豪華郵輪設計相關(guān)技術(shù)及發(fā)展趨勢綜述

孫家鵬，張敏健

上海船舶研究設計院，上海 201203

0 引 言

豪華郵輪目前已成為國內(nèi)造船行業(yè)內(nèi)的熱點，但因缺乏實際設計建造項目，設計能力還相當薄弱。為了增強業(yè)界對郵輪設計特點及難點的認知，有必要對相關(guān)內(nèi)容進行梳理及闡述。

近年來，上海船舶研究設計院完成了包括30 余艘郵輪和豪華客滾船項目的研發(fā)設計、改裝、建造工作，例如，兩型1.5 萬總噸（gross tonnage,GT）級的小型郵輪，多型3～7.5 萬總噸級的郵輪，“中華泰山”號、“天?！碧?、“鼓浪嶼”號郵輪，以及 “中華復興”號郵輪型豪華客滾船。與此同時，作者也實船考察了“大西洋”號、“水手”號、“盛世公主”號等多艘豪華郵輪的設計。因此，結(jié)合上述工作以及國外最新的設計建造規(guī)范、新技術(shù)發(fā)展以及近年來國外交付的豪華郵輪的設計特點，本文擬從整個設計階段的角度，介紹三維建模的必要性、全壽期靈活設計、基于全局考慮的性能優(yōu)化、替代設計的應用、疫情影響等，并闡述新能源應用及智能化對郵輪設計帶來的影響；通過對豪華郵輪所特有的設計理念及相關(guān)案例介紹，加深業(yè)界同行對其設計特點的認識，促進國內(nèi)豪華郵輪自主設計建造能力的提升。

1 整個設計階段的三維建模

與常規(guī)運輸船舶不同，船體造型對豪華郵輪的意義極為重要。因此，包括船體的外形、艏部外飄樣式、煙囪外形及位置、預期涂裝配合等，這些方面都需要在概念設計階段予以考慮。而船舶內(nèi)部所謂“靚點區(qū)域”（或重要區(qū)域），在概念設計階段通常也需要采用三維效果圖形式加以呈現(xiàn)，如圖1 所示，在確定了船體造型和“靚點區(qū)域”設計后才會開展船舶的基本設計。

圖1 某7 萬總噸級郵輪內(nèi)的酒吧手繪及三維效果圖Fig. 1 Sketch map and three-dimensional effect drawing of a bar aboard a 70 000 GT luxury cruise ship

從郵輪的基本設計開始，幾乎所有公共場所的布置均需要與船東進行反復協(xié)商。而且，有關(guān)客船安全返港規(guī)范中的獨特要求也極大增加了船舶設計的復雜性。因此，采用三維建模的方式可以解決各專業(yè)在布置上的干涉問題，也增強了設計方與船東間的溝通效率。

多年前，國外兩大郵輪建造集團德國的邁爾造船公司（Meyer Werft GmbH）及意大利芬坎蒂尼造船集團（Fincantieri）均開展了郵輪的三維設計，而國內(nèi)造船行業(yè)在三維設計方面目前只是應用于后期的生產(chǎn)設計階段。在此階段，若發(fā)現(xiàn)設計出現(xiàn)問題，一般只能對設計進行小的修補，故也就談不上對船舶進行優(yōu)化設計。這里，以國內(nèi)最大的民船設計公司—上海船舶研究設計院為例，經(jīng)過多年的不懈探索，其已將三維設計工作提前到了方案及詳細設計階段，基于CADMATIC 數(shù)字和智能三維設計平臺，全船三維設計已在包括小型郵輪等多艘實船項目上得到應用，如圖2 所示。通過此設計平臺的接口并經(jīng)二次開發(fā)，可以在三維結(jié)構(gòu)設計軟件NAPA STEEL 上生成的結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，快速進行機電和舾裝專業(yè)的并行建模，進而基于所建模型開展重量計算、振動噪聲分析、排氣管系和風管阻力的CFD 計算以及上層建筑的風阻計算等，如圖3 所示。對于豪華郵輪設計而言，重量重心的把控尤為重要。因此，通過三維建?？梢詫崟r精確跟蹤最新數(shù)據(jù)，并及時采取相應措施。除此之外，三維建模也可為后續(xù)的虛擬（VR）漫游的全景呈現(xiàn)、軟件模擬疏散撤離等奠定基礎(chǔ)。

