基于SOLAS 公約體系的國際船舶破艙穩性發展綜述

張 偉 喬薛峰 高曉磊 孫明宇

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

0 引 言

隨著經濟全球化和國際貿易的不斷發展，國際海運也蓬勃發展起來。目前，國際海運已占到全球貿易的90%以上，對全球經濟發展起著至關重要的作用。船舶在航行中可能會發生船體破損事故，從而導致船上人員生命安全受到威脅，并造成財產損失以及環境污染等問題。由于船體破損事故往往會造成嚴重后果，所以引起了國際社會對船舶航行安全意識的不斷增強，相關規范也隨之不斷發展和完善。

1 近年海損事故統計數據

船舶在海上航行時會發生各種海損事故。英國勞氏船級社對2000—2010 年間發生的船舶海損事故進行了統計[1]，如圖1 和圖2 所示。

圖1 2000—2010 年間發生的船舶海損事故（按船型）

圖2 2000—2010 年間發生的船舶海損事故（按原因）

由統計結果可知，接近一半的海損事故是船舶沉沒（約占49%，通常是船體破損后進水導致），而通常船舶沉沒造成的危害十分嚴重。為應對該問題，國際海上人命安全公約（international convention for safety of life at sea, SOLAS）于1914 年首次被提出。破損事故同時推動了相關規范的產生和發展，而規范的不斷發展和完善也對破損事故的預防起到了決定性作用。自SOLAS 公約被提出后，破損事故已明顯減少。據英國勞氏船級社海損事故統計，在1910 年，平均每100 艘船中就有1 艘發生海損，而2010 年則降低到平均每670 艘船才有1 艘發生海損。由于破損事故占了海損事故的大部分，因此也可認為破損事故的發生概率大幅降低了。

2 基于SOLAS 公約體系的破艙穩性規范發展

船舶破艙穩性已經歷超1 個世紀的發展。1889年，在美國華盛頓舉辦的國際海運會議[2]對船舶破艙穩性進行了首次嘗試。其規定客船需要設置足夠數量的艙壁，以確保當任意2 個相鄰艙室進水時，船舶依然能夠保持足夠的穩性。其本質是要求客船可以保證具有兩艙不沉的分艙標準。

2.1 泰坦尼克號和SOLAS 1914

2.1.1 泰坦尼克號

泰坦尼克號是隸屬于英國白星航運公司的1 艘奧林匹克級郵輪，全長約269 m，是當時世界上體積最龐大、內部設施最豪華的郵輪。泰坦尼克號是按照兩艙不沉的分艙標準來設計的，可以在任意2個相鄰水密艙室破損進水的情況下仍然具有足夠的穩性。因為當時沒有人能夠想象有比2 個相鄰主艙室艙壁處破損更嚴重的情況，所以泰坦尼克號在當時也被認為理論上是“不可沉沒”的。

然而就在泰坦尼克號從英國南安普敦出發駛往美國紐約的處女航中，讓所有人都意想不到的事發生了。1912 年4 月14 日，泰坦尼克號在全速航行狀態下與冰山相撞，造成右舷艏部至船舯部分船體破裂，導致海水迅速涌入艏部6 個水密艙室，并最終于次日凌晨在船體斷裂成兩截后沉入大西洋海底。泰坦尼克號的沉沒最終導致船上搭載的2 224 人中，1 514 人不幸罹難。

2.1.2 SOLAS 1914

為應對泰坦尼克號沉沒帶來的挑戰，以英國為首的13 個主要航運國召開會議，并于1914 年1 月20 日簽署了《1914 年國際海上人命安全公約》（SOLAS 1914）。該公約本應于1915 年7 月1 日生效，但因第一次世界大戰爆發，導致該公約并未生效。

SOLAS 1914 關于破艙穩性的規定適用于國際航行且載客超過12 人的機械推進商船[3]。其關于破艙穩性的要求主要是規定船舶的分艙標準，并通過可浸長度和分艙因數來確定單艙最大長度。其中分艙因數取決于船長和船舶類型，其值在0.34 ~ 1之間變化。分艙因數和分艙標準之間的對應關系為：分艙因數F≤ 0.5，兩艙不沉；分艙因數F＞ 0.5，一艙不沉。

除此之外，考慮到船舶首部撞擊和觸底的破損情況，SOLAS 1914 分別額外對船舶首部區域和船底部區域給出了相應的特殊要求。對于船舶首部區域，要求對于不同的分艙因數和船長的船舶進行適當的區域分艙；對于船底部區域，則要求船舶在合適的位置設置適當的雙層底。此外，SOLAS 1914還要求船舶在合適的位置設置防撞艙壁、尾尖艙壁以及機艙前后艙壁。

