0 引　言

船舶舱室作为一个相对封闭且环境复杂的空间，其通风设计不仅关乎空气质量和温湿度控制，还直接影响船员的身体健康和船舶整体运行安全^[1]。船舶舱室通风设计中，多种因素相互影响、相互制约，形成复杂的耦合关系。这些耦合因素包括但不限于舱室结构、气象条件、航行状态、人员活动强度以及通风设备性能等。传统的通风设计方法往往难以全面考虑这些耦合因素，导致通风效果不理想，甚至引发安全隐患。提取耦合因素特征，更加准确地把握船舶舱室通风设计中的关键因素，为船舶舱室通风系统的优化设计提供科学依据。

任经敏等^[2]研究不同通风条件下船舶舱室火灾热量分布。良好的通风条件能够加速火灾产生的高温烟气和热量扩散，减缓火势在局部区域的积聚，降低火灾对单一舱室的破坏程度。但是通风条件过于良好时，火灾初期若未能及时控制火源，高温烟气和火焰将通过通风口、风道等迅速蔓延至其它舱室，迅速扩大火灾范围。董增财等^[3]针对船舶舱室布局优化问题开展了研究。利用遗传算法较强的全局搜索能力，与反向学习方法结合，有效应对船舶舱室布局优化问题。但是反向学习需要生成当前解的反向解，且遗传算法在局部搜索能力上相对较弱。船舶舱室布局优化时，需要结合其它局部搜索算法进一步提高优化效果。李富桐等^[4]开展了横贯浸水装置模型试验，考虑通风条件对船舶设计与安全的影响。通过模拟不同通风条件下的横贯浸水过程，准确地评估船舶在遭遇破损进水时的稳性和安全性，在设计阶段发现和解决潜在的安全隐患。考虑通风条件，能够更全面地了解不同通风条件下横贯浸水装置的性能，增强船舶对不同环境条件的适应性。尽管该方法可以模拟不同通风条件下的横贯浸水过程，但是无法模拟复杂海况下船舶的动态响应和性能表现。

针对以上方法在船舶通风研究中存在的问题，探索基于耦合因素特征提取的船舶舱室通风设计方法，以期提升船舶通风系统的通风性能、优化舱室环境。

1 船舶舱室通风设计方法 1.1 船舶舱室通风设计的耦合因素特征提取

收集船舶舱室在不同运行状态下的环境数据，包括温度、湿度、空气流速等。引入信息准则的概念，利用牛顿方法，提取影响船舶舱室通风效果的关键耦合因素。船舶舱室通风设计时，特征向量变化受偏差矩阵特征值影响，面临速度-稳定的问题。设置船舶舱室通风系统为一个耦合系统，更新该耦合系统的特征值以及特征向量^[5]。牛顿方法在生成了一个船舶舱室通风全部特征的方向上，收敛速度相同的平均系统，解决船舶舱室通风耦合系统的耦合因素特征提取时，存在的速度-稳定问题。针对船舶舱室通风系统的耦合因素特征，设置如下的信息准则：

$ p = {w^{\rm T}}Gw - w\xi + \xi 。$

(1)

式中：$ G $为船舶舱室通风设计输入向量的自相关矩阵；$ w $与$ \xi $分别为权向量以及耦合因素特征值估计结果。

$ \left( {\overline w ,\;\overline \xi } \right) $表示船舶舱室通风设计的平衡点位置，存在如下表达式：

$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {G\overline w = \overline \xi \overline w }，\\ {{{\overline w }^{\rm T}}\overline w = 1} 。\end{array}} \right. $

(2)

依据式(2)可得$ {\overline w ^{\rm T}}G\overline w = \overline \xi $。所设置的信息准则，能够满足平衡点包含$ G $的特征值和特征向量的要求。

式(1)的Hessian矩阵表达式如下：

$ H\left( {w,\;\xi } \right) = 2\left( {\begin{array}{*{20}{c}} {G - \xi I}&{ - w} \\ { - {w^{\rm T}}}&0 \end{array}} \right)。$

