熊虎，盧曉平

海軍工程大學(xué)艦船工程系，湖北武漢430033

驅(qū)逐艦?zāi)筒ㄐ耘c人因中暈動癥相關(guān)性分析

熊虎，盧曉平

海軍工程大學(xué)艦船工程系，湖北武漢430033

艦船耐波性不僅是衡量艦船總體性能的重要指標(biāo)，也對艦船上人員暈動癥的發(fā)生有直接影響，因此，良好的耐波性設(shè)計是保障艦員舒適度和績效的基礎(chǔ)。采用切片法理論編寫耐波性計算程序，對DTMB 5415標(biāo)模進行耐波性計算，得到在迎浪中不同航速下船艏、重心處的垂向加速度響應(yīng)，分析DTMB 5415標(biāo)模對應(yīng)的驅(qū)逐艦升沉運動時垂向加速度對人因中暈動癥造成的影響，給出驅(qū)逐艦?zāi)筒ㄐ耘c人因中暈動癥的數(shù)值關(guān)系。結(jié)果表明：船艏和重心處垂向加速度理論計算結(jié)果正確，準(zhǔn)確度滿足暈動癥預(yù)報的要求；計算所得暈動癥發(fā)生率規(guī)律合理，可作為驅(qū)逐艦船型暈動癥發(fā)生率分析和預(yù)報，以及人因改善的資料。

耐波性；切片法；人因工程學(xué)；暈動癥；驅(qū)逐艦

0 引 言

隨著艦船自動化程度的不斷提升，艦員編制數(shù)量持續(xù)減少，人因工程學(xué)的運用成為驅(qū)逐艦設(shè)計過程中不可分割的一部分。其重要性體現(xiàn)在2個方面：一是人因工程學(xué)的合理運用為減少艦員數(shù)量，提高艦船自動化程度創(chuàng)造了條件；二是人因工程學(xué)的充分應(yīng)用能直接提高艦員績效，從而提升艦船的安全性及綜合作戰(zhàn)能力。據(jù)統(tǒng)計，約80%的災(zāi)難、事故、過失和失敗歸因于人的因素（即“人因”）［1］。

在海軍艦船的設(shè)計和使用中，與人因聯(lián)系最為密切的是艦船耐波性。人因的研究與艦船耐波性研究的關(guān)系大致可以表述為：耐波性研究是人因研究的重要基礎(chǔ)和一個方面，而人因工程研究和人因問題的解決是耐波性研究的深入和主要應(yīng)用目標(biāo)之一。要深入和有效地開展海軍艦船的設(shè)計和使用中人因的研究，必須具備堅實的耐波性研究基礎(chǔ)。

當(dāng)前耐波性的研究方法主要有船模試驗法、CFD方法和理論計算方法［2］。船模試驗方法受到船模尺寸、流場擾動、測量精度、人為因素的限制，并且試驗方法還需要耗費大量的人力、物力與財力，通過試驗方法獲取耐波性結(jié)果并不總是令人滿意。近年來，CFD方法發(fā)展迅速，但由于船舶耐波性問題屬于變化物面、帶自由表面的非線性流動問題，船體搖擺運動、入射波運動、船舶航行和搖擺興波等各種運動及其受力的疊加耦合極其復(fù)雜，使得CFD在解決耐波性問題時精度不夠、耗時巨大，難以獲取理想的結(jié)果。勢流理論計算方法主要有切片法、二維半方法和三維方法［3］。三維方法由于計算復(fù)雜且精度較二維方法并沒有顯著的提升，沒有得到廣泛應(yīng)用；二維半方法是一種適于計算艦船高速運動時耐波性的方法，最近幾年得到了廣泛應(yīng)用，計算結(jié)果較為準(zhǔn)確；切片法是一種二維方法，經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，切片理論已成為耐波性的基本理論之一，常規(guī)的切片理論適于預(yù)報細(xì)長型艦船在斜浪中六個自由度的運動［4］。無論是模型試驗方法、CFD方法，還是切片法、二維半方法和三維方法，國內(nèi)耐波性的研究尚未發(fā)展到考量艦船設(shè)計和使用中人因問題的新層次，極少見到艦船耐波性與艦船人因指標(biāo)相關(guān)性的研究。在國外，這方面的研究早見端倪，至今已初顯規(guī)模。

