深入浅出概率法破舱稳性

龙船小编 · 发表于 2021-6-25 10:58

编者按：工作机制办“第二代完整稳性衡准研究进展介绍”的文章得到了行业的广泛关注，有读者后台留言希望了解概率法破舱稳性的相关内容，办公室特邀请上海欧得利船舶工程有限公司李兵专家行文讲解。如果各位读者有任何想了解的行业内容，可以留言与我们联系，谢谢大家关注！

1、船舶安全与破损计算

所有的设计要求都在尝试着去保障船舶的安全，船体完整时要求我们评估完整稳性，船舶破损时，要求我们评估破舱稳性。

对于船舶的安全性，大家先来考虑下面的一个场景：

假设在你面前，有两艘在外形和尺寸都相同的船，第一艘船只有一个货舱，第二艘船有两个货舱。你觉得哪个更安全？

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答案应该很简单，对吧？当然是有两个货舱的那条船更安全。如果有一个货舱进水，第一艘船的货舱就全部进水了，第二艘船仍有一个货舱完好无损。
这样看来：船体的舱室划分越多，它就就越安全。但是，作为船东，不可能将货舱分成20或50个舱室。这将意味着他们将需要使用更多的钢材、更多的配套设备。他们会花更多的钱，却只能得到更少的载货能力。显然他们接受不了。

那么一艘船需要有多少个分隔呢？这个问题就涉及到船舶的破损稳性，当船舶发生舱室破损事故时，我们希望这条船能够依然能安全地够漂浮在水面上，而不至于倾覆。

当前主流的解决方法有两个：确定性计算方法和概率性计算方法。所有的这些破损计算方法都是为了找到上面那个问题的答案。

本文我们就一起来讨论一下概率性的破舱稳性计算方法。

2、概率法破舱稳性概述

SOLAS 第 II-1 章 B 部分要求使用概率法进行破舱稳性计算。这些要求适用于80m及以上的货船和所有客船（无论长度如何）。

2.1、概率法的优势

概率法是基于概率的观点来确保船舶破损后具有一定的安全性，概率法的优势在于：

不需要严格按照破损范围进行设计，提高了船舶设计的自由度；
能够统一地评价船舶的安全性，它的一个基本逻辑就是：不同的船，如果它们达到的分舱指数相同，那么就认为它们同等安全；
更加合理，概率法基于船舶破损事故统计，考虑了破损的不确定性，更加符合实际情况。

2.2、不同船型的破舱稳性要求

规范对不同船型的破舱稳性要求，列举如下：

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3、概率法的基本概念

3.1.1、基本要求

概率法的基本要求是：达到的分舱指数A≥要求的分舱指数R。

其中，要求的分舱指数R，对于不同船型，规范给出了计算方法。

3.1.2、分舱指数A的计算

分舱指数A包括两个因素，Pi和Si：

1、Pi，出现某一个破损情形的可能性(概率)，这个因素与船体分隔相关，规范基于统计数据，给出了计算公式。

2、Si，该破损情形下船舶能生存的能力，这个因素与船舶的剩余稳性相关，需要通过破损浮态的计算确定。

一条船如果发生事故i，能存活的可能性有多大呢？规范给出的答案是Pi x Si。基于此，我们可以考虑这条船所有的可能的破损情况，累计计算各种破损情形下能存活的可能性，这样，我们就能得到该船的分舱指数A。用公式表达如下：A=∑PiSi。

3.1.3、定义破损情形

要计算分舱指数A，就是要分别计算Pi和Si。如上所述，Si对应的是一个破损情形，Pi对应的也是同样的破损情形，因此，概率法计算的重要任务是定义这些破损情形。

如何确定破损情形，下面举个例子来进行说明：

考虑如下有6个舱室的船舶，

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当只有1个舱破损，破损情形有如下情况：

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当只有2个舱破损，破损情形有如下情况：

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当只有3个舱破损，破损情形有如下情况：

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考虑以上最多有3个舱破损的情形，本船的分舱指数A = A[1] + A[2] + A[3]。

当然，本船有6个舱，也可以用类似的方法，计算4舱破损的A[4]，5舱破损的A[5]，6舱破损的A[6]，然后累加求分舱指数A = A[1] + A[2] + A[3] + A[4] + A[5] + A[6]。

求得A之后，将A与R值比较，如果A≥R，说明在概率上，这条船的安全性是满足要求的，如果不满足要求，那么就要增加或者重新分舱，再次进行评估计算，这就是概率法的基本思想。

3.1.4、破损状况示意图

一个更直观的排列破损的方式，是借助破损状况示意图来帮助理解，请参考下图，蓝色的区域是破损位置。我们可以沿着长度方向，垂直方向，以及舱壁位置，画一个三角形网格图，一个破损状况，总能在这个网格图中找到一个小网格与它对应。

如下图所示：2号舱破损时，有一个小三角形和它对应；当4,5,6号舱一起破损时，有一个菱形和它对应。

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基于这个方式，我们可以来理解3.1.3的破损情形，如下：

1舱破损情形，⑤舱破损：

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2舱破损情形，④，⑤舱同时破损：

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3舱破损情形，③，④，⑤舱同时破损：

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3.1.5、纵向分区对分舱指数A的影响

在破损状况示意图中，我们可以看到，不同的舱壁将这个三角形划分成一个一个小小的网格，每一个小格子对应一个破损情形，对应一个破损概率Pi，对应一个生存能力Si，A值就是“将这些小格子求和”。