SOLAS 1914雖然對船舶分艙設置了一些規定，但是其在衡準破損時只考慮破損后的浮態，而沒有對破損后的剩余穩性進行衡準。在某些特殊的情況下，船舶可能會出現限界線并沒有浸沒但穩性并不富裕的情況，所以仍然需要對船舶破損后的剩余穩性進一步研究和修訂。

2.1.3 泰坦尼克號可浸長度曲線

結合SOLAS 1914 的規定，分析泰坦尼克號的破損情況。其由15 個橫向水密艙壁分割成16 個主要艙室，如圖3 所示。

圖3 泰坦尼克號艙室劃分

由圖4 所示泰坦尼克號可浸長度曲線[4]可知,雖然其為兩艙不沉船舶，但實際上大部分區域更接近三艙不沉，艏部區域更是滿足四艙不沉。

圖4 泰坦尼克號可浸長度曲線

然而由于與冰山猛烈碰撞，導致泰坦尼克號艏部6 個艙室進水，超出了其承受破損的能力，最終導致沉沒。

2.2 SOLAS 1929、SOLAS 1948 和SOLAS 1960

2.2.1 SOLAS 1929

相較于SOLAS 1914，于1929 年通過的SOLAS 1929 在第1 版的基礎上進行了相應的修訂。對于分艙標準，其規定分艙因數F可以小于0.34，此時船舶應具有三艙不沉的能力[5]。對于艏部分艙以及防撞艙壁等的特殊要求，SOLAS 1929 也進行了相應調整。此外，SOLAS 1929 還引入了內部結構對破艙穩性影響的規定。對于凡擬裝設足夠密性的甲板、內殼板或縱艙壁以嚴格限制水流動的船, 在計算中對涉及此類結構的有利或不利影響均應考慮并使主管機關滿意，這主要是為了避免類似愛爾蘭皇后號遠洋客輪沉沒的事故再次發生。該船于1914 年5 月29 日與1 艘船舶相撞后，在圣勞倫斯河沉沒。盡管其內部設置了一定數量的水密艙壁,也攜帶了足夠的救生艇，但其僅在14 min 內就傾覆沉沒，最終導致船上1 477 人中的1 012 人喪生。調查結果顯示該船內部縱向艙壁的存在加速了橫傾，從而導致船舶快速傾覆沉沒。

2.2.2 SOLAS 1948

SOLAS 1914 和SOLAS 1929 雖然提出了相關的破艙穩性要求，但并沒有對破損后的剩余穩性提出要求。為應對這種缺陷，SOLAS 1948 除了對船舶的分艙提出相應要求以外，也首次對船舶在規定的破損后剩余穩性提出了具體要求。

首先，SOLAS 1948 規定對于分艙因數F＜0.5的船舶，需要考慮相鄰的2 個主艙室破損，而對于分艙因數F ＞0.5 的船舶，只需要考慮1 個主艙室破損。相應的舷側破損范圍規定如下：

縱向： min（3%L+3.05, 10.67）（L為計算船長，m）；

橫向：B/5（B為船寬，m）；

垂向：從雙層底向上至限界線。

對于船舶破損后的剩余穩性要求[6]則為：對于對稱破損，要求剩余穩性高度大于0；而對于不對稱進水，則要求橫傾角一般不大于7°（特殊情況下不大于15°），而且限界線不允許被浸沒。此外，在SOLAS 1948 中，橫貫進水裝置以及進水中間狀態的概念也首次被提出。

2.2.3 SOLAS 1960

SOLAS 1960 對船舶破損情況及破損后剩余穩性的衡準[7]進行了一些調整。首先，對于分艙因數F≤0.33 的船舶，要求考慮相鄰的3 個主艙室破損；對于分艙因數0.33 ＜F≤0.5 的船舶，要求考慮相鄰的2 個主艙室破損；而對于分艙因數F＞0.5 的船舶，只需考慮1 個主艙室破損。另外，SOLAS 1960對舷側破損范圍的垂向范圍進行了重新規定，要求從基線以上向上無限制；而對于破損后的殘存穩性，則要求對稱破損的剩余穩性高度大于0.05。