圖2 某1.5 萬總噸級豪華郵輪總體結(jié)構(gòu)及餐廳局部的三維圖Fig. 2 The 3D structural model of a 15 000 GT luxury cruise ship and restaurant layout drawing

圖3 三維建模在豪華郵輪后繼設計中的應用Fig. 3 Application of 3D model in a luxury cruise ship at later stages

2 考慮全壽期的靈活設計

郵輪的使用壽命至少30 年，營運40～50 年的郵輪也不罕見。在此期間，船舶需要每隔3～5 年進行一次維修或翻新，大的翻新工作甚至包括全部公共區(qū)域的調(diào)整，例如更新主題和增加“靚點區(qū)域”，這不僅可以滿足旅客的需求，還可以增強運營方的市場競爭力，所以需要在設計初期階段就與船東共同對未來可能的翻新帶來的影響給予考慮。據(jù)業(yè)界知名的芬蘭Foreship 郵輪設計公司估計，即使在不考慮改裝的情況下，空船重量也會每10 年有2%～3% 的增加[1]，所以這也是需要在設計前期予以考慮的因素。

近年來，郵輪、豪華客滾船加長的案例較多，圖4 所示為瑞士地中海航運公司（MSC）改裝的“和睦”號（Armonia）郵輪。此郵輪的改裝工作主要源于市場的驅(qū)動，當然，也有應對新規(guī)范（包括SOLAS 2020、安全返港以及硫氧化物、氮氧化物、溫室氣體排放）要求的考慮。例如，國內(nèi)正在建造的某大型郵輪，其后續(xù)船通過增加船長以滿足最新的SOLAS 2020 規(guī)范的要求。對船舶加長的方案屬于重大改裝，若在設計初期沒有考慮電纜管系布置、防火要求、撤離計算等，特別是針對安全返港規(guī)則無應對預案，后期改裝的工作量將難以估量。

圖4 地中?！昂湍馈碧柡廊A郵輪加長型設計方案Fig. 4 Lengthening design scheme of luxury cruise ship MSC Armonia

郵輪作為一種定制型船舶，即使尺度、噸位完全相同，不同船東、不同航線的船舶，其內(nèi)部的布置也會千差萬別。設計一型5 萬總噸級的中、小型郵輪，往往至少需要1 年，大型郵輪則會更長。鑒于此，國內(nèi)設計方可以借鑒全球最大渡輪運營商之一的歐洲Stena Line 公司提出的“靈活”設計的概念，在總結(jié)以往設計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，深入設計幾型典型船舶。在設計初期階段，可以對未來可能的設計變化予以考慮，例如旅客數(shù)增加對破艙穩(wěn)性的影響、增加船長對總縱強度及主豎區(qū)長度的影響等等，以實現(xiàn)在某一個級別的船舶內(nèi)更好地適應不同船東（運營商）需求的目標。一般來說，船寬的改變會導致水動力、結(jié)構(gòu)設計的顛覆，因此一個系列的設計往往會保持相同的船寬。表1 給出了瑞典Stena Line 渡輪公司推出的E-flexer 系列客滾船的主要數(shù)據(jù)。目前，基于原型的11 艘該系統(tǒng)客滾船由4 種變型組成，以適應不同船東和不同航線的要求[2]。這種設計理念前期需要對母型作更深入的研究，整體上，可以起到事半功倍的效果。

表1 Stena Line 渡輪公司的E-flexer 系列客滾客船主要數(shù)據(jù)Table 1 Main data of E-flexer series ropax passenger ship of Stena Line ferry

