舰船战损生命力实时计算方法及软件开发研究

刘金林 曾凡明 李彦强

（海军工程大学船舶与动力学院1） 武汉 430033）（海军装备技术研究所2） 北京 102442）

随着现代精确制导武器的广泛应用，舰船遭受攻击而破损进水的概率大大增加，其船体系统、动力系统、电力系统、武器系统、电子系统等均将受到不同程度的损伤，严重时甚至会因为完全丧失储备浮力而沉没，或因稳性不足而倾覆［1-2］.本文旨在充分分析国内外舰船战损生命力计算评估现有成果的基础上，研究适应于舰船战损条件下的快速计算评估方法，开发舰船战损条件下生命力计算评估软件.

1 浮稳性参数实时计算方法研究

舰船战损浮稳性参数计算方法主要有确定性方法和概率方法［3］：确定性方法是指舰船在破损前的环境参数及自身状态（包括破损前的浮稳性参数、破损进水舱室和进水量的大小）均是确定的，并根据这些确定参数计算舰船破损进水后的浮稳性参数的计算方法；概率方法是根据大量碰撞、搁浅事故形成的船舶海损统计资料的基础上建立的计算船舶残存能力的方法.由于舰船战损条件下的浮稳性参数计算的实时性和快速性的要求，确定性方法显然是适用的计算方法.确定性方法计算舰船战损浮稳性参数又包含增加重量法和损失浮力法［4］，损失浮力法由于其计算的准确性和便利性而得到了广泛的应用，也是本文将采用的计算方法.根据破损舱进水的特征，可将破损舱分为三类，三种类型的进水舱室由于其进水量的大小及特点均不相同，因此采用的计算方法也是不同的.

在一般情况下，破损进水将同时引起倾斜与倾差，如果进水量不超过舰艇排水量的15%，称为小舱进水.在单个小舱破损进水情况下，可作两个基本假设：假设倾斜角θ与倾差角φ互相独立；舰艇横倾时，纵倾保持不变；纵倾时横倾保持不变.

由于在舰船实际战损条件下，可能同时出现3种类型的舱室破损或者是其中的某几种，因此在计算的过程中需要考虑通用的计算公式，式（1）～式（22）为同时有3类舱室进水时的计算公式，

式中：V为进水总容积；Vi为第i个舱的进水容积；xv和xvi分别为等效容积中心横坐标及第i个进水舱室容积中心横坐标；yV和yVi分别为等效容积中心纵坐标及第i个进水舱室容积中心纵坐标；zV和zVi分别为等效容积中心竖坐标及第i个进水舱室容积中心竖坐标；s为所有第三类进水舱室的等效损失水线面积；si为第i个第三类进水舱室损失水线面积；xs为等效损失面积中心横坐标；ys为等效损失面积中心横坐标；S为原水线面积；xsi为第i个第三类进水舱室损失水线面积中心横坐标；ysi为第i个第3类进水舱室损失水线面积中心纵坐标，其中求和表达式中若只有1类求和表达式的下标只取1，有1类和2类取2，3类都有取3.

吃水变化：

水线面有效面积中心横坐标：

水线面有效面积中心横坐标：

水线面损失惯性矩：

初横稳度变化：

初纵稳度变化：

新横稳度：

新纵稳度：

倾斜角变化：

倾差角变化：

首吃水变化：

新的首吃水：

尾吃水变化：

新的尾吃水：

2 战损等级评定方法研究

依据《舰船生命力大纲》，参考文献［5-8］，本文对舰船主要分系统及总体的损伤等级作如下定义，见表1～表4.

表1 船体损伤等级评定标准

表2 动力系统损伤评估准则

表3 电力系统损伤评估准则

3 生命力实时计算软件研究

3.1 功能设计

舰船战损实时生命力计算软件主要实现对舰船在战损条件下的各个分系统及总体的损伤评估功能，其功能结构见图1.

表4 舰船总体损伤等级评定准则

3.2 软件结构设计

图1 系统功能设计

图2 软件系统结构图

根据舰船战损生命力实时计算软件的需求，本文设计了如图2所示的软件结构图，系统由下至上共分为6层结构进行开发：系统支撑层、核心功能层、地理信息层、损伤分析层、输入输出层和系统界面层.

