(高清版)GBT 40523.3-2021 船舶与海上技术　船体和螺旋桨性能变化测量　第3部分：替代方法

ICS47.020.99GB/T40523.3—2021/ISO19030-3:2016船舶与海上技术船体和螺旋桨性能变化测量第3部分：替代方法(ISO19030-3:2016,IDT)国家标准化管理委员会国家市场监督管理总局发布国家标准化管理委员会IGB/T40523.3—2021/ISO19030-3:2016 1 13术语和定义 14测量参数的替代方法 1 14.2主要测量参数的替代 24.3次要参数测量和替代方法 4 4 45.2数据采集 55.3数据存储 55.4数据准备 56性能指标计算(PIs) 7 76.2性能指标的定义 7 77性能指标(PIs)的精度 8 87.2标准组合或主要参数、次要参数及测量程序的详细信息 87.3平均性能值的不确定度评估 97.4计算性能指标并估计性能指标精度 ⅢGB/T40523.3—2021/ISO19030-3:2016本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件是GB/T40523《船舶与海上技术船体和螺旋桨性能变化测量》的第3部分。GB/T40523——第1部分：总则； ——第3部分：替代方法。本文件使用翻译法等同采用ISO19030-3:2016《船舶与海上技术船体和螺旋桨性能变化测量与本文件中规范性引用的国际文件有一致性对应关系的我国文件如下：——GB/T6072.1—2008往复式内燃机性能第1部分：功率、燃料消耗和机油消耗的标定及试验方法通用发动机的附加要求(ISO3046-1:2002,IDT)请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由全国船用机械标准化技术委员会(SAC/TC137)提出并归口。GB/T40523.3—2021/ISO19030-3:2016船体和螺旋桨性能指船舶水下船体和螺旋桨的状态与船舶以一定速度在水中移动所需动力之间的对船舶整体能效的影响。修理和改装活动定义一套相关的性能指标。这些方法并不适用于比较不同类型不同尺寸船舶(包括姐妹船)的性能，也不适用于监管架构。本文件包括三个部分。——GB/T40523.1概述了如何测量船体和螺旋桨性能变化的一般原则，并规定了用于船体和螺旋 —GB/T40523.2规定了测量船体和螺旋桨性能变化以及计算一组基本性能指标的默认方法，同时对各性能指标的预期精度进行指导。1GB/T40523.3—2021/ISO19030-3:2016船舶与海上技术船体和螺旋桨性能变化本文件规定了默认方法的替代方法。其中一些方法会降低整体精度，但提高了标准的适用性。有本文件概述的一般原则和定义的性能指标适用于采用固定螺距螺旋桨的所有船舶类型，目的是比较同一艘船舶船体和螺旋桨性能随时间推移而发生的变化。本文件第4章规定了测量参数(主要参数和次要参数)的替代方法，第5章规定了替代的测量程序(包括替代的参考期和评估期),第6章规定了性能指标的计算，第7章规定了性能指标精度的评估，与GB/T40523.2—2021结构类似，以便于这两个标准之间的交叉引用。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文本文件。GB/T40523.1—2021船舶与海上技术船体和螺旋桨性能变化测量第1部分：总则(ISO19030-GB/T40523.2—2021船舶与海上技术船体和螺旋桨性能变化测量第2部分：默认方法(ISO19030-2:2016,IDT)ISO3046-1往复式内燃机性能第1部分：功率、燃料消耗量和滑油消耗量和试验方法说明通用内燃机的附加要求(Reciprocatinginternalcombustionengines—Performance—PartDeclarationsofpower,fuelandlubricatingoilconsumptions,andtestmethods—Additionalrequire-mentsforenginesforgeneraluse)3术语和定义GB/T40523.1—2021和GB/T40523.2—2021界定的术语和定义适用于本文件。2GB/T40523.3—2021/ISO4.2主要测量参数的替代GB/T40523.1—2021的4.1规定了船体和螺旋桨性能测量的两个主要参数，分别是对水航速和螺旋桨收到功率。