3 基于全局考慮的性能優(yōu)化

船舶作為一種復雜的海上建筑，全局優(yōu)化理念多年前已被提出，運用計算機軟件可以開展多方面的優(yōu)化工作[3-4]。與常規(guī)船舶不同的是，耐波性和操縱性對郵輪的重要程度不亞于穩(wěn)性和快速性，故需要在前期予以評估。

圖5 所示為某一型2.5 萬總噸級豪華郵輪前期耐波性分析的結(jié)果。通過計算垂蕩、縱搖、橫搖運動的傳遞函數(shù)來粗選尺度（圖5（a））。然后，在綜合考慮選定尺度的典型工況下，計算指定位置的橫搖有義值（圖5(b)），其中紅色表示不滿足衡準的橫搖5°，黃色表示不滿足衡準的橫搖4°。最后，根據(jù)計算結(jié)果再配置相應的減搖鰭，甚至重新選擇尺度。

圖5 某2.5 萬總噸級豪華郵輪耐波性的分析Fig. 5 Seakeeping analysis of a 25 000 GT luxury cruise ship

SOLAS 2020 規(guī)范對于新的客船破艙穩(wěn)性要求有了大幅提高。例如，總?cè)藬?shù)在1 500～2 400 人的舶船，要求其分艙指數(shù)R值提高8%～11%。因此，為滿足破艙穩(wěn)性SOLAS 2020 的要求，不僅需要重新劃分艙室，甚至尺度也要重新考慮[5-7]。然而，針對大幅提高的破艙穩(wěn)性要求，只能適當增加船寬來提高穩(wěn)性，但初穩(wěn)心高度GM值增大，導致橫搖周期降低，從而影響乘客在船上的舒適性。 鑒此，在設計極地小型郵輪及客滾船時，采用了直立型艏的設計方案[8]。近幾年以來，在大、中型郵輪設計中艏部外飄明顯減小，直立型艏或小球艏越來越多，如圖6 所示，其中包括了2020 年意大利芬坎蒂尼造船集團為英國維珍郵輪公司（Virgin Voyage）建造的11 萬總噸級的Scarlet Lady 號、2016 年日本三菱重工集團為德國愛達（AIDA）郵輪運營商建造的12.5 萬總噸級AIDA prima 號、2019 年德國Meyer 造船廠為意大利歌詩達郵輪公司（Costa）建造的18.5 萬總噸級“翡翠”號（Smeralda）。相對于傳統(tǒng)的球艏及大外飄艏部設計，直立型艏可以減小船艏在波浪中的升沉，降低船艏受到的砰擊，同時也可為船舶帶來較好的快速性及經(jīng)濟性收益。未來將會有越來越多的新建船舶采用這種直立型艏的設計。

圖6 采用直立型艏設計的郵輪Fig. 6 Cruise ships with vertical bow design

郵輪靠港頻繁，對操縱性要求較高。根據(jù)Clarkson 及IHS 數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，目前10 萬總噸級以上的大型郵輪普遍采用吊艙推進器（POD）推進方式，而已簽合同的53 艘4～6 萬總噸級郵輪中僅有3 艘采用了POD 推進方式，其他均采用常規(guī)雙槳推進的柴油機或者柴電推進的方式，在此情況下，通常需結(jié)合港口情況進行操縱性計算。目前，基于數(shù)學模型的仿真模擬及CFD 計算普遍應用于船舶的前期設計評估工作中，計算精度相對可以接受。至于在合同設計階段，通常都會開展操縱性模型試驗以對結(jié)果再次驗證。

