摘要：在传统的船舶设计中，船型及其主尺度主要是根据快速性、稳性等方面的要求来决定的，很少考虑操纵性的要求。随着海运事业的发展，船舶日益大型化、专用化和高速化，航行密度增大，海损事故增多，给人类生命财产和海洋生态环境带来了很大的威胁，重新唤起了人们对船舶操纵性能的重视。
关键词：船舶操纵性，评价指标，预报，分析研究
1前言
船舶操纵性能是船舶的重要性能之一，船舶一旦丧失操纵能力，航行就缺少了起码的安全保障,因此研究船舶操纵性能有着重大的意义,但由于船舶操纵性研究起步较晚,长期以来,船舶操纵性基本上限于研究船舶在操纵装置控制下,保持和改变航向的能力,所采用的方法也主要是通过自航模进行操纵性试验研究。尽管近年来在实验研究的基础之上也发展起了船舶操纵性能预报的人工神经网络等方法,利用操纵性试验资料进行回归分析,但由于回归模型的多元性和非线性,其预报精度难以保证,我国自20世纪90年代初开始进行了这一领域的研究,也取得一定的结果,但总体上这些研究还处于探索阶段。根据已有研究表明:影响船舶操纵性的因素是多方面的,通常认为尾部线型对其直线运动稳定性及转首性有较大影响,而对大舵角时的回转性影响较小。
2船舶操纵性的评价指标
衡量船舶操纵性的指标分为两大类,一类是“直接判据”,它是由自航模试验或实船试验直接测定的参数。如旋回试验中的进距和旋回初径;Z形试验中的超越角和滞后时间;停船试验中的最短停船距离等。另一类是“间接判据”,如旋回性指数K、追随性指数T和舵效P等。对于船舶操纵人员来说,“直接判据”比较直观,另外,船舶固有的操纵性与船舶操纵运动有关,标准的试验方法取得的数据比较容易被接受,因此,在此采用“直接判据”。根据国际海事组织(IMO)A.751号决议,操纵性的评价指标分为下列4种:
2.1旋回性能
旋回性能是衡量船舶机动回转性的指标。它通过“旋回试验”测取旋回圈数据进行判断。主要数据包括进距(Ad)、旋回初径(DT)、稳定旋回直径(D)等。这些数据越小,旋回性能越好。
2.2初始回转性能
初始回转性能是衡量直航中船舶的转向能力的指标。它通过试验获得数据进行判断。通常用直航船舶操10°舵角,航向角变化10°时,船舶前进的距离来衡量。该距离越小,初始回转性能越好。
2.3偏转抑制性能和保向性能
偏转抑制性能和保向性能是衡量船舶航向控制能力的指标。它通过Z形试验结果的超越角进行判断。超越角越小,船舶保向能力越好。
2.4停船性能
停船性能是衡量船舶直线运动惯性的指标。它通过倒车停船试验进行判断。一般用全速进车航行中进行全速倒车操作,直至船舶速度为0时所前进的距离(Ds)来衡量。该距离越小,船舶停船性能越好。
实际上,船舶操纵安全不但与操纵性有关,还与航行水域、气象条件以及操船者的操船技能等因素有关。但船舶的操纵性能是最基本的因素,没有操纵性的保证,就无从谈起操纵安全。因此,操纵人员要对船舶操纵性有一基本的了解。
3静水中操纵性的预报概述
利用船舶运动数学模型在计算机上对船舶在操舵及各种控制输入的作用下的操纵性能进行仿真计算,能够再现船舶在通常情况、紧急情况下的操纵运动,所以这是一个非常有用的方法,而且也是非常有前途的方法渺一。该方法的关键是如何简单、精确地确定数学模型中各种流体动力导数和干扰系数。确定作用于船体流体动力导数的方法大致也有三种数据库方法、约束船模试验方法及理论计算方法。数据库法和约束船模试验法与上述方法一样,既有优点同时还存在缺点。理论方法包括机翼理论、细长体理论及其混合理论,它们可以计算作用在船体上的流体动力和力矩。但要用理论力法计算所有流体动力导数,特别是非线性导数,目前来看还有许多困难,而且精度也不可能满足工程要求。