本文擬在耐波性切片法計算的基礎(chǔ)上，針對大型驅(qū)逐艦標(biāo)模DTMB 5415開展耐波性與人因中暈動癥關(guān)系的研究，得出暈動癥與垂向加速度的相關(guān)性，以及改進船型和耐波性設(shè)計對降低暈動癥發(fā)生率的重要性。

1 人因中的暈動癥

1.1 暈動癥的概述

暈動癥是由最近存儲線索與實際垂向線索之間的感官沖突或不匹配造成的。按照慣例，在海洋環(huán)境中，認(rèn)為暈動癥最主要的組成因素是船舶垂向運動（垂蕩、縱搖和橫搖的垂直分量），因為船舶其他的線性運動和角運動對暈動癥的影響通常較?。?］。

1.2 暈動癥發(fā)生率經(jīng)驗公式

2006年2～3月，國外開展了一項研究，127 m長的三體渡輪Benchijigua Express號（圖1）在加那利群島（Canary Islands）之間的公海進行了多次2 h運輸作業(yè)。該船應(yīng)用運動傳感器和船用雷達(dá)儀器提供海況信息。近2 000名乘客填寫了詳細(xì)的調(diào)查表。據(jù)報道，由于波高和航向的原因，60%～90%的乘客至少有一些暈動癥的癥狀。筆者所在課題組曾在某預(yù)研項目中對高速三體船的適航性進行過系統(tǒng)、深入的研究，研究結(jié)果表明，等排水量的單體船相對于三體船的適航性、橫搖穩(wěn)性都會差一些。因此，在相同的航態(tài)和排水量條件下，常規(guī)單體驅(qū)逐艦上艦員出現(xiàn)暈動病癥狀的人數(shù)比例不會低于國外對127 m三體船研究所得的結(jié)果。在國外127 m三體船的研究中，作為暈動癥評估問卷（MSAQ）的項目，胃腸道癥狀的反應(yīng)程度與被測試人員的航海次數(shù)成反比；在該項試驗中，被試人員有著不同的航海經(jīng)歷，有些具有多次航海經(jīng)驗（多于9班次），有些具有一定的航海經(jīng)驗（2～8班次），也有一些缺乏航海經(jīng)驗的（0～1班次），不同航海頻次乘員構(gòu)成的被試組正可以用于分析得出暈動癥反應(yīng)程度與航海次數(shù)的相關(guān)性。另外，在暈動癥評估問卷中，黑暗的夜晚乘船旅行者比早晨（可以見到地平線時）及白天乘船旅行者得分高［6］，即患暈動癥的概率大。

圖1 澳大利亞建造的三體船F(xiàn)ig.1 Australian-built trimaran Benchijigua Express

通過研究志愿受試者發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)暈動癥發(fā)生在船舶運動頻率為0.125～0.25 Hz時。暈動癥的發(fā)生率隨加速度和遭受船舶運動時間的增加而增加。通常用于衡量暈動癥的指標(biāo)是暈動癥發(fā)生率（Motion Sickness Incidence，MSI），這也是受試人員遭受船舶運動后的嘔吐百分比［6］。

受試者坐在一個封閉、明亮的空調(diào)實驗室中，經(jīng)歷2 h的單向正弦垂直加速度。選擇2 h的時限，是因為暈動癥發(fā)生率在持續(xù)一段時間后（經(jīng)過一段時日，人們通常會適應(yīng)船舶運動）不再增加。注意，這里不考慮縱搖和橫搖。如果增加升沉分量可以預(yù)期到，則由非純升沉加速度所導(dǎo)致的暈動癥發(fā)生率超過預(yù)估值。利用國外該類項目實驗測試數(shù)據(jù)和結(jié)果，McCauley等［7］得出了預(yù)測暈動癥發(fā)生率的估算公式：

式中：MSI為暈動癥發(fā)生率，按艦員遭受2 h船舶運動后的嘔吐概率定義；Φ為高斯分布概率密度的累積值，即高斯概率密度函數(shù)的不定積分，其表達(dá)式為

式中，z為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量。

式（1）中，Na，Nt′為與船體在波浪中升沉運動的垂向加速度a、頻率f和時間歷程t相關(guān)的物理量，其估算公式為：

式中：a為垂直加速度的有義值，g；t為測試對象遭受的時間歷程，min；f為船體在波浪中的升沉運動頻率，Hz。當(dāng)為正值時，Φ通過查閱數(shù)學(xué)手冊確定，或由式（2）計算得到；當(dāng)Na和為負(fù)值時，Φ由以下關(guān)系計算得到：