(3)

基于牛顿法获取式(3)的微分方程如下：

$ \left(\begin{array}{*{20}{c}}\dot{w} \\ \dot{\xi}\end{array}\right)=-H^{-1}\left(w,\; \xi\right)\left(\begin{array}{*{20}{c}}\displaystyle\frac{{{\partial}}p}{{\partial}w} \\ \displaystyle\frac{{\partial}p}{{\partial}\xi}\end{array}\right)。$

(4)

基于船舶舱室通风系统的耦合因素特征信息准则，利用直接运算方法，采用解微分方程式的方法，获取$ {\left( {\dot w,\dot \xi } \right)^{\rm T}} $的表达式如下：

$ H\left( {w,\xi } \right)\left( {\begin{array}{*{20}{c}} {\dot w} \\ {\dot \xi } \end{array}} \right) = - \left( {\begin{array}{*{20}{c}} {\displaystyle\frac{{\partial p}}{{\partial w}}} \\ {\displaystyle\frac{{\partial p}}{{\partial \xi }}} \end{array}} \right)。$

(5)

综合以上公式并化简处理，可得表达式如下：

$ \left\{ {\begin{array}{l} {\left( {G - \xi I} \right)\dot w - w\dot \xi = - Gw + \xi w}，\\ { - 2{w^{\rm T}}\dot w = {w^{\rm T}}w - 1} 。\end{array}} \right. $

(6)

以上过程采用了整体带入的方式，降低了获取$ {\left( {\dot w,\;\dot \xi } \right)^{\rm T}} $的运算难度，所获取的$ {\left( {\dot w,\;\dot \xi } \right)^{\rm T}} $即船舶舱室通风设计的耦合因素特征。利用以上过程，将船舶舱室通风设计中复杂的耦合关系，简化为可量化的特征参数，提取舱室通风设备性能参数等耦合因素特征，为船舶舱室通风设计提供基础。

1.2 基于知识组件的船舶舱室通风系统模型构建

基于所提取的耦合因素特征，利用知识组件构建船舶舱室通风系统的数学模型。利用组件表示船舶舱室通风系统的可替换物理单元，组件具有重复使用的功能。将船舶舱室通风系统的通风设备模型以及知识数据接口利用知识组件封装^[6]，实现知识组件的实例化应用。利用知识组件构建船舶舱室通风系统模型主要包括如下内容：

1）基本属性

船舶舱室通风系统知识组件基本属性$ {A_1} = \left( {{Q_1},{Q_2}} \right) $，$ {Q_1} $与$ {Q_2} $分别为船舶舱室通风系统知识组件的几何属性与功能属性。

2）位置关系属性

将船舶舱室通风系统知识组件的位置关系属性，利用四元组表示$ {A_2} = \left( {{L_1},{L_2},{L_3},{L_4}} \right) $，$ {L_1} $与$ {L_2} $分别为实例化知识组件的水密区编号以及甲板编号；$ {L_3} $与$ {L_4} $分别为舱室编号以及通风设备的坐标信息。

3）邻接关系属性

船舶舱室通风系统知识组件邻接关系属性$ {A_3} = \left( {{R_1},{R_2}} \right) $，$ {R_1} $与$ {R_2} $分别为邻接通风设备的知识组件分类编号以及通风设备邻接方式。

4）接口属性

利用接口属性描述船舶舱室通风系统知识组件的输入输出关系，确定船舶舱室通风系统与其它系统以及零部件之间的接口数据关系。利用二元组表示船舶舱室通风系统的接口属性$ {A_4} = \left( {{I_1},{I_2}} \right) $，$ {I_1} $与$ {I_2} $分别为通风系统与其它系统以及零部件的输入接口信息以及实例化知识组件的输出接口信息。

将以上内容与分类标识$ {I_d} $结合，组成船舶舱室通风系统的知识组件属性，用$ \left( {{I_d},{A_1},{A_2},{A_3},{A_4}} \right) $表示。利用所构建的船舶舱室通风系统模型，模拟船舶舱室通风系统的实际运行情况，为船舶舱室通风设计提供依据。

