基于Quasi-Bonjean方法和NSGA-II方法，建立了一个几何一致性模型，用于评估船舶在任意姿态下的破损稳定性

《Ocean Engineering》：A geometry consistent model for evaluating ship damaged stability at arbitrary attitudes based on the Quasi-Bonjean and the NSGA-II method

受损稳定性评估方法在大倾角复杂场景下的有效性研究，提出基于准Bonjean（QB）几何一致优化模型与多目标遗传算法NSGA-II的联合框架，实现受损船体任意姿态下的稳定性快速计算与多方案平衡分析，在120种工况测试中均通过IACS标准，误差控制在10%-45.6%，为船舶设计初期评估和应急决策提供可靠工具。

　　

Kaige Zhu | Jiao Liu | Yaqing Shu

宁波大学海洋与交通运输学院，中国宁波，315000

摘要

远洋和高纬度航运的迅速扩张增加了船舶遭遇极端海洋环境的风险，因此，受损稳定性成为确保航行安全的关键因素。传统的静态或插值方法在较大的横倾角和纵倾角以及复杂的进水情况下缺乏准确性和适应性，这凸显了需要一个统一且可扩展的评估框架的必要性。为了解决这一挑战，本文提出了一种基于双目标自由漂浮公式的任意姿态受损稳定性模型，该模型将Quasi-Bonjean（QB）模块与多目标几何一致性优化模型相结合。QB方法确保了船舶性能要素的一致性，消除了在大倾角下的外推误差，并克服了传统方法中的不一致性。姿态平衡和力共线性被构建为一个多目标问题。随后，提出了一种先验约束优化方法来缩小解决方案空间，通过物理信息驱动的初始解和自适应的非支配排序遗传算法II（NSGA-II）策略实现高效的全局搜索。该模型在三种化学品运输船上进行了120种装载和受损情况的评估，所有结果均符合国际船级社协会（IACS）的要求。各性能要素的平均误差在阈值的10%到45.6%之间，证实了该方法识别平衡状态的能力。所提出的方法在计算要求上较为适中，有助于在船舶设计的早期阶段进行权衡分析，并支持紧急情况下的决策制定。

引言

由于高纬度航线的运营兴趣日益增加和可及性不断提高，全球航运和海洋作业正越来越多地扩展到远洋和恶劣环境区域，导致船舶更频繁地遭遇恶劣的海况（Müller等人，2023年；Shu等人，2023年、2025年）。在这些条件下，船体损坏、进水以及船舶姿态变化可能紧密相关，使得受损稳定性成为生存能力评估和紧急决策支持的关键因素（Kuznecovs等人，2021年；Rodrigues，2024年；Georgiadis等人，2025年）。在这种背景下，一个工程相关的要求是能够可靠地确定在广泛姿态范围内的受损配置的稳定性要素和可行的平衡状态（Sun等人，2021年；Liu等人，2022年）。

为了评估船舶在波浪中的受损行为和生存能力基准测试，国际拖船水池会议（ITTC）提供了进行波浪中受损稳定性模型测试的推荐程序。这些程序促进了标准化的实验实践和以验证为导向的比较（ITTC，2017年）。需要注意的是，这些程序是进行和记录模型测试的指南。同时，工程决策通常整合了多个层次的分析，从静水静力学/平衡评估到时域进水及运动模拟。在本研究中，我们专注于静水准静态分析和进水配置下的自由漂浮平衡识别，这支持了监管风格的筛选，并为后续的时域分析提供了可靠的初始化。

从实际评估的角度来看，静力学和平衡计算仍然是受损稳定性工作流程中的基本组成部分。传统方法长期以来依赖于截面面积积分和预先制定的静水数据（如静水表和Bonjean曲线）来在有限的姿态变化下插值位移和浮力量（Vladimir，2004年；Rong和Cui，2013年；Kim和Yeo，2020年）。在当代应用中，稳定性和装载计算软件越来越多地直接在三维船体和舱室模型上进行静水和平衡计算，提高了几何精度和自动化程度，更好地支持了工程工作流程（Sun等人，2021年；Liu等人，2022年）。

然而，在渐进性进水和平面效应的受损条件下，漂浮平衡搜索可能变得高度非线性，并且对进水状态假设和数值初始化都非常敏感。在本研究中，“可行平衡”指的是满足力矩平衡和约束的多个允许的横倾-纵倾配置，这些配置可能与不同的可行进水状态相关。常规的单次启动局部迭代通常会为给定的初始化返回一个收敛的平衡状态，而更系统地映射可行平衡集则需要多次启动探索或全局优化公式（Ding和Yu，2014年；Manderbacka等人，2015年）。在大横倾角下的相关数值挑战，例如在牛顿型实现中的倾斜水线参数化困难，也已被报道，并且可能影响探索非设计姿态时的鲁棒性（Liu等人，2022年）。这种情况激发了本研究中提出的全局搜索和文档策略。