4 替代設計在豪華郵輪上的應用

替代設計是風險評估方法（FSA）應用方向之一。在國際海事組織（IMO）頒布的規(guī)范中，應用FSA 方法最早出現(xiàn)在2002 年7 月1 日生效的SOLAS 的 第II-2 章 的 第17 款 中，并 可 追 溯到20 世紀80 年代設計交付給挪威皇家加勒比國際郵輪公司（The Royal Caribbean Cruise Line）的“海洋君主”號（ Sovereign of the Seas）郵輪的設計。該郵輪中的一個防火區(qū)內(nèi)有一個中庭延伸了3 層甲板，而1999 年交付的“海洋航行者”號（Voyager of the Seas）郵輪中庭設計延伸了3 個防火區(qū)[9]。

目前，在大、中型豪華郵輪上已廣泛應用了超長防火主豎區(qū)和超過150 人的大型救生艇。例如：2015 年意大利芬坎蒂尼造船集團為美國維京郵輪公司建造交付的4.8 萬總噸級的Viking Star 號小型郵輪（圖7），其最后一個防火主豎區(qū)的長度超過了規(guī)范要求的48 m 的限制，達到了52 m；2019 年交付的18.5 萬總噸級的“翡翠”號郵輪則采用了440 人的救生艇（圖6（c））。不僅如此，各大型豪華郵輪的“靚點”項目都采用了FSA 方法。例如，皇家加勒比國際郵輪公司“海洋量子”號上的“北極星”高空玻璃艙項目，嘉年華集團旗下“盛世公主”號的“天空走道”（sky rid）項目, 皇家加勒比國際郵輪公司“名人巔峰”號（Celebrity APEX）的“魔毯”（magic carpet）項目，以及其他眾多大型郵輪的大型水上滑梯項目等。IMO 規(guī)范（例如概率破艙穩(wěn)性、極地規(guī)則、天然氣燃料規(guī)則、安全返港）均是基于風險評估的思想制定的。因此，基于風險評估的替代設計方法可為未來的郵輪設計提供無限的可能性。

圖7 替代設計在豪華郵輪上的應用案例Fig. 7 An example of alternative design in Viking Star luxury cruise ship

5 豪華郵輪的發(fā)展趨勢

5.1 綠色環(huán)保型燃料的應用

1） LNG 燃料。

豪華郵輪近岸航行時間在整個航程中的占比很高，相對其他遠洋船舶而言，其對環(huán)境的影響更大，也一直備受詬病。多年以前，有學者對郵輪造成的污染進行了批評，指出“一艘大型郵輪對環(huán)境的污染相當于100 萬輛小轎車”[10-12]。近年來，IMO 對海上船舶的排放要求更加嚴格，使用液化天然氣（LNG）燃料的郵輪占比很大。據(jù)郵輪工業(yè)新聞（cruise industry news）的統(tǒng)計，2021～2027年共有46 艘大型郵輪建造交付，其中有21 艘采用LNG 燃料推進，占訂單總數(shù)的46%[13]。目前，在碼頭、加注船、安全性方面的研究也基本上可以支撐LNG 郵輪的進一步發(fā)展。

2） 鋰電池輔助推進。

2019 年9 月交付的挪威Color Line 渡輪公司的Color Hyrid 號混合動力客滾船，加裝了5 MWh的超大容量鋰電池，可以讓船舶以12 kn 速度航行1 h（可滿足進出港各半個小時的需求）。近年來，電池價格大幅度下降且能效也大幅度提升，北歐等國家對環(huán)保的要求使這種鋰電池輔助推進的模式被迅速復制，瑞典Stena Line 渡輪公司，德國AIDA 郵輪公司超過半數(shù)的新造船均加裝了鋰電池。例如，2016 年Stena Line 渡輪公司Eleka 號船研發(fā)項目表明，采用20 MWh 的鋰電池可以航行6 h，航程可達100 n mile。

本文認為郵輪進出港狀態(tài)下的零排放是未來5 年內(nèi)的趨勢。豪華郵輪航速不高，對于7 萬總噸級的郵輪，15 kn 航速下，20 MWh 可以覆蓋約2～3 h 的零排放，可滿足進出港航段的航程。鋰電池在技術(shù)、安全性方面均已得到驗證。并且，20 MWh 的鋰電池約占15 個標準集裝箱（TEU）的空間，不會改變郵輪的布置格局。