Colwell認(rèn)為，暈動癥發(fā)生率簡化公式的計算結(jié)果與McCauley所得的數(shù)據(jù)相符，即平均誤差不超過1%、標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過6%［8］。

2 規(guī)則波中的標(biāo)模暈動癥發(fā)生率計算

2.1 規(guī)則波中縱搖與垂蕩運動

由于艦船暈動癥最主要的原因是船舶的垂向運動，通常迎浪時的垂向運動最為劇烈，故可以認(rèn)為，若艦船在迎浪狀態(tài)滿足垂向運動數(shù)值范圍，則其他浪向總能滿足要求。一般在艏樓常有較大的加速度，因此，根據(jù)STF方法，通過編程計算標(biāo)模DTMB 5415在迎浪中不同航速下艏部和重心處的垂向絕對加速度響應(yīng)［9］。假設(shè)重心在自由液面處。

建立固連于船的坐標(biāo)系o-xyz。其原點o在船重心G上，xGy平面平行于靜止時的載重水線面，Gx軸正向指向船艏，xGz平面在船的縱中剖面上，Gz垂直向上，坐標(biāo)系與船一起移動和振蕩。垂蕩和縱搖的耦合方程可表示為

式中：m為排水質(zhì)量；z為垂蕩運動值；I為縱搖慣性矩；θ為縱搖角；A11為垂向附加質(zhì)量；A22為縱搖附加慣性矩；A12為垂蕩與縱搖耦合系數(shù)；A21為縱搖與垂蕩耦合系數(shù)；B11為垂蕩阻尼力系數(shù)；B22為縱搖阻尼力系數(shù)；B12為垂蕩與縱搖阻尼耦合力系數(shù)；B21為縱搖與垂蕩阻尼耦合力系數(shù)；C11為垂蕩復(fù)原力系數(shù)；C22為縱搖復(fù)原力系數(shù)；C12為垂蕩與縱搖復(fù)原力耦合系數(shù)；C21為縱搖與垂蕩復(fù)原力耦合系數(shù)；Fc，F(xiàn)s分別為擾動力系數(shù)的實部和虛部；Mc，Ms分別為力矩系數(shù)的實部和虛部；ωe為遭遇頻率；t為遭受船舶運動的時間。

由式（6）可得：

在上述方法的計算程序中，波幅取ζa=1，計算za和θa，解出艦?zāi)Ｉ?、縱搖的頻率響應(yīng)，進而得出切片的絕對垂向加速度

艦?zāi)５脑庥鲱l率為

式中：ω為波浪圓頻率；g為重力加速度；v為航速，m/s；β為浪向角。

航行狀態(tài)分別取傅汝德數(shù)Fr=0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7和0.8，浪向角β=180°（迎浪），計算標(biāo)模DTMB 5415船艏和重心處的垂向加速度，所得值分別如圖2和圖3所示。圖中，H13為有義波高。

圖2 船艏垂向加速度Fig.2 Vertical acceleration of DTMB 5415 at the bow

圖3 重心處垂向加速度Fig.3 Vertical acceleration of DTMB 5415 at the center of gravity

國內(nèi)對各類艦船垂向加速度值的理論計算、試驗研究、數(shù)值模擬研究已很廣泛。為驗證利用以上方法計算垂向加速度值的準(zhǔn)確性和有效性，將DTMB 5415艏部與文獻(xiàn)［9］中給出的驅(qū)逐艦艏部垂向加速度值進行了對比，如圖4所示。