为了捕捉瞬态进水、内部流动和船舶-波浪耦合，基于非稳态雷诺平均纳维-斯托克斯（URANS）或雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程的高保真时域计算流体动力学（CFD）模拟，结合自由表面捕捉技术（如体积流体（VOF）方法），可以提供详细的预测（Sadat-Hosseini等人，2016年；Gao等人，2020年）。同时，基于简化伯努利公式的时域工具通常比CFD在单个案例中计算效率更高（Ruponen等人，2022a，2022b）。然而，当需要广泛的情景演练，涵盖许多损坏情况、装载条件、横倾/纵倾状态和海况，或者当嵌入到优化和不确定性分析中时，由于重复评估次数众多，即使每次单独运行相对高效，总体计算负担仍可能变得相当大（Manderbacka等人，2015年；Rodrigues，2024年）。这激发了开发高效且稳健的静态平衡识别和静水要素评估方法的需求，这些方法可以作为快速筛选工具、数据库生成器或后续更高保真分析的可靠初始化。

为了填补这一空白，本研究提出了一个计算框架，该框架将Quasi-Bonjean（QB）方法与使用NSGA-II的受限多目标全局搜索相结合，以评估任意姿态下的稳定性。QB模块提供了在大横倾角和纵倾角下提取关键性能要素的几何一致性静水核心，避免了传统基于Bonjean的方法可能出现的外推相关不确定性（Zhu等人，2023年、2025年）。通过将自由漂浮平衡条件构建为一个受限多目标问题并进行系统的全局探索，所提出的框架旨在以可重复的方式记录可行平衡状态及其剩余稳定性裕度，同时与当前的海军架构实践和受损稳定性评估工作流程保持兼容。

主要贡献如下。首先，开发了一个基于优化的框架，通过将平衡条件和进水体积分布整合到一个统一的多目标受限问题中来评估船舶受损稳定性。该框架能够明确表征非典型平衡状态。其次，与传统的Bonjean曲线或静水插值相比，QB方法提高了准确性和数值鲁棒性，特别是在涉及组合横倾和纵倾以及复杂水线几何形状的情况下。这使得在任意船舶姿态下进行可靠的静水建模成为可能。第三，NSGA-II算法允许高效的全局解决方案空间探索。当与预先计算的重置臂数据库结合使用时，它显著提高了帕累托最优解的识别能力。第四，通过120种装载和受损条件的验证，证明了该方法在检测非典型平衡状态方面的有效性和可扩展性。

本文的其余部分组织如下。第2节回顾了相关文献并确定了关键挑战。第3节提供了所提出模型的详细描述。第4节通过模拟和实验验证了模型的有效性。第5节讨论了结果的意义和所提出模型的局限性。第6节总结了本文并提出了未来研究的潜在方向。

章节摘录

文献综述

本文研究了一种集成方法，用于评估任意姿态下船舶的受损稳定性，特别是在极地地区和深海环境背景下。该研究主要涵盖了船舶受损稳定性、船体性能要素和多目标优化技术等关键方面。因此，本节提供了针对这些核心研究领域的全面文献综述。

总体框架

本节介绍了用于确定任意姿态下受损稳定性要素的几何一致性模型的总体框架，如图1所示。第1步建立了全范围姿态下的船体和舱室性能原型。QB方法用于生成基于NURBS的船体和舱室表面表示及其截面轮廓。通过生成相应的水平面配置来确定性能要素

结果与分析

本节利用三艘真实船舶的数据设计了两个实验，旨在评估计算程序的鲁棒性并表征要素误差的分布。具体来说，第4.2节从一艘船舶中选取了一个具有代表性的受损条件来验证所提出框架的关键参数。第4.3节涉及三艘船舶的40个代表性受损条件，总共120种情景，并评估了模型的准确性

讨论

随着海上作业扩展到远洋和高纬度区域，船舶越来越频繁地遭遇极端海况（Shu等人，2024年、2025年）。这强调了需要高效、可扩展和准确的方法来评估在复杂船体姿态和不同舱室配置下的受损稳定性。为了应对这些挑战，SGISC框架已经从经验标准转向了性能和风险评估方法，从而提高了

结论

本文提出了一种基于几何一致性和优化的方法，用于评估任意姿态下的受损稳定性。首先，QB静水引擎直接从NURBS船体和舱室几何形状计算性能要素，确保在大横倾角和非传统水线配置下的几何一致性。随后，将自由漂浮平衡条件构建为一个双目标优化问题，其中预定义了GZ

CRediT作者贡献声明

Kaige Zhu：写作——审阅与编辑，撰写——原始草稿，软件，方法论，概念化。Jiao Liu：写作——审阅与编辑，概念化。Yaqing Shu：写作——审阅与编辑，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（NSFC）（项目编号：52271369）、浙江省教育厅的科学研究基金（项目编号：Y202559527）、浙江省自然科学基金（项目编号：LQN26E090008）以及宁波市自然科学基金（项目编号：2025J047）的支持。