2.3 A.265（VIII）

德國的WENDEL 教授于1960 年在其所發表的論文中首次提出“船舶破艙穩性的概率性方法”這一概念。他描述了基于破損事故統計數據的破艙穩性替代方法。在WENDEL 教授和其他一些學者的研究工作基礎上，IMO 于1973 年通過了A.265（VIII）。這是IMO 對概率性破艙穩性的首次嘗試，新規范的制定原則是保證其安全水平基本上與SOLAS 1960 的要求相當。

2.3.1 概率性方法

新的概率性方法之所以被引入是因SOLAS 1960存在一些問題。首先，SOLAS 1960 中關于客船分艙和破艙穩性的規定是基于1913—1914 年召開的第1 次國際安全會議期間的研究結果制定的。這些研究主要發生在1912—1924 年，而且研究也是基于當時存在的船型開展的。所以SOLAS 1960 并沒有考慮過去50 年在船型設計方面的顯著改變， 一些既有的確定性方法已失去了實用意義。此外，隨著關于船舶破艙穩性研究工作的廣泛開展，也逐漸發現既有的確定性方法存在一些缺陷。

此概率性方法的原理[8]是基于概率性的原理規定船舶要求達到的分艙指數R和分艙指數A的計算方法，并要求A≥R。為確定R和A的計算方法，在規范制定的過程中主要利用了包括破損位置、破損尺寸、海況和其他信息的船舶碰撞海損報告，包含航行吃水和滲透率等信息的航行報告、2 艘破損船舶在波浪中的模型試驗，以及為了分析船寬型深比影響而進行的若干補充模型試驗。

2.3.2 要求達到的分艙指數R

考慮到提升船舶安全級別的同時，又要保證規范能夠在避免過度犧牲經濟或服務代價的前提下實施。R的公式是由對新船整個分析樣本中得到的A值取中間值所得，由此基本可以保證一半的現有船舶仍能滿足新規范的要求。根據統計發現其與載重線船長和船上人員數量相關，具體公式見式（1）：

式中：Ls為分艙長度，m；N為船上人員數，N=N1+2N2（其中：N1為救生艇可供使用的人數；N2為船舶在N1以外允許載運的人數）。

2.3.3 達到的分艙指數A

基于概率性的思想，達到的分艙指數A是由將所有對分艙指數有貢獻的破損組合的破損概率乘以破損后的殘存概率所得到的值相加得到，參見式（2）：

式中：a為計入艙室在船長方向位置的破損概率；p為評估縱向破損范圍的變化對破損概率的影響；s為評估進水最終平衡階段的干舷、穩性和縱傾的影響，即破損后的殘存概率。

破損概率需要同時考慮a和p的影響，即等于ap。其是在基于一些簡單化假定并結合一定破損統計數據的基礎上得到的。破損統計數據[9]為向政府間海事協商組織（intergovernmental maritime consltative organization, IMCO）上報的811 組破損信息，其中包含296 組被撞船的船長、船寬、破損位置、破損長度和破損深度等數據。根據破損統計數據分析，分別得到了破損位置分布和破損長度分布密度，如圖5 和圖6 所示。

圖5 破損位置分布密度

圖6 破損長度分布密度

破損后的殘存概率取決于吃水、初穩性高GM、破損艙室滲透率以及環境條件等因素。為確定船舶傾覆時波高和相關因素之間的關系，英國和美國分別進行了相應的模型試驗研究工作，最終的模型試驗結果顯示了臨界有義波高與GM以及干舷之間的關系，如下頁圖7 所示。

圖7 臨界有義波高與GM 以及干舷的關系

實際上，臨界有義波高可以由GM和干舷的關系式表示。

此外，根據統計的被撞船舶的海況報告，得到了有義波高分布曲線，如圖8 所示。

圖8 有義波高分布曲線

船舶在一定GM和干舷條件下破損后殘存的概率實際上就等于有義波高分布曲線上有義波高不超過臨界有義波高（與GM和干舷相對應的值）的概率。所以船舶破損后的殘存概率可以由有義波高分布曲線得到。在具體計算時，考慮到船舶運營的各種情況，破損后的殘存概率s是由規范規定的3 個中間狀態吃水加權得到的。

除了要求A≥R以外，考慮到純粹的概率性方法在某些情況下可能會導致船舶設計出現一些不可接受的缺陷，新規范中也包含額外的關于分艙和破艙穩性的確定性要求，以求達到和SOLAS 1960近似相同的安全標準。

1975 年通過的SOLAS 1974 正式將A.265（VIII）引入，并將其作為確定性破艙穩性的替代方法。雖然全新的概率性破艙穩性方法被引入，但是由于當時概率性破艙理論研究和船舶破損統計數據的相對匱乏，人們對概率性破艙穩性方法仍缺乏足夠的信心，因此在具體應用時，確定性方法仍然優先于概率性方法。