GB/T40523.2—2021中第4章规定了测量这两个参数的传感器的最低要求。如果无法测量主要参数或无法满足传感器的最低要求，可以用近似测量参数替代。与默认方法相比，会导致精度降低。表1汇总了有关替代参数。4.2和4.3描述的替代和估计对精度的影响。速度数据应以米每秒(m/s)计算，或从节转换为米每秒，转换系数为1knot=0.5144m/s。表1主要测量参数的传感器替代方法参数替代测量方法单位对水航速对地航速(SOG)GPS/北斗导航系统计算m/s收到功率估算收到功率的替代方法(不同于GB/T40523.2—2021的附录B和附录C)GB/T40523.2—2021的附录B和附录C的替代4.2.2对水航速的替代测量(对地航速测量)通过测量对地航速，可以近似获得船舶对水航速。对地航速测量通常可以直接从GPS或北斗导航系统获得，也可以根据GPS或北斗导航系统提供的信息按公式(1)进行计算。由于水流的影响，使用对地航速作为替代会引入不确定度。这种不确定度将影响所有船舶，但在不同程度上取决于航行区域和船舶遇到水流速度与船舶对水航速相似的程度(例如，水流速度大于船舶对水航速的10%)。GB/T40523.2—2021的附录A估计了使用此替代方法相关的不确定度的影响。式中：Vd——速度损失百分比；vm——测量的对水航速，单位为米每秒(m/s);当对地航速用于替代时，对地航速直接代替了GB/T中规定的对水航速(vm)(单位为m/s)。40523.2—2021中5.4.7.2公式(1)和公式(3)船舶对地航速是衡量船体和螺旋桨性能变化的一个重要指标。这些数据宜尽可能地真实和精确。当没有船舶对地航速自动记录系统时，需要另一种测量、计算和记录船舶对地航速的方法。当需要人工记录时，宜尽可能保持测量之间的间隔。在计算每一段时间的航行距离时，应考虑如何测量航行距离，所使用的方法应记录清楚。为确保性能值的最小不确定度，在用于确定速度的时间内，速度和吃水应保持大致恒定。应形成一个明确的计算程序，以确保测量和计算的一致性。3GB/T40523.3—2021/ISO19030-3:20164.2.3替代收到功率(GB/T40523.2—2021中附录B和附录C估算收到功率的替代方法)4.2.3.1一般要求GB/T40523.2—2021附录B是估算收到功率的默认方法之一，规定了使用质量或体积流量计从燃油消耗数据估算收到功率的方法。替代方法考虑了质量或体积流量计数据不可用的情况。替代方法假定采用传统的两冲程主机直连螺旋桨(无齿轮箱)、无轴带发电机(动力输出)的推进系统。燃油消耗应针对主机，不应包括辅机、锅炉或回路的燃油消耗。每个样品周期内的平均收到功率Pp采用公式(2)计算，与GB/T40523.2—2021中公式(C.1)相同： (2)式中：MFoc——主机耗油量，单位为千克每小时(kg/h);LCV———燃油的低热值，单位为兆焦耳每千克(MJ/kg);fSFOC参考曲线。除了传感器固有的不确定度外，使用这种替代方法会带来相当大的额外不确定度。这主要是由于燃油质量变化的影响，燃油质量测量的精度(详见下面的章节),以及SFOC随时间的变化对发动机的影响，这些都很难控制。与使用此替代方法相关的不确定度影响见GB/T40523.1—2021的附录A。4.2.3.2获取燃油消耗质量(Mroc)并估算其不确定度当自动化系统不能自动测量燃油消耗时，可以考虑其他替代方法，其选择取决于船上安装的可用设备。当需要人工记录时，不论是油箱物理测深或采取人工读数，测量的时间间隔应尽可能保持一致，频率不低于每天一次，计算平均参数时考虑时区变化的影响。用于测量的任何仪表均应妥善维护，定期检测和校准保证其精度。人工测深时，应考虑船舶纵倾和横倾。应采用一致的规范化流程对油箱进行准确的物理测深。对于容积式流量计和测深仪，应遵循GB/T40523.2—2021中附录C的规定进行温度和密度修正。测量燃油消耗所采用的油箱测深和流量计方法，有关的不确定度来源包括：——船舶运动、纵倾和/或横倾引起的测量误差，人工记录或总燃油消耗计算错误、不同油箱物理测深时间的误差，燃油消耗测量的浪费(污泥)、油箱尺寸的不确定度，温度和密度的测量和修正计算的误差；——流量计测量不确定度，温度、密度测量和修正计算的误差；——由燃油流入和流出量的差异计算燃油消耗量而产生的误差。4.2.3.3估算SFOC如果可行，SFOC曲线应基于特定发动机的实际工厂试验，涵盖所有相关的发动机收到功率范围，并根据ISO3046-1对环境因素进行修正，正常燃油为42700kJ/kg。