圖4 船艏垂向加速度對比Fig.4 The contrast of vertical acceleration at the bow

圖4中對DTMB 5415在Fr=0.2，0.3，0.4和0.5與文獻(xiàn)［9］所給驅(qū)逐艦Fr=0.263，0.351，0.409和0.468的艏部垂向加速度進行了對比。文獻(xiàn)［9］中驅(qū)逐艦船型與DTMB 5415船型同屬方艉驅(qū)逐艦船型，且船型參數(shù)與傅汝德數(shù)接近，其垂向加速度特性大致相當(dāng)，具有可比性。由圖4可知，兩驅(qū)逐艦的垂向加速度曲線趨勢較為一致，數(shù)值上大致吻合，其吻合程度已足以說明本文垂向加速度計算方法的正確性和有效性。當(dāng)然，由于DTMB 5415為國外典型驅(qū)逐艦船型，文獻(xiàn)［9］中所給驅(qū)逐艦為國內(nèi)早期船型，二者的垂向加速度值存在偏差也在情理和預(yù)期之中。對于國外典型驅(qū)逐艦DTMB5415的耐波性模型試驗和更詳細(xì)的理論計算方法，作者正在研究之中，這些工作可進一步驗證本文計算方法及結(jié)果的正確性和有效性。

2.2 暈動癥與垂向加速度關(guān)系的計算與分析

根據(jù)1.2節(jié)給出的暈動癥發(fā)生率計算公式及2.1節(jié)中的相關(guān)計算結(jié)果，可計算出所求驅(qū)逐艦標(biāo)模DTMB 5415對應(yīng)的驅(qū)逐艦在各航態(tài)下相應(yīng)運動頻率的暈動癥發(fā)生率，這里給出一個算例。

算例：根據(jù)驅(qū)逐艦標(biāo)模DTMB 5415，計算對應(yīng)的驅(qū)逐艦在典型有義波高典型航速（巡航速度附近）Fr=0.28時，船艏處的暈動癥發(fā)生率。

當(dāng)Fr=0.28時，由圖2可知船艏處的垂向加速度值為0.282g。上文已確定大多數(shù)暈動癥發(fā)生在船舶運動頻率為0.125～0.25 Hz之間，這里取運動頻率0.15 Hz進行計算，步驟如下：

1）將數(shù)據(jù)代入式（3），可得Na1=0.673；

2）將其代入式（4），人員遭受船舶運動的時間取2 h，可得Nt1′=1.995；

3）查閱標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表，可得

Φ（Na1）=0.56，Φ（Nt1′）=0.91

4）將以上數(shù)據(jù)代入式（1），得到MSI1= 50.96，即暈動癥發(fā)生率為50.96%。

重復(fù)上述步驟，計算得到各有義波高下相應(yīng)運動頻率和航速的暈動癥發(fā)生率。標(biāo)模DTMB 5415對應(yīng)的驅(qū)逐艦暈動癥發(fā)生率如表1所示，相應(yīng)的三維視圖如圖5所示。

由圖5可知，在大多數(shù)航態(tài)下，DTMB 5415對應(yīng)的驅(qū)逐艦暈動癥發(fā)生率均較低。由于我國驅(qū)逐艦排水量較美國“阿利·伯克”級驅(qū)逐艦小，在波浪中的搖擺運動（含垂向運動加速度）會更大，初步預(yù)期國內(nèi)驅(qū)逐艦暈動癥發(fā)生率會比上述針對美國“阿利·伯克”級驅(qū)逐艦所得結(jié)果更高。國內(nèi)驅(qū)逐艦，從艦船耐波性的角度優(yōu)化船型或采取其他改善耐波性的設(shè)計和運營措施，降低驅(qū)逐艦的垂向加速度值，從而減弱暈動癥發(fā)生的主要因素，減少暈動癥對驅(qū)逐艦整體性能的影響十分必要，對進一步提高國內(nèi)驅(qū)逐艦的作戰(zhàn)性能和人因指標(biāo)均有重要意義。

表1 DTMB 5415對應(yīng)的驅(qū)逐艦暈動癥發(fā)生率Table 1 DTMB 5415 corresponding destroyer motion sickness incidence

圖5 DTMB 5415對應(yīng)的驅(qū)逐艦暈動癥發(fā)生率Fig.5 DTMB 5415 corresponding destroyer motion sickness incidence

2.3 結(jié)果驗證

這里結(jié)合Piscopo等［10］給出的計算方法校驗本文中暈動癥發(fā)生率計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

