多。歸結起來，包括基本艙室的定義，模型的建立；各種開口的定義和關聯；應急逃生通道定義；A級艙壁艙壁的定義和橫貫進水關聯等。

本文基于穩性計算軟件NAPA詳細的計算了某型極地探險郵輪(主尺度參見表1，側視照片參見圖2，主甲板及以下分區劃分（27個分區）參見圖3)概率論破艙穩性。對A級艙壁和橫貫進水簡化前后的破損工況數量和計算時間進行了比較，并對A級艙壁和橫貫進水同時存在復雜情況時進行了探討。

表1 極地探險郵輪的主要參數

圖2 極地探險郵輪側視照片

2.客船概率論破艙穩性計算流程

（1）模型建立 DAMHULL。

（2）艙室劃分，其中U型艙需要考慮分開定義。

（3）開口定義分內部和外部開口。

（4）應急逃生通道定義。

（5）艙室關聯定義，包括三種，直接關聯，A級艙壁關聯，橫貫進水關聯。

（6）初始工況定義。

（7）破艙分區，艙壁定義，縱艙壁和平臺，破損艙室生成。

（8）計算，參數選擇，選取非連續進水NOPROGR。

3.客船概率論破艙穩性中復雜因素分析

3.1 分區多導致生成的破艙組合多

分區是指根據船舶艙室的布置情況沿船長方向劃分為多個區（對應于主要的橫向水密艙壁），是概率論破艙穩性計算中計算破損概率的基礎。結合縱向水密艙壁以及水密甲板，可以將分區范圍約束在一個空間內。破損將依據某個空間或者某幾個空間破損計算。

分區的多少是概率論破艙計算的復雜程度的決定因素。隨著分區數量的增加，破損組合和計算量將級數式增加。因為隨著分區的細化，必須增加多區計算才能提高達到的分艙指數A。

3.2 A 級艙壁多導致生成的破艙組合多

A 級艙壁指的是A 級防火艙壁。這種艙壁通常需要為鋼制艙壁或者等效材質制作的艙壁，但無水密要求。然而A 級艙壁艙壁對水有一定時間的阻擋能力，所以在破艙計算中需要考慮該艙壁破損前和破損后的兩種情況。這正是生成的破艙組合多重要原因。如果有10個A級艙壁不間斷的關聯在一起，那么將會有210即1024個破損工況。而且只要這些艙室中的任一艙室破損都會使得這1024個破損工況遍歷計算一次，總的計算工況數量將是個天文數學，可達十萬，甚至百萬量級。這會使得計算時間很長，可達數日甚至數周時間，造成資源浪費。

3.3 橫貫進水考慮

橫貫進水是指通過管道，或結構通道將左右兩側的艙室連接在一起，當單側艙室發生破損進水后可以通過管道或結構通道連續進水到另外一側。有時通過在縱艙壁上開孔安裝進水艙蓋也可以達到橫貫進水的效果。參見圖3，客船三種典型的橫貫進水布置。橫貫進水的作用是減小不平衡進水帶來的橫傾影響，減小破艙平衡狀態的橫傾角，從而滿足SOLAS公約對最終平衡狀態的橫傾角要求。當然，只有及時快速的進行橫貫進水才能達到及時平衡的效果。SOLAS公約對平衡進水有時間上限制和要求。

圖3 極地探險郵輪主甲板及以下分區劃分（27個分區）

1分鐘內的平衡（橫貫進水完成）認為是瞬時進水，沒有附加的穩性要求。超過1分鐘的橫貫進水需要計算1分鐘時的船舶狀態，并能滿足中間狀態的穩性指標。橫貫進水完成后的最終狀態需要滿足最終狀態的穩性指標。超過10分鐘的橫貫進水除了計算1分鐘和最終狀態之外，還需要計算10分鐘時的狀態并能滿足最終狀態的穩性指標。橫貫進水只要在單側艙室發生進水后就需要判斷水線會不會超出橫貫裝置，進而進行計算。橫貫進水計算是根據海安會MSC.362(92)決議要求，本身計算量比較大。如果橫貫裝置多，其計算量會很大。所以簡化橫貫進水裝置是必要的。

3.4 A級艙壁和橫貫進水同時存在的情況

當A 級艙壁和橫貫進水一起時如何處理。當研究的破損區域中A級艙壁和橫貫進水同時存在時，該如何考慮破損組合。參見圖4，A 級艙壁和橫貫進水同時存在的典型情況。圖中綠實線為水密艙壁，紅實線為A級艙壁。A級艙壁上安裝了進水艙蓋FF。進水艙蓋FF既可以保證艙壁的A級防火分隔，又可以在小的水壓作用下自行開啟，達到橫貫進水的目的。

圖4 客船三種典型的橫貫進水布置

究竟是先橫貫進水還是先A 級艙壁破損目前是爭議的話題，尚無定論，這取決于橫貫進水的時間和A級艙壁抵抗水壓的能力。可以確定的是，如果橫貫進水是瞬時進水，那么可以將左右兩個艙室合在一起作為一個艙室。在NAPA中根據A級艙壁的考慮方式采取了不同的破損組合的生成方式。當A級艙壁破損作為獨立的破損工況時，將優先考慮A級艙壁破損，再考慮橫貫進水。當A級艙壁破損作為中間過程的的破損組合時，將優先考慮橫貫進水，再考慮A級艙壁破損。實際校核中，為確保安全，兩種情況都需要考慮。