同样一条船，可以有不同的分区办法。我们也可以按照下图将这条船分成3个区域。这种情况下，共有6个网格，汇总这6个网格对应的生存概率也能得到一个分舱指数A。

一个问题就是，这样的分区，生存能力S2&3会减小，如果S2&3等于0，那么P2&3 x S2&3就会等于0，也就是说概率P2&3就拿不到。

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当我们把这条船分割成6个舱室时，破损状况示意图如下：

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可以看出6舱制的船舶，网格更密，分舱更短，破损区域更小，每个小格子存活的概率Si也就越大，就越容易拿到对应的概率Pi。

因此，用户可以根据需求，合理分区，细化网格，这样就可以拿到更多的概率。从而能够获得一个比较大的A值。

3.1.6、不同吃水状态的分舱指数A

考虑到船舶的实际运营情况，规范要求计算分舱指数A时，要分别计算3种不同的吃水状态的A值，对它们进行加权求和，这三个吃水状态定义如下：

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Ds吃水：最深分舱吃水，规范认为40%的运营时间船舶处于这个工况
Dp吃水：部分分舱吃水，规范认为40%的运营时间船舶处于这个工况
Dl吃水：最轻吃水，规范认为20%的运营时间船舶处于这个工况

基于此，规范给出了如下的加权求和公式：

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3.1.7、概率法小结
以上就是概率法的基本思想，读到这里，我想大家对概率法应该有了一个基本的了解，我们来总结一下：

概率法的基本要求是：A≥R，A和R按照规范要求进行计算
决定分舱指数A的因素有两个：Pi和Si，Pi和分舱有关，Si和分舱后的破损浮态有关。
计算分舱指数A值的重要工作是定义破损情形
可以借助破损状况示意图来直观理解概率破损
达到的分舱指数A是三种不同吃水状态下A值的加权结果

4、概率法定义破损情形

本节针对最繁琐，也最难以让人理解的破损情形进行一个简短的说明。

船体是一个三维的空间，有横向，纵向，水平方向的分隔，概率法破损允许我们利用这些分隔对船体空间进行划分。通过对船体进行纵向，横向，水平方向的分割，我们可以细化破损的分布。

4.1、横向分隔

概率法破舱稳性的一个基本点是总的概率沿着船长进行分布。一个个横向舱壁，在船长方向将船分成多个区域，纵向区域总的概率和该区域的纵坐标x1，x2相关。如下图所示。

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4.2、纵向分隔

规范引入了 r 值来考虑纵向分隔的作用。让我们来看Pi的计算公式：

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由公式，我们知道，Pi与3个因素有关，x1，x2和b。这个b值就是纵壁距离船外壳的特征宽度，用这个b值对概率P(x1,x2)进行一次分配。如果有多个纵舱壁，就会有多个b值，那么就需要对这一段的概率进行多次分配。如下图所示：

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4.3、水平分隔

规范引入了缩减因数V来考虑水平分隔的影响，让我们来看Vi的定义：

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从公式可以看出，Vi和当前计算吃水 d 以上的甲板高度有关系。这些高于吃水 d 的平台可以作为水平方向的分隔，这些平台对应的Vi值可以理解为对生存概率Si的一次再分配。

4.4、自动组合生成破损工况

概率法破舱稳性的计算涉及到大量的破损组合，我司设计的客滚船，一个吃水状态的破损组合就达到了800多个，另外还有破损工况的检查和修改，设计前期的工作量非常大，为此，我们基于对概率法的深刻理解，编写了自动生成破舱组合的程序，可以自动组合生成单舱和多舱连破的计算工况，极大地方便了建模计算。通过和手工计算的结果进行比较，证实自动组合方法高效可靠，以下是简单的视频演示：

https://v.qq.com/x/page/e3255kfc926.html

概率法破舱稳性的发展历程-思维导图职场介绍：

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（点击查看大图）

5、参考文献

1. RESOLUTION A.684(17) adopted on 6 November 1991
2. RESOLUTION MSC.216(82) adopted on 8 December 2006
3. RESOLUTION MSC.281(85) adopted on 4 December 2008
4. RESOLUTION MSC.429(98) adopted on 9 June 2017
5. 中国船级社 SOLAS 2009分舱与破损稳性要求实施指南
6. Hakan AKYILDIZ，PROBABILISTIC DAMAGE STABILITY: Knowledge and Understanding
7. A Complete Guide to Understand Damage Stability Better
https://www.myseatime.com/blog/detail/damage-stability

孙克 · 发表于 2021-6-25 12:13

嗯，不知道有没有用，先看一下，哈哈

feitian5229 · 发表于 2021-6-25 22:12

讲的挺好。

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海国图志 · 发表于 2021-9-6 10:05

楼主概率法一般算到2舱破，还是3舱4舱全都要算

Lslibing · 发表于 2021-10-10 21:30

海国图志发表于 2021-9-6 10:05
楼主概率法一般算到2舱破，还是3舱4舱全都要算

看需要，如果一舱破损，达到的指数就高于要求值，一舱破损就可以了。如果3舱破损，达到的指数还是低于要求值，就要算4舱或5舱破损了。如果还是不够，可能就要调整布置了。

Lslibing · 发表于 2021-10-10 21:34

feitian5229 发表于 2021-6-25 22:12
讲的挺好。

感谢!认认真真做些事情，希望对大家有所启发和帮助！

xyz001 · 发表于 2022-1-11 09:03

言简意赅，很不错的，花了心思

小宇来了 · 发表于 2022-1-13 10:14

希望小编能够出多一些这样的教材

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chuanhai007 · 发表于 2022-2-9 14:56

不错学习了

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