式中：m4為船舶垂向運動波譜的第4階譜矩［11］；μMSI為系數(shù)，由勞氏船級社給出的公式計算得出。

式中，m2為船舶垂向運動波譜的第2階譜矩［11］，其中根據(jù)有義波高H13、特征周期T、遭遇頻率ωe得出。

n階譜矩：

用上述驗證方法，同樣計算驅(qū)逐艦標(biāo)模對應(yīng)的驅(qū)逐艦在有義波高典型航速Fr=0.28時，船艏處暈動癥的發(fā)生率為54.19%，比文中計算值50.96%要大3.23%，誤差在合理范圍之內(nèi)。使用該方法，計算各航態(tài)下船艏和重心處的暈動癥發(fā)病率，所得暈動癥發(fā)生率如表2所示，相應(yīng)的三維視圖如圖6所示。將采用驗證方法所得表2數(shù)據(jù)與文中方法計算所得表1數(shù)據(jù)進行對比，誤差均在5%左右，說明本文所使用的計算方法準(zhǔn)確性較好。

表2 驗證方法計算所得暈動癥發(fā)生率Table 2 Motion sickness incidence calculated by the method in Reference[10]

圖6 驗證方法計算所得暈動癥發(fā)生率Fig.6 Motion sickness incidence calculated by the method in Reference[10]

3 結(jié) 語

隨著海軍艦船的不斷發(fā)展，艦船設(shè)計將不可避免地與諸如人因工程等新理念相結(jié)合，需從多學(xué)科、多層次考量提升驅(qū)逐艦的耐波性、操縱性、波浪中穩(wěn)性以及艦員的績效、居住舒適度，降低人的因素對艦船戰(zhàn)斗性能的不利影響。

本文計算了標(biāo)模DTMB 5415各航態(tài)下迎浪運動時艏部和重心處的垂向加速度值，并進一步計算了不同垂向加速度值時艦員發(fā)生暈動癥的概率。當(dāng)然，暈動癥是一個受人的自身精神狀態(tài)、光照、聲音、氣味、船體運動狀態(tài)等諸多因素共同作用影響的病癥，此處只是將暈動癥的主要影響因素（垂向加速度值）納入考慮范圍，可以大致預(yù)測出驅(qū)逐艦?zāi)筒ㄐ耘c艦員暈動癥發(fā)生率之間的數(shù)值關(guān)系。未來可以經(jīng)過實船試驗研究，驗證理論計算的準(zhǔn)確性，完善理論計算方法，并進一步總結(jié)艦船耐波性與暈動癥的數(shù)值關(guān)系，以作為艦船設(shè)計過程中耐波性和人因工程設(shè)計的一個參考。

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Analysis of correlation between destroyer seakeeping and motion sickness in human factors

XIONG Hu，LU Xiaoping
Department of Naval Architecture Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

Seakeeping is not only an important indicator of the overall performance of a ship，it also has a direct impact on the occurrence of motion sickness among ship personnel；as such,a good seakeeping design is the basis for guaranteeing the crew's comfort and work performance.In this paper,a seakeeping calculation program using the theory of the strip method is written to calculate the seakeeping of the DTMB 5415 standard model,and the vertical acceleration response at the bow and the center of gravity in head waves and under different speeds are obtained.Next,the effects on motion sickness of the vertical accelerations of DTMB 5415 corresponding to the destroyer's heaving are analyzed,and the numerical relationship of motion sickness with the destroyer's seakeeping performance is obtained.The results show that the calculated vertical accelerations at the bow and center of gravity are correct,the accuracy of which satisfies the requirements of motion sickness prediction;and the calculated regularities of the motion sickness are reasonable,and can be applied to analyze and predict the incidence of motion sickness on a ship,as well as to improve human factors in the hull form design of destroyers.

seakeeping；strip method；human factors engineering；motion sickness；destroyer

U661.32

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.006

2016-04-25

2016-12-28 15:57

海軍工程大學(xué)社會科學(xué)基金資助項目（HGDSK2015E06）

熊虎，男，1992年生，碩士生。研究方向：艦船水動力性能研究。E-mail：398820941@qq.com盧曉平（通信作者），男，1957年生，博士，教授。研究方向：艦船水動力性能研究。E-mail：luxiaoping100@163.com

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20161228.1557.030.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

熊虎，盧曉平.驅(qū)逐艦?zāi)筒ㄐ耘c人因中暈動癥相關(guān)性分析［J］.中國艦船研究，2017，12（1）：32-37. XIONG H，LU X P.Analysis of correlation between destroyer seakeeping and motion sickness in human factors［J］.Chi?nese Journal of Ship Research，2017，12（1）：32-37.