內容提要：波浪中阻力增加的正確預報，對于正確評估船舶的航速至關重要。
本文從以下方面進行闡述：
- 實船試航中遇到了什么問題；
- ITTC試航規程中現有的方法有何局限；
- 全浪向波浪增阻預報方法開發及驗證過程；
- 開發的新方法與現有方法相比有何優勢；
- 關于新方法的討論、對策和建議等，為實船航速性能分析評估提供更有效工具。
1、實船試航中遇到的問題
708所為國內外船東設計了大量的箱船。但隨著所要求的能效指數指標的不斷降低和箱船噸位的增加，實船試航的航速余量越來越緊張。
工程實踐中，試航時間隨著噸位增加而增加，其間風向、浪向等環境因素可能發生大幅度的變化，超出目前試航修正方法（ITTC2017）STA適用的范圍（45°首浪以內），從而對交船帶來不利影響。
為了考察浪向超過45°對船舶性能的影響，708所以2萬箱集裝箱船為對象，在荷蘭水池開展了完整的全浪向試驗，發現了如下的波浪增阻結果：
從上表可見，迎浪45～60度時,不同航速和吃水下，波浪增阻比例仍然相當大，達到5.4-9.4%；即使到尾斜浪135度，波浪增阻也超過2%。從ITTC船舶性能委員會搜集的29條船模型試驗的數據也表明，45-135°，無一例外具有波浪增阻。因此，從首斜浪45°到隨浪，波浪增阻不能忽略。
2、ITTC試航規程中現有的方法的局限
目前ITTC規程中可用的波浪修正方法包括荷蘭STA方法、日本NMRI 方法和模型試驗方法。
（1）荷蘭方法STA：只能修正在迎浪45°范圍內的波浪增阻；
（2）日本NMRI方法：可以進行全浪向波浪增阻修正，但需要船舶型線和運行許可，二者缺一不可。實踐中要真正應用NMRI方法難度很大，原因之一是大家對型線都非常重視，把型線提供給試航團隊并不可行；二是日本對運行許可控制嚴格，別的國家難以獲得。因此，NMRI方法使用范圍十分受限。
（3）至于對每一條船都開展不同浪向下的模型試驗，這并不現實，世界上能夠進行高精度全浪向模型試驗的單位非常少，即便不考慮成本，這些水池也無法滿足整個工業界的需求。
（4）基于以上分析，有必要引入既不需要型線但又能夠涵蓋不同浪向而且對大家開放的波浪增阻預報新方法。
3、浪向角度超過45°的情形
（1）試驗過程中浪向發生改變超過45°。大型船舶，如大型箱船、油船和散貨船等，即使采用最經濟的1+2+1（4個往返、8個單程）的迭代法試航，測試時間可能也會達到8-10個小時，在這么長的時間里，浪向發生大范圍的改變極其可能。
（2）風和浪方向不一致，浪向角度超過45°，風強浪弱故而試航航向和風向保持一致。
（3）涌浪與風浪夾角大于45°，兩種浪的影響都需修正。
（4）風和浪方向一致，但海流比較強且與波浪夾角大于45°。
以上情形都會使得船舶在試航時遭遇超過45°的海浪，而目前的試航規程在沒有型線的前提下又難以顧及，因此需要開發不基于型線的波浪增阻預報新方法。
4、關于本方法的開發和驗證
（1）注意到現有方法的局限性，ITTC船舶營運性能委員會王金寶主席（2014-2021），在第一個任期（2014-2017）即開始策劃，并在征得委員會同意后將“驗證現有方法、必要時開發新的波浪增阻預報方法”作為委員會2017-2020的工作內容之一；
（2）經過與雅典國立科技大學Papanikolaou教授、新加坡南洋理工大學劉樹魁博士的緊密合作，全浪向波浪增阻預報新方法命名為SNNM，于2019年11月發送ITTC船舶營運性能委員會初步驗證；
（3）ITTC船舶營運性能委員會邀請了南洋理工大學劉樹魁博士于2020年1月在韓國召開的第四次委員會會議上介紹了新方法，委員會交流和討論了初步驗證結果，對新方法給予了積極評價，并同意將該方法寫入大會報告。
（4）由于新冠疫情影響，ITTC將原定于2020年9月的大會時間推遲至2021年6月。船舶營運性能委員會王金寶主席于第一時間爭取顧問委員會支持并獲得同意開展后續工作。從2020年4月起，積極推動委員會開展進一步驗證，并搜集到8家單位提供的約1500個數據點。委員會經過反復的討論，于2020年7月在新方法進入規程的指標上達成了一致（即準入門檻）。
