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［摘要］

隨著船舶行業的不斷發展和能效指數概念的推行，迫切需要研發一種計算軟件來快速評估船舶能效。文中采用修正的艾亞法進行船舶有效功率估算、基于圖譜法進行螺旋槳的設計及推進性能計算、進行船舶航速預報及能效評估，并基于C++開發平臺，開發了內河船舶航速預報及能效評估軟件。結果表明，該軟件使用方便、運算快速，具有良好的實用性。

［關鍵詞］

內河船舶；航速；能效；軟件

IMO在2011年7月召開的MEPC62會議上以MEPC.203（62）決議通過MARPOL附則VI修正案，引入船舶能效規定，使船舶的能效設計指數（EEDI）相關要求成為強制性，該修正案已于2013年1月1日生效實施［1-2］。對內河船舶而言，2012年7月1日起生效的《內河運輸船舶標準船型指標體系》對燃料消耗和CO2排放提出了強制性要求［3］。2014年12月24日公布的《內河運輸船舶標準化管理規定》對新船準入提出了指標體系強制性指標要求［4］。此后的船舶初始設計階段，船舶能效評估是不可避免的一步［5］。與海船相比，內河航運附加值低、內河船舶設計費用少，在設計階段進行船模水池試驗的船舶很少，在設計階段如何快速準確地進行航速預報是船舶能效評估的關鍵。本文采用修正的艾亞法進行船舶阻力估算、基于圖譜法進行螺旋槳的設計及推進性能計算，進而實現船舶航速的預報與能效評估，開發了內河船舶航速預報及能效評估軟件。

1軟件概述

VisualC++是微軟公司推出的面向對象的可視化集成編程系統。它具有程序框架自動生成、靈活方便的類管理、代碼編寫和界面設計集成交互操作、可開發多種程序等優點，通過簡單的設置就可使其生成的程序框架支持數據庫接口，可以高效、快速地開發在Windows環境下功能強大、圖形界面豐富的應用軟件系統［6-7］。內河船舶航速預報及能效評估軟件主要具有阻力估算、螺旋槳設計及推進性能計算、機槳工況匹配、航速預報、能效評估等功能，圖1為軟件的界面。該軟件基于VisualC++開發平臺，將具有各種獨立功能的程序集成在一起而實現。軟件的主要功能如下：（1）基于修正的艾亞法進行船舶有效功率估算［8］；（2）利用經驗公式計算推進因子，基于圖譜法進行螺旋槳設計及推進性能計算；（3）利用船舶有效功率曲線、螺旋槳推進曲線與主機特性，進行機槳工況匹配與航速預報；（4）根據能效指標計算公式進行計算，并與相關能效標準進行比較［9］。圖1軟件界面

2軟件設計與算法

2.1軟件結構圖軟件的結構如下頁圖2所示。初始參數輸入函數實現船舶、螺旋槳、主機等參數的輸入，函數提供有兩種方式供用戶選擇。一種是在各計算模塊界面輸入，只需要輸入單獨使用該模塊功能的參數；一種 是采用文本文件導入的形式，按照設定的文件格式編輯初始參數數據，這樣能夠在文件中給定多艘船舶的數據，進行批量化計算。阻力計算模塊中采用的算法是修正艾亞法，是基于內河船船模試驗數據對艾亞法進行修正的方法，詳見第2.3節。對于能夠通過其他方法獲得船舶阻力的，諸如船模試驗、CFD計算等，界面中提供數據導入接口，用戶可以導入已知阻力數據進行螺旋槳設計及航速計算。由于內河船舶的螺旋槳基本是圖譜槳，故螺旋槳設計模塊基于圖譜法可完成螺旋槳的初始設計和終結設計，接著利用推進計算函數完成螺旋槳的Kt、Kq、η0的計算。對于已有螺旋槳的，可跳過設計階段，通過輸入螺旋槳的直徑、螺距比、盤面積等參數，直接利用推進計算公式進行推進性能計算。利用阻力計算得到的有效功率曲線、螺旋槳的推力曲線，結合主機特性，進行機槳匹配，計算得到船舶航速，再根據船舶載重、主機與輔機參數完成船舶能效的計算，并與相關的能效標準進行比較。這就是軟件實現能效計算評估的整個過程。當用戶依次運行各計算模塊時，可查看該模塊計算過程中產生的相關結果，便于用戶對最終結果可靠性的判斷。而進行自動批量化計算時，由于數據量較大，這些中間結果并不輸出。為保證最終結果的可靠性，軟件程序對在計算過程中涉及的各變量進行了量級判斷，如出現不符合物理關系或數學關系的異常情況，將其輸出到獨立的一個結果文件，供用戶辨別及查找錯誤。

