瀝青船主尺度要素統(tǒng)計(jì)分析

張秋萍,金庭宇，姚 文，黃光兵

(1.中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433；2.大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

瀝青船是一種特殊運(yùn)輸船，國(guó)際海事組織將其定義為2類化學(xué)品船。由于運(yùn)輸?shù)臑r青溫度大多在140 ℃～ 200 ℃之間，最大加熱溫度為250 ℃，故瀝青船是一種高要求、高技術(shù)的船舶。

目前對(duì)瀝青船的總體設(shè)計(jì)研究，已有吳曉蓮和王國(guó)強(qiáng)分別分析總結(jié)了12 800 t和37 000 t瀝青船的總體設(shè)計(jì)思路和要點(diǎn)[1-2]；許軍對(duì)7 800 t瀝青船進(jìn)行了型線設(shè)計(jì)等研究[3]?？v觀文獻(xiàn)，還未見(jiàn)對(duì)瀝青船主尺度要素統(tǒng)計(jì)和回歸分析的研究。管官論證了大數(shù)據(jù)技術(shù)在早期船舶設(shè)計(jì)中對(duì)主尺度確定等方面的作用[4]，本文據(jù)此對(duì)搜集的瀝青船船型數(shù)據(jù)進(jìn)行主尺度特點(diǎn)研究，借助常規(guī)回歸模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)探究瀝青船主尺度要素和其載質(zhì)量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并篩選出擬合優(yōu)度較高的瀝青船主尺度估算模型。

1 瀝青船設(shè)計(jì)特點(diǎn)

瀝青船作為運(yùn)輸高溫液態(tài)瀝青的特殊危險(xiǎn)化學(xué)品船，對(duì)開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)和建造的要求明顯區(qū)別于傳統(tǒng)化學(xué)品船和油船，尤其是液態(tài)瀝青的加熱和保溫系統(tǒng)要求嚴(yán)苛。雖然瀝青航運(yùn)市場(chǎng)存在獨(dú)立式和整體式2類液貨艙型，但根據(jù)?？扛劭?、航線距離、載貨量和建造成本等多方面綜合評(píng)比，絕大部分瀝青船都采用獨(dú)立液貨艙型式設(shè)計(jì)建造。在設(shè)計(jì)前期，要綜合考慮液貨艙結(jié)構(gòu)型式、支撐裝置、定位兼防滑移裝置、防浮和防翻轉(zhuǎn)裝置，而瀝青船的完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性也不容忽視。

瀝青船型屬于載重的容積型船，增加型深(D)或型深吃水比(D/d，d為結(jié)構(gòu)吃水)，是提高積載因數(shù)或艙容最常用的有效措施。不過(guò)，如果浮力偏小且穩(wěn)性不足，快速性也達(dá)不到要求時(shí)，就要在考慮容量大小的同時(shí)，權(quán)衡各方因素，全面合理地調(diào)整主尺度，而不是局限于改變型深。載質(zhì)量對(duì)瀝青船營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性有重要影響，比如同樣登記噸位的瀝青船，載貨量大者經(jīng)濟(jì)性要好些。

2 瀝青船主尺度回歸分析

從國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)(IACS)官網(wǎng)搜集到168艘瀝青船樣本，其中5 000 DWT以下的瀝青船多集中在2000年以前，2006年以后，瀝青船噸位逐漸擴(kuò)大，5年內(nèi)建成交付的噸位多在5 000 DWT到7 000 DWT之間，2010年開(kāi)始出現(xiàn)萬(wàn)噸以上的瀝青船。所以考慮到時(shí)效性和實(shí)際參考價(jià)值，本文進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的樣本基本選取2000年以后建成服役的瀝青船138艘，然后從中減去主尺度信息不全的和同一系列瀝青船中信息完全相同的數(shù)據(jù)，這樣得到具有代表性的瀝青船72艘。并以此72艘瀝青船的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行瀝青船主尺度要素分析。

樣本瀝青船的船長(zhǎng)(L) 分布在65.0～176.9 m之間；型寬(B) 大致位于10.8～32.2 m范圍內(nèi)；D介于4.5～18.1 m；d基本在4.013～12.617 m；載質(zhì)量(m)分布在1 043～46 178 t。

2.1 瀝青船主尺度比范圍

分析瀝青船統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可知其船長(zhǎng)吃水比(L/d)和長(zhǎng)深比(L/D)相對(duì)比較大，表1為樣本瀝青船主尺度比范圍。如果已知瀝青船某主尺度，可據(jù)表1對(duì)其他相關(guān)主尺度進(jìn)行粗略估算。