从实用观点来看,将理论计算结果与约束船模试验结果、数据库中的数据相结合,总结出一种近似估算公式来确定船体流体动力的导数,是一种行之有效的方法。用近似估算公式计算出的流体动力导数,进行仿真计算来预报船舶操纵性能,大量的研究证明,这种方法的计算精度已达到工程要求。本节将侧重介绍该方法。
4船舶操纵性能的优化模型
4.1设计变量
本文选取对船舶操纵性能影响较大的参数:船长L、船宽B、吃水T、方形系数CB和舵面积AR等五个参数作为设计变量,即：
X=[x1,x2,x3,x4,x5]T
=[L,B,T,CB,AR]T。
4.2目标函数及约束条件
由于船舶操纵性能包含三个子性能,故操纵性能的优化是一个多目标优化问题,一般形式为：
minf(x)=[f1(x),f2(x),f3(x)]T,
其中f1(x),f2(x),f3(x)为三个操纵性指数。
为了解决这样一个多目标优化的问题,本文采用线性加权求和方法将多目标优化转化为单目标优化来解决。即根据多目标函数f(x)中各分量f1(x)、f2(x)、f3(x)的隶属度_k和权重数ak(k=1,2,3)进行线性加权求和,构成如下的评价函数:
h(F(x))=a1_1(x)+a2_2(x)+a3_3(x)。
要求评价函数越大越好。
对于约束条件,本文只采用尺度约束,即：
Δ=Δ0(排水量不变),
L1≤L≤L2,B1≤B≤B2,T1≤T≤T2,
CB1≤CB≤CB2,AR1≤AR≤AR2。
4.3隶属函数及权重
由模糊数学知识确定隶属函数的方法,有模糊统计法、二元排序对比法、模糊分布及其常用图式的方法。本工作中采用简单的衡准方法确定隶属函数,即利用船舶的操纵性标准,取隶属对象的标准极限值作为变量的上下限,而隶属度在变量的上下限处取0或1,然后用直线连接即可得到该变量的隶属函数。当然,取法与此隶属对象属于戒上型或戒下型有关。本文根据我国操纵性标准,三个操纵子性能的隶属函数分别取为:
_(C′)=55.6C′-0.11,0<C′<0.0002;
_(D′)=1.28-0.284D′,0.98<D′<4.5;
_(ta′)=1.11-0.483ta′,0<ta′<2.2。
权重的确定方法简介如下:对船舶的主尺度进行离散,得到若干组设计变量;分别进行操纵性能计算,得到相应的操纵性指数;按照隶属函数公式计算出相应的隶属度_1,_2,_3,它们既是对每一个基本操纵性能的隶属度,也可以认为是对整个操纵性能的隶属度;对_i(i=1,2,3)作归一化处理即可得到相应的权重。当然,若要更加可靠地确定各操纵性能的权数,还需要进行更多数量船舶的操纵性计算,同时根据详实的操纵性试验资料和本专业专家的意见来综合确定。
5结语
随着造船和航运事业的发展，一方面，船舶向大型化、高速化发展，另一方面，在原有航道中航行的船舶数量日益增加，使得航道中船舶密集，导致事故发生的危险性越来越大。因此,在船舶初步设计阶段,必须考虑操纵性能的要求,即在确定船舶的主尺度、船型参数和舵面积时,需要对操纵性能进行预报及优化,从整体上把握船舶的机动性,以保证船舶具有最优的操纵性能。
参考文献
[1]边晓丽.船舶初始设计阶段的操纵性预报[D].武汉理工大学,2004.
[2]姚杰,卓永强,吴兆麟,方祥麟.船舶操纵性综合评价方法的研究[J].大连水产学院学报,2002(01):42-47.