2.4 MSC.19（58）

直至SOLAS 1974，關于破艙穩性的規定仍然只限于客船，對于貨船并沒有相應的要求。IMO 在1990 年通過了MSC.19（58），其在之前SOLAS 公約的基礎上增加了B-1 部分，首次對貨船的破艙穩性提出了相應的要求[10]。該部分適用于船長超過100 m 的貨船（在MARPOL、IBC、IGC、SPS、ICLL 及其他規范中有特殊規定的貨船除外），并規定了貨船破艙穩性的概率性方法。

貨船的概率性方法仍然采用和A.265（VIII）相同的破損統計數據。不過考慮到貨船與客船不同，MSC.19（58）相對于A.265（VIII）有一些改動。比如采用兩吃水（即最深分艙吃水和部分吃水）作為初始工況，并且要求達到的分艙指數R的計算公式也與客船不同，且只與分艙長度有關，見式（3）：

除此以外，在破艙穩性計算過程中還考慮了水線以上水平分隔的影響，而且破損后的殘存概率主要采用平衡凈傾角、最大正復原力臂和正復原力臂范圍這3 個參數來衡量。相比于A.265（VIII），貨船概率性方法并沒有額外的確定性破艙穩性要求。

之后，IMO 在1996 年通過MSC.47（66），并將MSC.19（58）關于貨船概率性破艙的適用范圍擴展到80 m 及以上的貨船。對于船長大于100 m的貨船仍采用式（3）計算R，而對于船長為80 ~100 m 的貨船，則另外規定了R的計算式：

式中：Ro為由式（3）計算得到的相應R值。

3 客船和貨船破艙穩性的統一

3.1 統一的原因

在貨船的概率性破艙穩性規定MSC.19（58）被提出后，IMO 開始討論再次修改客船確定性破艙穩性的必要性。因為當時關于貨船的破艙穩性基于概率性方法，而關于客船的破艙穩性則基于確定性方法。雖然關于客船也提出了基于概率性的方法，但其只作為替代方法，而且在應用時確定性方法優先于概率性方法。經過研究和討論，IMO 最終的結論是對客船和貨船應該采用統一的基于概率性方法的破艙穩性，而不是再次修改已有的客船確定性方法。

3.2 歐盟委員會HARDER項目

歐盟委員會于2000—2003 年開展的HARDER項目，旨在統一規范和設計原理，開發對客船和貨船都適用的概率性破艙穩性方法。在實施過程中，HARDER 主要采用破損統計數據、數值模擬及模型試驗等方法對船舶破艙穩性進行了系統研究。

相對于A.265（VIII），HARDER 包含了一些由各船級社及組織統計的截至2000 年的最新海損事故。當時最終的數據庫總共包含各類海損事故2 946 起，其中930 起事故與船舶碰撞相關，具體數據如表1 所示[11]。

表1 所有類型海損事故數據來源

3.3 綜合安全評估

新的統一的概率性破艙穩性方法基于風險分析，其符合IMO 的基于風險分析的評估方法，尤其是綜合安全評估。一般來說，船舶破損可能會危及船上人員安全，造成船舶自身及其貨物等財產的損失，同時危害到海洋環境。船舶破損后可能造成的后果主要取決于船舶的類型以及尺度，而其影響的相對權重需要采用綜合安全評估的方法進行。[12]

圖9 顯示了基于不同破艙穩性要求而對船舶和法規進行的分類。

圖9 基于破艙穩性要求的船舶和法規分類

在第1 個層級，首先根據船上人員危害的風險控制將商船進行分類。因為對船上人員危害的程度不同，貨船和客船首先被區分開來。然后，再根據破損后可能造成的不同后果將貨船分為干貨船和液貨船。干貨船可能會導致船舶自身及其貨物等財產的損失；而液貨船則還可能會對海洋環境造成嚴重的影響，而且該影響所造成的后果甚至會超過船舶自身及其貨物等財產的損失。

為了得到統一的客船和貨船破艙穩性，需要對不同類型船舶破損后可能造成的各種后果（如船上人員危害、財產危害和海洋環境危害等）都采用統一的定量經濟損失的形式來衡量。由此，不同類型船舶破損后造成的后果就可以直接按照綜合安全評估程序進行相互比較。盡管此評估方法頗受爭議，但它使統一客船和貨船（在MARPOL、IBC、IGC、SPS、ICLL 及其他規范中有特殊規定的貨船除外）的破艙穩性工作得以實行。