表1 樣本瀝青船尺度比范圍

2.2 正態(tài)性分析

回歸之前，首先驗(yàn)證搜集的數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布。瀝青船樣本的偏度及峰度見(jiàn)表2，其根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論計(jì)算瀝青船L、B、D、d和m的偏度、峰度及標(biāo)準(zhǔn)誤?？梢?jiàn)這些值都在可接受的范圍，從而認(rèn)為瀝青船樣本數(shù)據(jù)近似服從正態(tài)分布，可進(jìn)一步研究。

表2 瀝青船樣本的偏度及峰度

2.3 敏感性分析

為探究瀝青船主尺度對(duì)載質(zhì)量的相對(duì)重要性，采用相對(duì)敏感性分析法[5]，定義敏感系數(shù)SA來(lái)衡量各主尺度變化對(duì)載質(zhì)量變化的影響程度。

選取船體尺度適中、設(shè)計(jì)建造時(shí)間較近、數(shù)據(jù)來(lái)源較權(quán)威、可靠性有保證的17 000 DWT瀝青船作為參考船型。該船長(zhǎng)155 m，型寬23.5 m，型深13.2 m，吃水8.5 m，載質(zhì)量為17 705.3 t。計(jì)算并繪制瀝青船主尺度對(duì)載質(zhì)量的敏感性分析如圖1所示。圖1中，橫坐標(biāo)Δm/m0表示不同瀝青船載質(zhì)量m與參考瀝青船載質(zhì)量m0的差值Δm與m0的比值。以圖1(a)為例，縱坐標(biāo)ΔL/L0代表樣本瀝青船長(zhǎng)L與參考瀝青船船長(zhǎng)L0的差值ΔL與L0的比值，這樣得到的直線斜率就表示L對(duì)m的敏感度系數(shù)。以此類推，不同瀝青船的B、D、d和參考瀝青船相應(yīng)參數(shù)的差值分別為ΔB、ΔD、Δd，并依次算得B、D、d對(duì)m的敏感性系數(shù),分別見(jiàn)圖1 (b)、(c)、(d)。最后得到瀝青船各主尺度對(duì)載質(zhì)量的敏感度相對(duì)大小，如圖1 (e)所示。

圖1 瀝青船各主尺度對(duì)載質(zhì)量的敏感性分析

2.4 單變量回歸分析

由上述敏感性分析可知，瀝青船4個(gè)主尺度對(duì)其載質(zhì)量都有一定程度的影響，下面以瀝青船m為自變量，以4個(gè)主尺度為單變量分別進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸，擬合瀝青船主尺度與載質(zhì)量間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

為了保證回歸模型有足夠的可靠性預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，需要依據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理對(duì)所得回歸表達(dá)式進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。這里采用無(wú)量綱系數(shù)R2(R為相關(guān)系數(shù))檢驗(yàn)顯著性。R2的數(shù)值越靠近1，擬合度越好；而R2的數(shù)值離1越遠(yuǎn)，表明擬合水平越差。普遍認(rèn)為，R2>0.9時(shí)，擬合度好；0.8

由于需要從72艘瀝青船中預(yù)留出5艘用于最后回歸結(jié)果檢驗(yàn)，下面以67艘瀝青船樣本數(shù)據(jù)來(lái)回歸分析L、B、D、d和m的關(guān)系。

(1)L與m的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。

L-m的散點(diǎn)分布圖如圖2所示，其回歸式見(jiàn)式(1)、式(2)：

L=8.069 6m0.291 9。

(1)

此時(shí),R2=0.971 2。

L=4.659 3[ln(m)]2-50.155ln(m)+185.9。

(2)

此時(shí)，R2=0.972 4。

圖2 L - m的散點(diǎn)分布圖

(2)B與m的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。

B-m的散點(diǎn)分布如圖3所示，其回歸式見(jiàn)式(3)、式(4)：

B=1.382 6m0.294 1。

(3)

此時(shí)，R2=0.968 5。

B=0.761 3[ln(m)]2-7.827 7ln(m)+28.388。

(4)

此時(shí),R2=0.974 2。

圖3 B-m的散點(diǎn)分布圖

(3)D與m的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。

D-m的散點(diǎn)分布如圖4所示，其回歸式見(jiàn)式(5)、式(6)：

D=0.342m0.376。

(5)

此時(shí),R2=0.946 7。

D=0.339 1[ln(m)]2-2.400 4ln(m)+

4.506 6。

(6)

此時(shí)，R2=0.961 9。

圖4 D-m的散點(diǎn)分布圖

(4)d與m的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。

d-m的散點(diǎn)分布如圖5所示，其回歸式見(jiàn)式(7)、式(8)：

d=0.547 5m0.282 9。

(7)

此時(shí)，R2=0.958 1。

d=0.280 3[ln(m)]2-2.998 4ln(m)+

11.285。

(8)