如果所涉及的特定发动机的实际工厂试验无法覆盖所有相关的发动机收到功率范围，则应从发动机制造商处获得给定的发动机类型的SFOC特性。4GB/T40523.3—2021/ISO19030-3:2016为了使参考条件具有可比性并用于滤波和归一化程序，环境参数和船舶的运行参数均应测量。为此，GB/T40523.2—2021的4.3定义了每个次要参数测量和传感器的最低要求。如果无法测量这些参数或传感器无法满足最低要求，可以使用替代方法比较参考条件并用于滤波在某些情况下，可以不使用替代方法，则需要修改参考条件标准(GB/T40523.2—2021中6.3.2定表2传感器替代的归一化程序和参考条件标准测量替代方法风速精度低于GB/T40523.2—2021规定的风速计吃水在港口直接观察或推导吃水(船头和船尾)水深根据电子海图和(D)GPS/北斗导航系统获得的船舶航迹进行计算舵角如根据GB/T40523.2—2021规定测量相对风速的传感器精度不符合要求，可用较低精度的传感器代替。其他方面均应遵循GB/T40523.2—2021规定的程序。影响。这些记录应反映有关期间的典型风况。船舶在海上的吃水可由装载仪记录。输入应反映船舶起航时的状况，或可从观察到的港口吃水和与使用此替代方法相关的不确定度影响见GB/T40523.1—2021的附录A。一起记录。5测量程序的替代方法5GB/T40523.3—2021/ISO19030-3:2016GB/T40523.2—2021的5.2规定应以每隔15s(0.07Hz)或以上的频率同时记录数据，并使用数据采集系统(如数据采集器)采集记录数据。如果无法使用此频率的数据采集系统，允许采用第4章描述——主要测量参数(转速、通过轴扭矩/转速或燃料消耗量得出的功率)应在整个测量期间取平均值。——应尽可能以与主要测量参数相同的采样频率采集次要测量参数，或不少于一天一次。除风速为了指导性能测量，在第7章中讨论了两个不同的采样和平均周期(频率根据GB/T40523.2—2021表2和日频率)对性能值不确定度的影响。注2:较低的数据采集频率在很多方面增加了不确定度。它减少了用于计算平均性能值的可用的数据点的数量，增加了相关的主要参数平均值(如使用的平均速度和功率由于取样期间改变操作引起的重大变化)的不确定度。这两个对性能指标不确定度的影响均包含在GB/T40523.1—2021中附录A的不确定度处理中。数据存储应按GB/T40523.2—2021中5.3的程序进行。数据准备一般应符合GB/T40523.2—2021中5.4的要求。如果采集频率为每10min一次或更高，数据应根据GB/T40523.2—2021中5.4.5的程序进行滤波和验证。如果数据采集的间隔时间长于数据可能近似稳定的时间段(如中午数据),数据的低频率也会影响验证过程所需的数据集，GB/T40523.2—2021附录J。对于性能值(PVs)的计算，应遵循GB/T40523.2—2021中5.4.7定义的程序。如果外部来源的不同负载条件下的速度-功率参考曲线可用，但不包括相关的中间吃水范围，则应通过可用曲线之间的插值或采用公认的功率估算方法来估算附加的速度-功率曲线。应记录这些曲线是如何形成的。6GB/T40523.3—2021/ISO19030-3:2016如果没有外部来源提供速度-功率参考曲线，则速度-功率参考曲线应采用下列一种(或多种组合)方法从运行数据中提取：只有在符合GB/T40523.2—2021中第4章和第5章规定的测量参数和测量程序的情况下，才能使用这两种方法。应采用以下步骤：a)接通自动驾驶仪并设置最小舵角模式(保持在运行状态);b)按照预期速度级别(从最低转速开始)调整主机转速；c)等待大约30min,直到转速水平稳定；d)开始记录时间(持续记录标记),至少记录1h,无任何外部条件的改变；e)结束记录时间(持续记录标记);f)根据预期速度级别(下一个更高的速度级别)调整主机转速；g)重复c)～f),直到完成给定负载条件下的一组运行记录。在一种负载条件下以三种速度水平运行一组完整的记录所需的稳定状态的最少时间约为6h。a)数据应在尽可能短的时间间隔内采集且不超过6个月；b)采集数据应考虑参考期和评估期，包括有代表性的速度等级和负载条件(吃水和纵倾);c)水下船体和螺旋桨的状态没有显著变化。b)平静海域：试验应在风平浪静的海域进行，尽量减少船舶的运动。应定义并记录“平静海域”获得收到功率的方法，以及传感器的最低要求和每个传感器精度，分别在GB/T40523.2—2021的附录B和附录C中规定。