3） 其他燃料。

為應對IMO 提出的2050 年較2008 年溫室氣體減排50%的計劃，包括氫燃料、氨燃料等新型燃料的應用近兩年得到了極為熱烈的討論，業(yè)界一些專家認為，采用一定量級的氨燃料推進的船舶將在2030 年之前實現(xiàn)。本文認為，對于豪華郵輪而言，未來10 年LNG 燃料仍將是主流。其原因在于：一方面，從LNG 燃料船舶的發(fā)展來看，20 年的發(fā)展才達到目前的規(guī)模，如圖8 所示，其他燃料諸如甲醇等生物燃料本身并不是難點， 早在2014 年Stena Line 渡輪公司旗下的客滾船就已使用了，只是普及率不高，經(jīng)濟性也沒有絕對的優(yōu)勢，因此很難得到普及；另一方面，對于客船而言，安全性是首要條件，其他燃料需要在貨船上有足夠的實船案例才可能在客船上實施。

圖8 LNG 燃料船發(fā)展趨勢[14]Fig. 8 Development trend of LNG fuel-powered ship[14]

5.2 數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型

各工業(yè)部門正朝著信息化、智能化的方向邁進，信息技術(shù)已在各工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應用，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等先進技術(shù)也正引領(lǐng)著工業(yè)向著智能化的方向轉(zhuǎn)型發(fā)展。大數(shù)據(jù)是智能化的基礎(chǔ)，目前，在船舶設計中已得到了一定的應用，包括分析船舶設備狀態(tài)和備件情況、為船舶制定最經(jīng)濟和安全的航線、分析船舶主機的能耗、航速等數(shù)據(jù)（旨在為船舶設定最經(jīng)濟的航速）、分析航段所有船舶的歷史流量和軌跡 等[15-16]。

近年來，豪華郵輪在乘客體驗方面有較大的提升。例如，皇家加勒比、嘉年華等公司旗下的郵輪使用了智能手環(huán)，為乘客提供購物、博彩、叫餐、定位兒童位置的服務。通過智能手環(huán)，服務員可以查詢旅客是否在房間內(nèi)，以便清潔等。其他正在探索的智能化技術(shù)應用還包括：查詢公共場所的人流量，以便自動調(diào)節(jié)空調(diào)溫度燈光；逃生時，通過智能手環(huán)提示最優(yōu)逃生路線；用餐高峰期間，通過智能手環(huán)提醒當前用餐人數(shù)，以及反饋旅客的健康指數(shù)等。5G 等技術(shù)的成熟還會出現(xiàn)越來越多的產(chǎn)品，從而提升用戶體驗，也同時將提升船舶的安全性。

船舶智能化的終極目標是實現(xiàn)無人駕駛。在此方面，IMO 已經(jīng)開始著手制定海上水面自主航行船舶 （MASS）的發(fā)展標準。MASS 將對現(xiàn)行規(guī)范和公約起到顛覆性的效果，據(jù)估計，此項工作的完成至少需要20～30 年的時間。作者認為，未來10 年，替代設計將是智能化轉(zhuǎn)型在“超規(guī)范”方面應用的突破口，并且還會有越來越多的應用。

