0 引　言

船舶在和其他船舶或障碍物发生碰撞后会发生破损并导致局部进水，此时船舶不会立即沉没，船舶仍能持续提供浮力使其能够漂浮。如邮轮在遭受导弹袭击后没有立即沉没，且能够抵御一定风浪，这和船舶在设计时就已考虑到船舶的破舱稳定性有重要关系。对船舶破舱稳定性的计算受限于船舶复杂的结构及破损的部位不同，因而利用辛普森法或积分法来计算，工程量会很大，难以应用于船舶破舱稳定性计算，亟需提出新的船舶破舱稳定性计算方法及模型。

船舶破舱稳定性的计算包括确定性计算和概率性计算。确定性计算是在确定船舶碰撞破洞大小及舱室受损情况的基础上，对船舶破损后进水情况、平衡阶段的复原力臂曲线及浮态等进行计算，确定复原力臂曲线及浮态符合国际组织相关规范的要求。概率性计算是使用和确定性方法同样的方式对船舶的浮态进行计算，通过对大量的船舶碰撞事件进行分析，得到船舶某一段破损后不沉的概率，最后将船舶各处破损的概率乘以破损不沉的概率并求和，求和得到的指数和规定的指数R进行比较，以此来判断船舶在破损后的整体状态。概率性计算基于经典概率论，通过分舱计算来获取船舶整体的残存率，以此来判断碰撞事故发生后船舶的安全性高低。由于船舶事故发生时，船舶碰撞位置及损坏程度都未知，因而确定性计算在应用时可对舱室的损坏程度进行精确计算，概率性方法根据以往的历史经验，在所有舱室的破损概率分布已知的情况下，就可计算出船舶分舱的残存概率及船舶的整体浮态，从而针对性地提出救助措施。

目前，在民用船舶设计及制造过程中已强制要求采用概率性计算，在一些特定船舶上采用确定性计算。在概率性计算中，针对不同的船舶的分舱情况、历史经验确定的概率、不同阶段对船舶的稳定性要求等均不相同，因而在对船舶破舱稳定性进行计算时就需建立数据库，结合数据库中存储的相关模型数据进行综合计算，从而有效提升船舶破舱稳定性的计算效率。

1 概率性计算破舱稳定性

国内学者使用概率性计算方法对破舱稳定性进行计算。综合来看，国内对破舱稳定性计算得到的成果主要有以下方面：

1）模型优化

在对破舱稳定性的计算优化上，不断对船舶的横倾角、特定浸水范围、船舶吃水程度、纵倾角等船舶参数进行调整，实现对船舶破舱稳定性计算模型的优化。付田^[1]对船舶破舱稳定性分析的方法及直接计算进行研究；于博文等^[2]使用CFD对船舶破舱进水时的情况进行模拟，并对破舱后的稳定性及压强分布进行了计算和分析。

2）计算工具优化

对船舶破舱稳定性的计算属于专业计算，很多学者在现有专业软件的基础上不断开发出一些新软件，或者在原有软件上进行二次开发，以提升船舶破舱稳定性的计算效率。孙国君^[3]在COMPASS软件基础上进行二次开发，对船舶各舱的破舱稳定性进行计算，并研究了分舱形式和分舱指数A变化规律；田忠润^[4]使用CFD工具对第四类舱室浸水、沉没、浸水后恢复稳定等情况进行了时域模拟仿真，这些计算工具的优化和新的计算模拟方法的提出为船舶破舱稳定性的计算提供了有效基础。

概率性计算船舶破舱稳定性包括对分舱指数、概率因数、残存概率因数的计算及极限GM曲线的校核。本文以分舱指数和概率因数的计算来说明这些计算过程和数据库技术之间的联系。图1为船舶破损前后的浮态对比。

1.1 分舱指数计算

不同类型船舶的分舱指数计算会有所区别，以客船的分舱指数计算为例，规定实际分舱指数为A，理论分舱指数为R，须要保证A≥R。R的计算式为^{[5 − 6]}：

$ R = \left\{ \begin{array}{ll} 0.697，& num < 400，\\ \dfrac{{num}}{{7580}} + 0.669，& 400 \leqslant num \leqslant 1350，\\ 0.037\cdot Ln(num + 89) + 0.586，& 1350 \leqslant num \leqslant 4000 ，\\ 1 - \dfrac{{854 + 0.039\cdot num}}{{num + 5000}} ，& num > 4000 。\end{array} \right. $

式中：num为客船上人数；Ln为客船长度。

A的计算方法如下所示：

$ A = 0.2{A_l} + 0.4{A_{{p}}} + 0.4{A_{{s}}} \text{。} $

式中：A_l、A_p和A_s分别为不同排水量d_l、d_p和d_s计算得到的分舱指数，再经过加权计算即可得到A值。d_l、d_p和d_s对应船舶吃水状态如图2所示。

d_l、d_p和d_s的值会根据客船类型、吨位、客船载客人数等的变化而变化。在船舶破损后，A的计算式为：

$ A = \sum {{p_i}} {s_i} 。$

式中：p_i为舱室浸水概率因素；s_i为破损残存因数。将船舶上所有分舱的舱室浸水后的残存概率求和就可得到整个船舶的分舱指数A。

1.2 概率因数的计算

在对概率因数进行计算时需考虑船舶的分舱情况，船舶分舱分为纵向分舱和横向分舱，图3和图4分别为水密布置船舶纵向分舱和横向分舱破损示意图，底线上的三角形表示单区域破损，平行四边形表示相邻数个区域破损^[7]。