此時(shí)，R2=0.988 5。

圖5 d-m的散點(diǎn)分布圖

2.5 多元回歸分析

瀝青船方案設(shè)計(jì)早期，以載質(zhì)量為自變量的單變量回歸模型用于瀝青船主尺度初步估算簡(jiǎn)單有效。隨著設(shè)計(jì)深入，要考慮的因素變多，瀝青船載質(zhì)量與各個(gè)主尺度和船型系數(shù)之間相互制約，必須綜合考慮多個(gè)維度的影響，就需要以瀝青船多個(gè)主尺度為自變量，以載質(zhì)量作為因變量，進(jìn)行多元數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建和擬合，才能得到更加符合實(shí)際的結(jié)果。

多元線性回歸式的一般表示為：

y=β0+β1x1+β2x2+…+βnxn+ε,

(9)

式中,y為因變量；x1，x2，…，xn為自變量；β0為常數(shù)；β1，β2，…，βn為回歸系數(shù)；ε為隨機(jī)誤差。

由于瀝青船船長(zhǎng)、型寬、型深和吃水對(duì)其載質(zhì)量的敏感度系數(shù)不同，而型深相比于吃水對(duì)瀝青船載質(zhì)量的敏感性更大一些。故下面以船長(zhǎng)、型寬和型深3個(gè)主尺度為自變量對(duì)瀝青船載質(zhì)量進(jìn)行多變量回歸。

瀝青船載質(zhì)量的多元回歸分別用線性，二次、三次、乘冪和混合模型(指數(shù)，對(duì)數(shù)、開(kāi)方、-1次冪)進(jìn)行擬合，按照相關(guān)系數(shù)高低和回歸式簡(jiǎn)便程度整理，得到了2個(gè)變量和3個(gè)變量的載質(zhì)量回歸式，如式(10)、式(11)和式(12)所示：

m=14 546.466+97.208B2-2 748.188B+

90.366L。

(10)

此時(shí)，R2=0.941。

ln(m)=5.867+0.013L+0.003B+0.141D。

(11)

此時(shí)，R2=0.956。

m=0.042 8L1.763B0.826D0.599。

(12)

此時(shí)，R2=0.968。

2.6 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

隨著人工智能的發(fā)展，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)各種輸入變量和輸出變量間的非線性多元模型擬合具有更好的可靠性和更強(qiáng)的適應(yīng)性。這里采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)探究瀝青船主尺度與載質(zhì)量之間的映射關(guān)系，將瀝青船的船長(zhǎng)、型寬和型深3個(gè)維度的主尺度作為輸入層變量，將載質(zhì)量的自然對(duì)數(shù)作為輸出層變量，采用3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[6]對(duì)瀝青船的統(tǒng)計(jì)樣本訓(xùn)練和預(yù)測(cè)，根據(jù)神經(jīng)元經(jīng)驗(yàn)公式，隱藏層結(jié)構(gòu)的神經(jīng)元個(gè)數(shù)在整個(gè)訓(xùn)練過(guò)程中的取值范圍是[3，12]。

在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱里對(duì)67艘瀝青船樣本的主尺度與載質(zhì)量之間的關(guān)系進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)過(guò)程中調(diào)節(jié)各層連接權(quán)值，瀝青船學(xué)習(xí)后的擬合效果和相對(duì)誤差如圖6所示。

圖6 瀝青船學(xué)習(xí)后的擬合效果和相對(duì)誤差

從圖6 (a)擬合值和真實(shí)值之間的縱向距離可知，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)67艘瀝青船的載質(zhì)量預(yù)測(cè)值和實(shí)際值接近度較高；從圖6 (b)的相對(duì)誤差圖可知，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱的擬合模型效果較好，可以利用該BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型通過(guò)輸入主尺度對(duì)瀝青船的載質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。

3 回歸模型驗(yàn)證

用預(yù)留的5艘瀝青船驗(yàn)證回歸模型的擬合度和準(zhǔn)確性，對(duì)單變量回歸、多元回歸和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合模型分別進(jìn)行有效性驗(yàn)證。瀝青船主尺度見(jiàn)表3。

表3瀝青船主尺度

表4為瀝青船主尺度要素模型驗(yàn)證結(jié)果，由表4可見(jiàn),瀝青船的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)回歸誤差大都在±10%以內(nèi)，擬合模型整體得到了比較合理的驗(yàn)證。其中，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)比常規(guī)多元擬合的預(yù)測(cè)誤差較小，精度較高。

4 結(jié)束語(yǔ)

在瀝青船早期船型方案設(shè)計(jì)時(shí)，統(tǒng)計(jì)資料法和母型船資料法可以相互補(bǔ)充。本文在大數(shù)據(jù)下對(duì)瀝青船主尺度和載質(zhì)量的回歸分析和數(shù)學(xué)模型擬合并驗(yàn)證，在資料和數(shù)據(jù)信息有限的情況下，對(duì)估算瀝青船船型要素提供了一定的參考依據(jù)。

表4 瀝青船主尺度要素模型驗(yàn)證結(jié)果 %