4.客船概率論破艙穩性計算簡化方法

4.1 減少分區數量

根據以上理論以及例子，減少分區的數量可以有效的降低計算數量，從而能提高計算效率。此方法可以用在前期進行船舶初始設計穩性指標評估階段。采用此方式能縮短評估周期。

4.2 減少A級艙壁數量

A級艙壁多導致生成的破艙組合多，在不影響計算結果的前提下，可以通過減少A級艙壁數量進行簡化。簡化A級艙壁通常有以下方式：

——橫向A級艙壁可以通過分區來實現

——小范圍和密集A級艙壁可以合并考慮

——中心區域A級艙壁可以合起來作為一個艙室，主要針對A級艙壁甲板。

——打破A級艙壁關聯鏈條，使破損工況生成終止。

4.3 橫貫進水簡化

圖5 A級艙壁和橫貫進水同時存在的典型情況

如果能確保在所有的破損工況下某個橫貫進水都是瞬時進水，即1分鐘內的平衡，那么這個橫貫進水可以不予考慮，直接將左右兩個艙室合起來建成一個艙室，可以省計算橫貫進水的時間。當然要對所有破損工況校核是不現實的，只需要選取最不利橫貫進水的工況進行校核即可，如果在最不利情況下能驗證是瞬時進水，那么其他情況進水時間更短，必然是瞬時進水。選取最小吃水，即輕載載重線dl作為初始工況，選取包含該橫貫進水一側的艙室為破損工況，有時可以選取幾個組合進行驗證。

5.客船概率論破艙穩性計算簡化結果

5.1 分區簡化前后破損工況數量和計算時間對比分析

基于極地探險郵輪分艙布置，筆者進行了細化分區27個區和簡化分區14 個區的計算。保持A 級艙壁和橫貫進水定義不變，只簡化分區。計算用I ntel 酷睿i7-7700 CPU，可以7核并行計算。參見表2分區簡化前后破損工況計算時間和結果（A 級艙壁破損作為中間過程破損，不作為獨立破損工況）和表3分區簡化前后破損工況計算時間和結果（A 級艙壁破損作為獨立破損工況）

表2 分區簡化前后破損工況計算時間和結果

表3 分區簡化前后破損工況計算時間和結果

考慮到本船的要求的分艙指數R為0.68904，簡化為14個區的方案不能采用。然而，由表2和表3分區簡化前后的對比可以得到如下結論：簡化分區可以大大減少生成的破損工況數量和計算時間。

5.2 A級艙壁和橫貫進水數量對破損工況數量和計算時間對比分析

為了研究A級艙壁和橫貫進水數量對破損工況數量和計算時間的影響，在保持相同分區，不同數量的A級艙壁和橫貫進水情況下，得到破損工況計算時間和結果。計算用Intel酷睿i7-7700CPU，可以7核并行計算。參見表4A級艙壁和橫貫進水簡化前后破損工況數量和計算時間（14個區，A 級艙壁破損作為中間過程破損，不作為獨立破損工況）和表5 A級艙壁和橫貫進水簡化前后破損工況數量和計算時間（27個區，A 級艙壁破損作為中間過程破損，不作為獨立破損工況）。

需要澄清一點，以上的A級艙壁和橫貫進水數量數量并不是實際意義上的簡化，只是單純數量的減少。其目的為了得到A級艙壁和橫貫進水數量對破損工況數量和計算時間的影響。所以計算結果A并沒有實際意義。實際的簡化必須遵循4中所述的簡化方法，保證不影響計算結果的前提下簡化。然而，由表4和表5A級艙壁和橫貫進水簡化前后的對比可以得到如下結論：簡化A級艙壁和橫貫進水可以大大減少生成的破損工況數量和計算時間。

表4 A級艙壁和橫貫進水簡化前后破損工況數量和計算時間

表5 A級艙壁和橫貫進水簡化前后破損工況數量和計算時間

5.3 極地探險郵輪最終簡化結果和計算時間

極地探險郵輪的初始A 級艙壁為24對，包括12對縱向艙壁，10對橫向艙壁和2 對A 級艙壁甲板。橫貫進水為23對，包括7對管道，8對U型艙室，4對結構通道和4對進水艙蓋。按照4前文中所述的簡化原則，中心區域的1對A級艙壁甲板上下艙室合并；小范圍密集A 級艙壁合并；最終A級艙壁簡化為19對。8對U型艙室其中5 對驗證為瞬時進水。橫貫進水可以簡化為18對。最終實際計算中橫貫進水用的是簡化之前的23對。參見表6 極地探險郵輪最終計算破損工況數量和計算時間。

表6 極地探險郵輪最終計算破損工況數量和計算時間

在概率論破艙穩性計算的基礎上，還需要計算VLINE，即由所有有生存概率貢獻的工況匯總而成的極限平衡水線位置及極限橫搖水線位置。其作用是確認結構強度設計壓頭，還可以給無保護開口，風雨密開口的位置范圍提供依據。其計算時間長短取決于概率論破艙穩性計算的復雜程度。目前VLINE在NAPA中還不能并行計算，只能單核運行。如果概率論破艙穩性計算復雜，那么計算時間會很長。極地探險郵輪最終VLINE計算大致15天左右。這進一步說明概率論破艙穩性計算簡化的必要性。

6.結論和展望

客船概率論破艙計算是穩性計算中最為復雜的部分，簡化分區，A級艙壁和橫貫進水可以大大減少生成的破損工況數量和計算時間，是客船概率論破艙計算中最為有效的簡化方式。