3.4 統一的客船和貨船破艙穩性

在HARDER 項目及其他研究結果的基礎上，IMO 于2005 年通過了MSC.194（80）[13-14]，其中對客船和貨船的破艙穩性進行了統一修訂，規定了統一的基于概率性方法的客船和貨船破艙穩性要求。

對于要求達到的分艙指數R，新規定對客船以及分艙長度100 m以上的貨船與80 ~ 100 m的貨船，分別給出了以下計算公式。

對于分艙長度大于100 m 的貨船：

對于分艙長度為80 ~ 100 m 的貨船，仍采用公式（4），但Ro應采用式（5）計算得到。

對于客船：

對于達到要求的分艙指數A，客船和貨船在計算中都是采用三吃水（即最深分艙吃水、部分分艙吃水以及輕載航行吃水）作為初始工況，并且破損后的殘存概率都采用平衡凈傾角、最大正復原力臂以及正復原力臂范圍這3個參數來衡量。但是對于殘存概率的計算，客船和貨船還是有些不同：比如對于貨船，只需要考慮進水平衡后的最終狀態；而對于客船，則還需考慮進水中間狀態的衡準情況。

此外，類似于A.265（VIII），統一的破艙穩性方法仍對客船增加了額外的確定性破艙穩性要求。

4 統一后的概率性破艙穩性發展

統一的概率性破艙穩性方法自提出后就備受爭議：有人懷疑統一的概率性破艙在某些方面并沒有提供與確定性破艙相同的安全等級；有人認為對于客滾船車輛甲板進水的特殊情況在SOLAS 新規范的破艙穩性中并沒有特別考慮；還有人認為需要提高要求達到的分艙指數R，以保證更安全的設計。為了更深入分析和理解船舶破艙穩性問題，歐盟委員會隨后在這方面組織并開展了相關研究。

于2005—2009 年開展的SAFEDOR 項目主要研究采用基于風險分析的船舶設計理念以降低風險。SAFEDOR 的研究結果顯示：對于郵輪和客滾船，那些可以被采用確定性破艙設計的船所保護的危險破損情況，卻可能在采用概率性破艙設計的船中遭受危險。因此為了完全應用概率性破艙，應該顯著提高郵輪和客滾船的破艙穩性要求。

另一個于2009—2012 年開展的GOALDS[15]項目則旨在解決2 個主要問題：一是對于將破損后殘存概率的計算公式應用于那些對穩性要求很敏感的船（如大型郵輪和客滾船）時，存在嚴重的擔憂；二是當前破艙穩性只考慮了船舶的碰撞破損，但根據統計結果顯示，觸底破損也很重要，尤其對于客船。通過開展GOALDS 項目，更新了碰撞和觸底事故數據庫，發展了1 個改進的破損后殘存概率的計算公式，并建議要求達到的分艙指數R應該在現有的SOLAS 2009 要求的基礎上顯著提高。另外，也發展了1 套全新的觸底破損進水的殘存模型。

上述歐盟委員領導研究工作的一些成果目前已經體現于最新規范對破艙穩性的要求中。2017年通過的最新破艙穩性要求MSC.421（98）[16]，在此前規范的基礎上主要進行了2 個修訂：一個是對進水最終階段的殘存概率公式進行調整；另一個是對客船要求達到的分艙指數R的公式進行調整，而且其值只與船上人員數N（與之前規范規定計算得到的N不同）相關，如表2 所示。

表2 客船要求達到的分艙指數R

5 結 語

基于SOLAS 體系的國際船舶破艙穩性規范發展至今已有100 多年，不僅積累了很多破損統計數據，而且破艙穩性的理論研究也取得了長足進步。但是，當前的破艙穩性規范仍存在很多需要研究和解決的問題，比如：隨著破損統計數據更新而導致的破損概率分布的進一步更新和發展；內河以及沿海航運的發展也會給當前并非基于概率性的船舶觸底破損衡準帶來一些問題；未來是否會像第2 代完整穩性衡準對第1 代完整穩性衡準的顛覆那樣產生全新的破艙穩性評估體系也未可知。

此外，隨著科學技術的進步，國際航運市場可能會迎來一些全新的挑戰。比如當前比較熱門的無人智能船舶的發展，必然會對船舶破艙穩性的要求以及破損后的船舶響應提出新的挑戰。

由此可見，船舶破艙穩性規范必然會隨著時代的發展不斷更新進化，最終滿足不同時代人們對船舶航行安全的需求。