海船破舱进水安全综合评价系统

邱文昌　王一沫　孙锡志

摘要：

为弥补目前船舶应急响应服务（Emergency Response Service，ERS）存在的不足，构建由3项一级指标和10项二级指标组成的海船破舱进水安全综合评价系统.基于Maxsurf船体设计平台计算船舶性能参数，依据多维价值准则对评价指标进行定量化、归一化等处理后建立综合评价的数学模型，并给出与船舶破舱进水不同安全评价等级相对应的应急处置建议.这为身处事故现场的船长在关键时刻及时作出弃船、主动抢滩等正确决策提供了有效依据，对避免或减少人命伤亡、船货损毁和水域污染都有重要意义.

关键词：

海船； 破舱进水； 多维价值； 安全综合评价

0引言

目前船舶的装载手册或船上装载软件普遍缺少满载水线以上船舶浮性、稳性等参数，

因此当船舶在海上遇碰撞、搁浅等发生破舱进水时，

无法计算船舶剩余浮性和破舱稳性指标，而借助岸基的船舶应急响应服务（Emergency Response Service，ERS）[1]耗时长（有时超过24 h），且缺少对事故现场船况、气象、海况等因素的综合考虑.韩国“岁月号”等海难事故表明，船长延误弃船时机是造成大量人员伤亡的主要原因.显然，开发船上或船公司应急专用的海船破舱进水安全综合评价系统，能够使装备该系统的船舶在发生破舱进水事故时，快速完成船舶剩余浮性和破舱稳性等指标计算，并能结合事故现场船况、气象、海况等因素确定船舶破舱进水安全综合评价等级，给出有针对性的应急处置建议.这为身处事故现场的船长在关键时刻及时作出弃船、主动抢滩等正确决策提供了有效依据，对避免或减少人命伤亡、船货损毁和水域污染都有重要意义.

1海船破舱进水安全综合评价模型

1.1综合评价指标体系的建立

结合船舶法定抗沉性指标要求并考虑事故当时船况、气象、海况等多方面因素[23]，建立由3项一级指标和10项二级指标构成的海船破舱进水安全综合评价指标体系，见表1.

I11主要考虑船舶破舱进水终了时的最高水位线是否超过许用载重线、安全限界线和船舶最低非水密开口；I12考虑船舶进水终了时的横倾角不得超过法定的横倾角指标要求；I13考虑船舶进水终了时经自由液面修正的初稳心高度hGM不得小于其对应特定吃水下船舶破舱临界初稳心高度hGMD的要求；I14以船壳破损后经修正的船体各横剖最大许用剪力或最大许用弯矩值为基准，用来计算其最大剪力比（RSF max）和最大弯矩比（RBM max）；I21包括船舶是否搁浅、搁浅状况（若已搁浅）、机舱设备运行状况、船舶周围是否有他船伴航、是否具备抢滩搁浅条件、船舶螺旋桨运行状况等；I22反映船舶进水的严重程度（如机舱是否进水）；I23反映本船自航脱离危险、能够获岸基或他船救助的时间；I24反映一旦发生沉船可能危及的旅客人数；I31主要考虑异常的风、浪和涌的影响；I32主要涉及昼夜变化、异常气温、雨雪状况、能见度等因素.

1.2综合评价模型的构建

在建立海船破舱进水安全综合评价指标体系的基础上，基于多维价值组合规律[4]，对指标作定量化和归一化处理后，构建海船破舱进水安全综合评价的数学模型[56].

1.2.1海船破舱进水安全综合评价总指标U

U=100U1（）（w2U2（+）w3U3），U∈[0，100]

式中：（*）和+分别是多维价值准则中定义的乘号和加号，其运算规则等同于数学运算中的乘法和加法；U1，U2，U3∈0，1；w2和w3分别为U2和U3的权重，w2+w3=1，0≤w2，w3≤1.

U1在《船舶与海上设施法定检验规则》中有明确的最低衡准要求，对海船破舱进水安全综合评价特别重要，因此在指标合并中采用了不可偏废的乘法规则，即若U1取0.6，则U≤60.U2和U3则具有一定的互补性质，即船舶状况良好可部分弥补气象和海况差的影响，反之亦然，因此在指标合并中采用了加法规则.

1.2.2船舶浮性、稳性与船体强度组合指标U1

式中：Δ表示船舶进水终了的排水量；Δm表示船舶许用载重线所对应的满载排水量；FBm和FB min分别表示相对于船舶许用载重线且考虑当时船舶纵、横倾状态下对应的最小干舷和实际最小干舷（FB min取船舶横倾一侧船首、船舯前1/4船长处、船舯、船舯后1/4船长处和船尾等这5处干舷值中的最小值）；FB min≥0.076 m3英寸考虑船舶水线不超过法定安全限界线的要求；dfm是船舶最低非水密开口距设定船舶水线与安全限界线相切，且是相对于船舶当时纵、横倾状态下的垂向距离；df为船舶最低非水密开口距船舶实际水线的距离，df<0表示船舶最低非水密开口已开始入水；dlim m表示当df=0时船舶水线到船舶极限入水位置的距离；dlim表示当df=0时船舶实际水线到船舶极限入水位置的距离，dlim<0表示船舶实际水线已高过船舶极限入水位置.