5.3 衛(wèi)生及醫(yī)療保障

鑒于新冠疫情給郵輪產(chǎn)業(yè)帶來了沉重的打擊，在設計方面，各大船級社包括中國船級社（CCS）、意大利船級社（RINA）、挪威船級社（DNVGL）、英國勞氏船級社（LR）等反應迅速，推出了相關(guān)的船級符號或指南文件。例如，RINA 推出了生物安全船級符號BIOSAFE SHIP（防疫認證），該符號旨在通過不同系統(tǒng)、設備、流程管理來控制并阻止可能的病毒感染爆發(fā)。作為一般參考，船東、船廠可以從10 種解決方案（船舶總布置圖、艙室房間、公共空間、防止表面污染、防止空氣污染、防止淡水系統(tǒng)污染、防止灰水和生活污水污染、垃圾處理、加強醫(yī)療救治、監(jiān)測系統(tǒng)）中做出選擇，以獲得足夠的生物安全指數(shù)[17]。CCS 于2020 年8 月1 日也發(fā)布了相關(guān)指南文件，推出了防疫安全附加標志符號EPC。該標志分3 個等級，在防疫安全保障、艙室布置、空調(diào)通風和空氣過濾系統(tǒng)、負壓隔離房、健康輔助功能等方面對每個等級都提出了要求[18]。最近，國內(nèi)交付的“中華富強”號大型客滾船取得了EPC 2 船級符號的認證。

業(yè)界專家、郵輪聯(lián)盟等各方對衛(wèi)生及醫(yī)療保障也進行了許多討論[19-21], 部分郵輪公司在新船上更新了空調(diào)系統(tǒng)。例如，在空調(diào)器末端增加凈化殺菌及微粒過濾功能的濾網(wǎng)，甚至也考慮在新船上加裝全新風的空調(diào)，甚至考慮取消內(nèi)艙房[22]。然而，上述舉措不僅代價高昂，也無法解決根本問題。本文認為，在后疫情時代設計的郵輪，提升衛(wèi)生及醫(yī)療保障設計水平是必然的，但郵輪旅游所獨有人員密集、密接和空間密閉的特點無法改變。若要打破這些限制，郵輪設計理念將會根本顛覆。因此，未來主要應在管理方面多進行深入研究。例如，考慮二次檢測后才能允許乘客登船和增加海上無目的游、島嶼游等。在船舶設計方面，可以基于現(xiàn)行較為嚴格且已完善的地方性規(guī)范和規(guī)則，例如美國公共衛(wèi)生署和美國疾病防控和預防中心的船舶衛(wèi)生計劃規(guī)范、歐盟客船衛(wèi)生標準及傳染病監(jiān)察指南進行增補更新[23-24]，進而逐步納入國際性規(guī)范。

6 結(jié) 論

本文結(jié)合國內(nèi)豪華郵輪設計建造的現(xiàn)狀，參考國外先進技術(shù)經(jīng)驗及近年來豪華郵輪的設計特點，考慮SOLAS 2000 規(guī)范和安全返港規(guī)則要求，從郵輪的整個設計階段角度，闡述了三維建模、全壽期靈活設計、基于全局考慮的性能優(yōu)化、替代設計應用等設計理念，展望了新能源應用及數(shù)字化、智能化技術(shù)的影響。通過豪華郵輪所特有的設計理念及相關(guān)案例介紹，得到如下幾點結(jié)論：

1） 三維建模提前到方案設計階段是郵輪設計的必經(jīng)之路；

2） 考慮到郵輪使用壽命長、拓撲關(guān)系復雜及市場需求發(fā)展變化的特點，應在設計初期就考慮未來可能的改裝需求；

3） SOLAS 2020 及安全返港規(guī)則將豪華郵輪的安全性提到了前所未有的高度，在滿足規(guī)范的同時，更應對耐波性、操縱性等予以關(guān)注；

4） 未來10 年內(nèi)，LNG 將作為豪華郵輪的主要燃料，基于風險評估的替代設計以及數(shù)字化和智能化技術(shù)將為未來的郵輪帶來更多的可能性，并給乘客帶來更多的新體驗。

綜上所述，國內(nèi)業(yè)者在進入該領(lǐng)域時，仍需在設計、管理、配套等技術(shù)方面潛心研究，通過消化國外先進技術(shù)，不斷提高自身設計能力，早日實現(xiàn)真正的中國自主設計的具有國際競爭力的豪華郵輪。