2.2圖譜曲線的數值化在艾亞法計算和螺旋槳設計過程中，都需要進行查圖譜與插值操作，手工計算時這部分工作既繁瑣又易出錯。為使計算程序自主完成這些查圖譜與插值操作，首先必須使艾亞法與螺旋槳設計的圖譜數值化，即將曲線圖轉換成計算程序能夠識別讀取的數據。在軟件開發前期工作中，利用AutoCAD二次開發語言Lisp進行CAD數據讀取命令的編寫，實現將CAD中曲線的坐標值輸出到指定的文件。將計算中用到的圖譜曲線制成圖片導入CAD，再利用該命令即可將這些曲線的坐標導出成數據格式。利用Lisp開發的命令將這些數據點在CAD中自動繪制成曲線。將繪成的曲線與原圖曲線進行比較，驗證數據的精度，最終得到一系列可用于程序計算的數據點。圖3為艾亞法的系數C0圖經過數值化后所得數據點繪成的曲線。對于分布規律性強的數據點，如螺旋槳最佳效率曲線、螺旋槳KT/KQ曲線等數據，將其回歸成計算公式，這樣既使程序編寫方便、又能提高計算速度。而對于不易回歸的數據點，則將其作為初始數據固化于程序中，計算時根據其分布規律使用線性插值或非線性插值的函數進行插值計算。這樣，原來需要手工查圖的操作實現了自動化計算。

2.3艾亞法的修正艾亞法是基于海船資料回歸得出的估算方法，當其應用于內河船時需要進行一定的修正，而修正量的大小通常憑船舶設計工作者的經驗估算［10］。為使艾亞法能有效應用于內河船舶阻力的估算，有必要對其進行修正和分析。收集到35艘內河貨船的船模水池試驗數據，由于內河船的航速較低，此次分析采用的試驗數據的航速范圍為14~21km/h，共有197個樣本點。表1給出這些船的主參數范圍。利用艾亞法進行阻力估算，將計算結果與試驗數據進行比較和分析，以此為基礎進行修正和分析。分別利用原版的艾亞法和修正的艾亞法對197個樣本點進行計算，將結果與試驗數據進行比較分析。將計算值與試驗值之間的相對誤差以5%為間距劃分區間并統計各區間分布的樣本比例，圖4顯示兩種方法的分布比例。從中可看出，原版艾亞法的結果大部分相對試驗值偏小，相對誤差的絕對值大于5%的樣本點所占比例達70%；而修正艾亞法的結果則有69%的樣本點分布于-5%至5%之間，且97%處于-10%至10%之間。這表明修正艾亞法更適合于內河船舶的有效功率估算，其計算精度能夠滿足工程應用要求。

3軟件驗證算例

3.1航速預報的驗證收集實船試驗資料進行軟件計算航速的驗證，共有7艘船，其中散貨船3艘、集裝箱船1艘、油船3艘，其主要參數及航速的計算結果見表2。由該表可看出，其中最大誤差為4.6%，而有4艘船的誤差小于3%。

3.2能效評估的驗證為驗證軟件應用于能效評估的效果，通過收集長江干散貨船的數據，選取載重噸在1000~8000t的船舶共2965艘，進行CO2排放指標的計算分析。圖5是CO2排放指標ICO2計算值的散點分布圖。由于圖中5000噸級以下的船舶數量多，計算值散點過于密集。為清晰反映其能效水平，對計算值進行統計，得到樣本中50%通過A級航區ICO2限值時的數值，圖中用▲作了標識。而干散貨船的A級航區限值的制訂標準即為50%的船舶通過。由此可知，采用軟件進行長江船舶能效評估能夠較準確反映其實際能效水平。

4結論

將VisualC++應用于內河船舶航速預報及能效評估的開發，不但能明顯減輕用戶的工作量，提高工作效率，提高船舶初始設計階段在阻力估算、螺旋槳設計、航速估算、能效評估的速度，而且其友好界面能實現批量化計算，具有良好的使用價值。程序中采用基于內河船舶試驗資料的修正艾亞法進行阻力估算，從而提高了計算精度。

［參考文獻］

［1］IMO.MEPC62/6/4.CalculationofParametersforDeterminationofEEDIReferenceValues［S］.2011.

［2］IMO.MEPC212（63）.2012GuidelinesontheMethodofCalculationoftheAttainedEnergyEfficiencyDesignIndex（EEDI）forNewShips［S］.2012.

［3］交通運輸部.內河運輸船舶標準船型指標體系［S］.2012.

［4］交通運輸部.內河運輸船舶標準化管理規定［S］.2014.

［5］余建偉，尹遜濱.EEDI對總體設計的影響［J］.船舶工程，2013，S2，134-136.

［6］錢能.C++程序設計教程［M］.北京：清華大學出版社，2009.

［7］王文強，胡勇.基于VC++與OpenGL的船舶合攏管可視化設計［J］.船舶工程，2014，36（5）：107-121.

［8］盛振邦，劉應中．船舶原理［M］.上海：上海交通大學出版社，2003．

［9］中國船級社.船舶能效設計指數（EEDI）指南［S］.北京：人民交通出版社，2012.

［10］劉桂杰，郭春雨，李茂華，等.船舶阻力圖譜計算與模型試驗結果比較分析［J］.中國艦船研究，2014（3）：38-42.

作者：陳 鈺 陳慶任 趙丙乾 單位：中國船級社武漢規范研究所