1.2.2.2I12的计算

船舶破舱进水终了平衡前：横倾角小于等于2°时，I12=1；横倾角等于20°时，I12=0.6；横倾角等于40°时，I12=0；设定I12在上述各区间内均随横倾角线性递增.

船舶破舱进水终了平衡后：横倾角小于等于1°时，I12=1；横倾角等于17°时，I12=0.6；横倾角等于30°时，I12=0；设定I12在上述各区间内均随横倾角线性递增.

1.2.2.3I13的计算

当完整和破舱稳性指标均满足要求时，I13=1；当仅破舱稳性指标[8]满足要求时，I13=0.8；当有至少一项破舱稳性指标不满足要求时，I13=0.6；当hGM≤0时，I13=0.设定I13在[0，1]上呈线性变化.

1.2.2.4I14的计算

假设船舶处于静水状态：当RSF max≤90%且RBM max≤90%时，I14=1；当RSF max=100%或RBM max=100%时，I14=0.6；当RSF max=200%或RBM max=200%时，I14=0.当船壳破损时，应当借助专用船舶设计软件修正其相应剖面的许用切力和许用弯矩值.[9]设定I14在[0，1]上呈线性递增趋势.

1.2.3船舶状态指标U2

1.2.3.1I21的计算

这里的t表示船舶关键设备（主机、辅机或舵机等）出现故障后预计需要修复的时间，h；q2表示海船破舱进水后相对于进水速率的排水状况，当总体上进水情况已被控制，即排水速率大于进水速率，舱内水位已在下降时，q2=0.7，否则q2=0；q3和q4表示船舶破舱进水过程中的搁浅状态，若船舶已处于搁浅状态，则q3=0.9，否则q3=0，当船舶部分搁浅，船体还能摆动时，q4=0.7，否则q4=0；q5表示附近是否有他船伴航，若有，q5=0.6，否则q5=0；q6表示船舶附近是否具备抢滩坐浅条件，若具备则q6=0.6，否则q6=0；q7表示船舶螺旋桨运行状态，与船舶螺旋桨的沉深比I/D关系密切，

p表示船舶总进水量Δw占其夏季满载排水量ΔS的比值.当船舶未发生进水时，I22=0；当p>1时，I22=1.

n是反映水密区域和进水舱类型的系数，初值取1，最小取0.若每一水密区域至少存在1个第2类水密舱破损，则n的值减少0.1；若每一水密区域至少存在1个第3类水密舱破损，则n的值减少0.2；若机舱无任何类型进水，则n的值额外减少0.3.每一水密区域均以最危险舱的类型进行统计，同一水密区域最多只算一项，不重复计算；当机舱存在进水状况、其他水密区域存在1个第3类水密舱破损且p=0.5时，I22=0.6.

1.2.3.3I23的计算

1.2.3.4I24的计算

1.2.4气象和海况指标U3

1.2.4.1I31的计算

对无限航区3 000总吨及以上海船，几个折线点指标值可以设置为：当风力为4级及以下，或浪级为5级及以下，或涌高为4 m及以下时，I31=1；当风力为6级及以下，或浪级为7级及以下，或涌高为9 m及以下时，I31=0.8；当风力为8级及以下，或浪级为8级及以下，或涌高为14 m及以下时，I31=0.7；当风力为10～12级，或浪级为9级，或涌高为14 m以上时，I31=0.6；当风力或浪级超过12级，或涌高超过14 m时，I31=0.

1.2.4.2I32的计算

式中：I321为昼夜影响指标，I322为异常气温指标，I323为雨雪天气影响指标，I324为能见度影响指标.I32由下述I321，I322，I323和I324的定义可知，其取值区间为0.9，1.

由式（1）可知，I321的最大影响值取0.98.式（2）中，t表示气温，℃.式（4）中，V表示能见度等级.当V=6级时为能见度中等，水天线看不清，且存在雨、雪、轻雾等现象，能见距离为2～5 n mile；当V>6级时，I324的影响最小，其值为1.00；当V=2级时，能见距离为0.5～1 n mile，存在碰撞危险，此时I324的影响最大，其值为0.90；其他取值可由式（4）计算.