1）系统支撑层 系统支撑层主要包括系统硬件支撑、操作系统环境支撑和系统的开发平台，其中系统开发平台采用Visual Studio.Net 2005 CJHJ，系统数据库平台采用SQL Server 2005.

2）核心功能层 核心功能层主要包括用户管理、数据管理、地理信息系统及其接口管理、类库管理、相关算法及函数管理，是系统的核心功能模块.

3）地理信息管理 地理信息管理主要通过地理信息系统引擎Arc Gis Engine与.Net的接口调用，实现对战损舰船地理位置的标注、显示和管理.

4）损伤评估分析 损伤评估分析主要根据设定的攻击武器及击中部位，对舰船各个分系统损伤情况及舰船总体的损伤情况进行评估，其中分系统主要包括船体、动力系统、电力系统等分系统，同时在对各个分系统进行损伤评估分析的基础上，对舰船总体的损伤情况进行评估.

5）系统输入输出 系统输入主要包括型号数据、港区海区码头数据、地理信息数据、破损舱室数据和攻击武器数据等数据，系统数据输出主要包括舰船分系统损伤数据、舰船总体损伤数据、损伤日志和xml格式输出数据等内容.

6）界面层 界面层主要为用户提供实现各个模块功能的界面，从而实现信息输入、损伤分析评估、地理信息显示及信息输出的功能.

3.3 数据库设计

系统数据库主要包含六个方面的内容：型号数据库、舱室破损浮稳性计算数据库、海区港区数据库、攻击武器数据库、损伤数据库及用户数据库.其中型号数据库、舱室破损浮稳性计算数据库、海区港区数据库及攻击武器数据库为系统基础数据库，系统必须输入以上部分数据库内容才能正常运行，损伤数据库为系统输出内容，用户数据库是进行安全使用和权限管理的支撑数据库，系统数据库的结构见图3.

图3 系统数据库结构

3.4 主要算法实现

软件的主要算法包括舰船战损浮稳性参数计算、分系统损伤等级评定和舰船总体损伤等级评定等内容，具体计算方法按照前文的论述进行，其中在进行舰船战损浮稳性参数的计算过程中需要从系统型号数据库和损伤数据库中读取破损舱室及类型、舱室诸元及舰船浮稳性参数等数据，如计算舰船战损倾斜倾差角的源代码等.

4 软件原型系统

按照前文所设计的软件结构，开发了《舰船战损生命力实时计算软件》原型系统，该系统主要实现了舰船分系统损伤分析评估、舰船综合损伤评估、系统数据录入及维护、地理信息显示、数据输出、数据安全管理及系统权限管理等方面的功能.

5 结束语

通过本文的研究，为舰船战损生命力实时计算提供了通用的计算方法和软件平台，从而可实现对战损舰船浮稳性参数快速准确的计算及舰船损伤等级评定，为决策制定抢修决策方案提供科学的依据，同时舰船战损生命力实时计算软件可作为舰船损管监控系统模块的开发提供一定的参考，具有重要的理论意义和军事意义.

［1］浦金云，金 涛，邱金水，等.舰船生命力［M］.北京：国防工业出版社，2008.

［2］LEE D，LEE J Y，LEE K H.A study of conventional military submarine on the decision-aid system for damage survivability of convention military submarine［J］.Naval Engineers Journal，2002，114：21-30.

［3］胡丽芬.舰船抗沉辅助决策系统研究［D］.大连：大连理工大学，2010.

［4］孔庆福，曾凡明，吴家明.舰艇浮稳性保持与优化计算机辅助决策系统［J］.舰船科学技术，2006，28（1）：22-26.

［5］LEE D，LEE S，PARK B，et al.A study on the framework for survivability assessment for system of damaged ships［J］.Oceaning Engineering，2005，32：1122-1132.

［6］许 勇，金 涛.基于模糊综合评判的舰艇推进系统生命力评估［J］.舰船科学技术，2007，29（5）：56-59.

［7］崔鲁宁，浦金云，刘玲艳.舰船战损评估分析方法研究［J］.中国安全科学学报，2008，18（9）：136-140.

［8］李红江，鲁宗相，朱凌志，等.舰船电力系统生命力评估研究［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2007，31（3）：533-536.