1.3 基于耦合因素特征的船舶舱室通风设计

基于所构建的船舶舱室通风系统模型，结合所提取的耦合因素特征，合理布局船舶舱室通风系统，确保舱室空气流通顺畅，减少气流死角和交叉污染。选择适合船舶舱室需求的通风设备，包括风机型号、风管尺寸及设备位置等，以提高通风效率。根据舱室内外环境变化和耦合因素特征，自动调节船舶舱室通风系统的通风量、风速等参数，实现精准通风控制。针对不同的船舶舱室，计算船舶舱室通风量$ q $为：

$ q = nv 。$

(7)

式中：$ n $与$ v $分别为换气次数以及船舶通风舱室容积。

选取排热效率衡量船舶舱室通风系统的排热能力，其表达式如下：

$ {E_T} = \frac{{{T_e} - {T_0}}}{{{T_z} - {T_0}}} 。$

(8)

式中：E_T与T_e分别为排热效率以及排风温度；T_z与T₀分别为船舶舱室的平均温度以及舱室进风温度。

利用对流传热系数计算船舶舱室边界层传热。选取计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）软件进行船舶舱室通风设计的计算分析、调整与优化，确定最终的船舶舱室通风设计方案。选取室内零方程模型模拟船舶舱室的室内空气流动情况。依据CFD软件的船舶舱室通风模拟结果，明确船舶舱室通风系统的通风方式以及换气次数，确定船舶舱室通风系统的排风口温度、送风口温度，进行船舶舱室的通风设计。

2 实例分析

为了验证所研究船舶舱室通风设计方法的通风设计有效性。将该方法应用于某船舶舱室通风设计中。选取某游轮舱室通风系统作为研究对象。该船舶舱室共设计了2套通风装置，利用风机进行舱室的通风处理。

采用本文方法进行船舶舱室通风设计，通风方式与换气次数设计结果如表1所示。海水温度通常为20℃左右，外界环境温度波动较大。本文方法采用机械通风方式，有效降低船舶舱室内的温度。采用外界新风设计方式，相比于全新风设计方式，降低了风量，但是仍然能够保持足够的换气次数，满足船舶舱室内人员对新鲜空气的需求。通风系统采用闭式循环冷却方式，切断外界新风时，需要保持船舶舱室内的最高温度低于50℃。

采用本文方法进行船舶舱室通风系统设计，各排风口的温度变化如图1所示。可以看出，采用本文方法设计的船舶舱室通风系统，排风口的平均温度为45～46℃之间。排风口温度降低时，意味着通风系统能够有效地将船舶内部的热量带走并排放到外部环境中。这表明通风系统的排热效率较高。排热效率越高，表明通风系统具有越优的通风效果，验证本文方法所设计的船舶舱室通风系统，具有较高的通风性能。

为了进一步验证本文方法的船舶舱室通风设计性能，统计采用本文方法进行船舶舱室通风设计前后，通风系统的送风量与抽风量变化，统计结果如图2所示。可以看出，采用本文方法设计的船舶舱室通风系统，由于考虑了耦合因素特征，相比于采用常规方法设计通风系统的原送风量与原抽风量，有了明显的降低。实验结果验证了本文方法设计的船舶舱室通风系统，充分考虑了影响舱室通风的耦合因素特征，使通风系统能够依据舱室的实际环境，调节送风量与抽风量，降低送风量与抽风量，提升了通风系统的通风效率。

3 结　语

基于耦合因素特征提取的船舶舱室通风设计方法，全面考虑了通风设计中的多种耦合因素，提高通风系统的科学性和有效性。通过该通风设计方法的应用，能够显著改善船舶舱室的空气质量，提升船员的工作与生活环境，保障船舶航行的安全与稳定。未来，该方法将在船舶通风设计领域发挥更加重要的作用。