1.3综合评价模型指标权重的确定

选用专家问卷调查形式确定指标权重值的原始数据，借助克朗吧哈系数验证专家打分数据的一致性和可靠性，利用最小二乘法对数据进行处理后，获得w2=0.55，w3=0.45，w22=0.36，w23=0.34，w24=0.30.当然，在系统软件的设计中，也可以提供一种让软件使用者在一定范围内确定权重值的功能.

2海船破舱进水的应急处置建议

为便于身处海船破舱进水危急状态中的船长在关键时刻能够考虑全面并及时地作出正确决策，海船破舱进水安全综合评价系统应当包含与不同安全评价等级所对应的应急处置建议，见表2.

对装载危险品等特殊货物船以及散装化学品船、液化气体船等特种类型船， 除应给出上述应急处置一般建议外，还应给出针对特种货物和船舶的特殊应急处置措施.

1级安全

90.00～100.0（1）检查船体有无破损，酌情调整航速、航向，以便留出时间对险情进行评估.（2）尽快对进水舱进行堵漏排水，并确保相关排水泵运行正常（有条件时增设潜水泵排水）.（3）如有油舱破损，则应尽快移拨破损油舱的剩余油液，以减少海面油污.（4）密切监视进水舱的进水速率，留意与进水舱相邻的各舱室是否存在进水以及舱壁有无破损. 在进入水密舱柜前，须做好照明和通风工作，防止发生人员缺氧和窒息危险.（5）密切监视船舶水线和横倾角的变化情况.（6）调整压载，尽量保持船舶正浮或减小横倾.（7）谨防已完成堵漏的船体因裂痕扩展或高水压致舱壁某部位破损而再次进水.（8）如与他船碰撞，则需将碰撞角度、碰撞部位、损害程度及所采取的措施作完整记录.（9）及时向船舶所有人报告事故发生时间、地点、天气、海况、船上机电设备运行状态等数据信息

2级尚安全

80.00～89.99除上述措施外：（1）检查风雨密和所有的水密装置，使其处于关闭状态；（2）保持上甲板排水畅通；（3）增加对进水舱液位的测量次数；（4）船舶横倾角较大且海面风浪较大时，应避免顺浪航行，及时减速并采取顶偏角约15°航行，以减小纵、横摇幅度

3级有危险

70.00～79.99除上述措施外：（1）调整船舶纵倾，避免船舶主甲板后部被水淹没；（2）应考虑先将船上旅客（如果有的话）转移至他船；（3）若机舱进水，则轮机员在撤离前应及时关闭通向各货舱和油舱的阀门；（4）备妥所有救生设备，以便随时使用

4级较危险

60.00～69.99除上述措施外：（1）密切与岸基联系，要求在附近有他船伴航；（2）有旅客时，应先行转移至他船；（3）做好弃船准备

5级危险

0.00～59.99除舱内进水已被控制住，舱内的水位在明显下降，或船舶具备抢滩坐浅条件外，评价值为40～60时建议船长考虑弃船，低于40时建议船长果断下弃船命令

3计算实例

本文以救助船“DHJ”为例，其主要参数为：垂线间长88.00 m；型宽15.20 m；型深7.60 m；设计吃水5.60 m；排水量4 403.0 t；总载质量1 205.0 t；空船排水量3 248.0 t；空船重心距船舯距离-0.294 m；空船重心距基线高度 6.999 m；许用载重线为夏季载重线.

船舶破舱进水主要情景设定：船舶发生触礁事故，造成其右舷1号燃油舱破损进水，海面出现油污，同时船舶主机发生故障，预计需要维修时间少于40 min.经计算，当进水终了时船舶平均吃水为6.017 m.船舶破舱进水情景的主要参数见表3. 经过Maxsurf计算，得到船舶相关数据，见表4.

4结束语

目前，尽管大型货船为应对各类货物装载和船舶浮态、稳性和船体强度的复杂计算已要求强制配备船舶装载软件，但是这类装载软件普遍缺少船舶在破舱进水，特别是在吃水远超满载水线时计算船舶浮态、稳性和船体强度的功能.事实上，船舶在设计时所使用的辅助软件都具备船舶破舱进水后、吃水远超满载水线时计算船舶浮态、稳性和船体强度的功能[10]，只是许多参数未能向船上提供.因此，对缺少在破舱进水，特别是在吃水远超满载水线时的关于船舶浮态、稳性和船体强度的校核数据的船舶，要完成破舱进水安全的部分指标计算，还需要基于船舶静水力和船体结构参数，借助Maxsurf等船体设计平台完成船舶破舱进水后的浮态、稳性和剩余船体强度方面的参数计算.因此，建议国内外相关规则的制定者应当明确要求船舶设计机构向船长提供船舶吃水远超满载水线时的船舶浮态、稳性和船体强度参数资料，并要求船上所配备的装载软件必须具备类似于本文的船舶破舱进水安全综合评价系统的部分功能，以有效提升船舶破舱进水后的应急处置能力.

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（编辑赵勉）