（5）同時，數據分析緊鑼密鼓展開。經過近8個月緊張的工作，2020年12月初，由波蘭水池進行獨立分析、漢堡水池校核的驗證報告出爐，該報告結果顯示新方法完全達到并大幅超出了委員會設定的指標。在委員會內傳閱的過程中，部分委員們提出了一些中肯意見，開發團隊及時進行了解釋和澄清，在委員會內達成共識，并進一步完善了報告。2021年1月底，吸納了新型波浪增阻預報方法（即SNNM方法）的ITTC實船測試分析規程在本委員會進一步傳閱后，發顧問委員會批準。
（6）2021年3月中旬，ITTC顧問委員會專門開會討論了SNNM方法。王金寶作為技術委員會主席，全面介紹了本方法開發、驗證過程，并回答了現場專家提出的問題。經過投票表決，新方法以高票贊同順利進入ITTC規程，并在6月份召開的ITTC大會上確認通過。
（7）目前，ITTC正在積極協助ISO15016工作組修訂試航中波浪修正方法，SNNM方法有望進入新版的ISO標準。
5、開發的新方法與STAWAVE2方法相比的優勢
新方法在[0,45°]和（45,180°]兩個浪向范圍內與試驗結果的相關系數均達到了0.86。
基于相同的數據源，荷蘭的STAWAVE2在[0,45°]浪向范圍內和試驗結果的相關系數為0.70，該方法不適用于大于45°的其它浪向。
可見，SNNM方法預報精度比STA2更高，適用浪向范圍比STA2更加廣；而且同樣不需要型線，只需要9個常用參數，易用性與STA2相當。
6、關于新方法的討論
（1）驗證船型的代表性
本委員會共計搜集了29條船舶的不同浪向下的試驗結果用于驗證SNNM方法。驗證船型數量占比與世界船隊主力船型按照數量占比的對比如下表和下圖所示，可見主力船型數量比例大體相當，代表了世界船隊的船型數量占比。
（2）波阻增加預報準確性
基于委員會規則波中數據源，基于SNNM方法的平均波浪增阻預報偏差為0（下圖），表明SNNM方法對于波浪增阻的預報既不保守，也不冒進。
基于委員會數據源(413個數據點，規則波)
（3）短波中的波浪增阻
無因次的波浪增阻在波長船長比小于0.3的極短波中隨波長減小而遞增，與部分試驗中觀察到的現象一致，如下圖所示。極短波中試驗難度大、不確定因素多，試驗數據目前還比較少。
油船預報和日本試驗結果比較
大型箱船預報與荷蘭試驗結果比較
HSVA關于郵船的試驗結果
日本關于 SR221C 的試驗結果
7、對策和建議
經過不懈的努力，SNNM方法已經順利進入2021版的ITTC實船測試分析規程。由于預報精度高、適用波浪方向范圍廣，該方法受到各主要造船國的青睞，因此，盡快將SNNM方法并入航速修正程序中，顯得非常迫切，建議中國船級社牽頭開展有關工作。
當前面臨的一個難點是極短波中的高質量試驗數據非常少，建議國內有條件的單位開展有關研究，驗證有關現象，提高預報精度。ITTC耐波性委員會已經計劃開展這方面的研究，建議國內有關單位積極參與比對。
此外，橫浪中的試驗數據，離散度較大，仍然需要改善測量和預報精度。
參考文獻：
Liu S. and Papanikolaou A. (2020). Regression analysis of experimental data for added resistance in waves of arbitrary heading and development of a semi-empirical formula. Ocean Engineering.
Wang J., Bielicki S., Kluwe F., Orihara H., Xin G. Kume K., Oh S., Liu S., Feng P. (2021). Validation study on a New Semi-empirical Method for the Prediction of Added Resistance in Waves of Arbitrary Heading in Analyzing Ship Speed Trial Results. Ocean Engineering.