破舱稳定性的概率因数计算和舱室破损数量j、穿透舱壁的数量k等相关，船舶多舱室受损时，概率因素计算公式为：

$ {p_i} = p({y_{1j}},{y_{2j + m - 1}}) - p({y_{1j}},{y_{2j + m}}) - p({y_{1j}},{y_{2j + m + 1}}) \text{。} $

规定J_n为船舶各舱室破损概率密度，n为舱室数量，则有：

$ J{}_n = \frac{{1 - \sqrt {(1 - 2{p_n}){b_0}{J_m} + 1/4b_0^2J_m^2 + 1} }}{{{b_0}}} + {J_m}/2 \text{。} $

其中，b₀为初始破损概率密度，且b₀满足

$ {b_0} = 2\left( - \frac{{1 - {p_k}}}{{{J_{\max }} - {J_{nm}}}} + \frac{{{p_n}}}{{{J_{nm}}}}\right) 。$

2 船舶破舱稳定性计算系统 2.1 数据库技术在船舶破舱稳定性计算中的应用

船舶破舱稳定性计算存在以下问题：

1）计算量大

由于船舶类型众多，且船舶碰撞数据库在不断更新，因而破损位置分布密度函数也在不断更新，且船舶分舱数量不同、分舱方向不同、分舱破损数量不同、破损深度不同等都会导致分舱指数和概率因数的计算不同，且计算量非常大，依靠传统的计算方式难以在短时间内得到结果。

2）模型复杂

根据目前国内外的研究成果，难以建立一个统一的船舶破舱稳定性计算模型，同时破舱稳定性的计算对船舶优化设计具有重要作用，且船舶设计的目标函数求解、分舱浸水范围、浸水后的平衡状态等都需根据不同船舶类型进行建模，且建立的模型都较为复杂，这些意味着无法建立一个能满足所有船舶参数的计算模型，且只能在建立多个模型的基础上，不断改变参数来满足不同船舶的计算要求。

在对分舱指数进行计算时，需建立不同类型船舶的数据库，将所有类型船舶的基本参数存储到数据库中，数据库还可对不同类型船舶计算分舱指数时的各类系数进行存储，这样在确定船舶型号后就可快速实现对破舱稳定性的分舱指数计算。对概率因数进行计算时破舱稳定性概率密度也会由于船舶碰撞数据库的变化而变化，因而会涉及到大规模的数据存储。

通过以上分析，需建立云平台+数据库技术的船舶破舱稳定性计算系统才能满足当前船舶破舱稳定性的计算要求。

2.2 云计算平台构建

设计基于数据库技术的船舶破舱稳定性云计算平台结构，如图5所示。综合能力开放平台、云平台性能监控及系统包括应用层3个层面。

1）综合能力开放平台

综合能力开放平台包括能力适配、业务处理引擎、业务管理及运营支撑、接口开放等。云计算平台需解决的问题是为船舶破舱稳定性提供强大的算力，为了实现这一点就需业务处理引擎提供数据支撑和计算支撑，在数据支撑上，数据库技术可为破舱稳定性计算提供所有的数据存储、查询等功能，并发计算可通过不同的分散平台来实现，在空间上并没有任何限制，这些计算平台可分布在多个地方，通过分配计算任务分别进行计算，然后由云平台实现计算结果的汇总和显示。与此同时，在云计算平台上还提供了规则路由、消息队列、异常处理等计算和信息发送规则，这些都为实现破舱稳定性计算提供了良好基础。

在能力适配上，为了适应破舱稳定性计算，系统提供了船舶适配、舱位适配、模型适配、人数适配等一系列功能，可针对不同船舶、不同舱位、不同人数提供不同的破舱稳定性计算模型，同时根据全球船舶碰撞历史数据的不断变化更新数据库和计算模型。

接口开放可针对不同的应用端提供不同的接口，在云端需接收应用层的控制指令，在完成破舱稳定性的计算后，需将计算接口返回到应用层加以显示，在数据库端调用历史数据和模型也需返回到应用层，而这些数据的交互就需整个平台对外开放接口，以保证能适配足够多的系统终端，这些接口包括http/URL、Socket、Web SERVICE等。

在破舱稳定性计算中需不断调用存储资源和计算资源，监控资源信息接口在对整个平台的资源进行监控的基础上，根据分配的破舱稳定性计算任务来查看当前整个系统的工作情况。

2）云平台性能监控

当整个平台加载了很多计算模型后，云平台性能监控就显得非常重要。特别是对破舱稳定性计算过程、性能迭代、耗时监控、JSError监控、内存分析、网络性能分析等的监控有助于优化船舶破舱稳定性的计算过程，通过观测计算时间、内存消耗等指标为计算模型的优化提供数据支撑。

3）应用层

在应用层可根据不同船舶类型来选择不同的计算模型，并对所有的计算结果进行显示，通过3D效果展示、历史曲线对比、数据对比等结果实现船舶破舱稳定性结果的快速展示，同时在事故发生时，还可提供救援决策辅助。

3 结　语

船舶破舱稳定性计算方式会随着船舶类型、舱位、人数、碰撞位置不同而不同，国内外的研究都表明在当前阶段很难建立一个统一的计算模型来实现船舶破舱稳定性的计算，同时计算量大，且建立计算模型较为复杂。在这种情况下，本文提出使用数据库技术、云平台技术，建立一个综合的船舶破舱稳定性云计算平台就可帮助工作人员有效解决这些问题。在对概率性船舶破舱稳定性计算过程进行充分研究的基础上，使用数据库技术可为破舱稳定性计算提供所有的数据存储、查询等功能，同时打通所有应用端、存储端和计算端的接口，并通过云平台的性能监控优化船舶破舱稳定性的计算模型。