对于给定的负载条件每一速度级别的数据集应根据GB/T40523.2—2021的附录I对异常值进行7筛选，并根据附录J进行验证。还应根据GB/T40523.2—2021中6.3.2定义的参考条件进行滤波。对收到功率进行滤波后，应按照GB/T40523.2—2021的附录G中规定的方法对风阻进行修正。每个负载条件下得到的数据，拟合成速度-功率曲线，并将该曲线作为所述负载条件下的速度-功率参考曲线。应记录拟合该曲线的数学形式。下面的曲线拟合方法作为示例，该方法采用了速度-功率关系的简单形式，如公式(3)所示：P=aVb (3)式中：P收到功率(风修正):α和b——数据校准常数。通过取两侧的对数线性化模型进行曲线拟合，曲线拟合模型如公式(4)所示：log(P)=log(a)+blog(V)+e (4)通过线性最小二乘法拟合[log(V),log(P)]空间的一条线，可以得到参数log(α)和log(b)。如果使用另一种形式的功率模型或另一种拟合程序，应记录功率模型和拟合程序，并提供实测数据与拟合曲线的可视化图。生成的速度-功率曲线的判定系数(R²值)应大于0.8。判定系数应根据公式(5)计算：…式中：Pm——测量(风阻修正)的收到功率读数；P,——观测均值。6性能指标计算(PIs)本章讨论如何根据从准备好的数据集中提取性能值(PVs)来计算GB/T40523.1—2021中定义的不同性能指标(PIs)。注：性能指标是按速度标注的。性能指标的功率计算方法见GB/T40523.2—2021的附录K。6.2性能指标的定义本文件使用的四个性能指标的定义与GB/T40523.2—2021中表3相同。6.3性能指标计算6.3.1总体要求下面的步骤与GB/T40523.2—2021中6.3相同，适用于每个性能指标(PI)的计算：——建立参考期和评估期；8GB/T40523.3—2021/ISO19030-3:2016——从符合参考期和评估期参考条件的性能值完整集中提取性能值子集；——计算PI;——评估PI的精度。6.3.2确定参考条件用于滤波数据的参考条件是可用数据和测量频率的函数(如传感器的函数)。如果可能，应采用GB/T40523.2—2021规定的参考条件。如果不可行，应考虑变化。不论获取数据的频率如何，均应满足下列条件：——水温高于2℃,没有迹象显示船舶在冰上航行；——水深取公式(6)和公式(7)中的较大值：h=3√B·TM (6) (7)——收到功率应在可用的速度-功率参考曲线覆盖的功率值范围内；—-—排水量应在可用的速度-功率参考曲线的排水量值的±5%以内；——如使用GB/T40523.2—2021中附录C或本文件中使用燃料消耗量测量的替代方法估算收到功率，则估算的收到功率应在可用的SFOC曲线所涵盖的功率值范围内。此外，如果能获得所需的主要参数和次要参数的高频测量值(如每5min一次),则参考条件为舵角绝对值小于5°。6.3.3参考期和评估期的确定以及替代方法GB/T40523.2—2021的6.3.3确定了Va,et和Va,ewa的计算周期并定义了每个性能指标。但在某些情况下，测量船体和螺旋桨性能的时间比规定的时间或短或长，例如在定期租船期间。若Va,e和Vd,ca的计算周期不超过一年，参考期和评估期的选择应能代表船舶可能遇到的所有操作和环境条件。时间的长短应取决于船舶、作业区域和作业人员。6.3.4从满足参考期和评估期参考条件的性能指标的完整集中提取性能值的子集提取程序见GB/T40523.2—2021的6.3.4。计算过程见GB/T40523.2—2021的6.3.5。7性能指标(PIs)的精度使用性能指标(PIs)并用于决策的程度，取决于不确定度对每个性能指标精度的影响程度。7.2标准组合或主要参数、次要参数及测量程序的详细信息前面的章已指出与默认方法的各个替代方法相关的附加不确定度。本章说明了计算多个替代方法9GB/T40523.3—2021/ISO19030-3:2016对性能值精度的联合影响过程。因此，表3定义了四种不同替代方法组合方案。表3主要测量参数、次要测量参数和测量程序三种标准变化方案方法速度收到功率测量频率纵倾/吃水水深舵角风速及风向速度日志(按GB/T40523.2—第3部分燃料消耗替代(按GB/T40523.3—2021的4.1.2)GB/T40523.2—计算机读取或通过吃水读数计算(按GB/T40523.2—回声测深仪(按GB/T40523.2—舵角指示器(按GB/T40523.2—风速计(按GB/T40523.2—对地航速(按GB/T40523.3—2021的4.1.1)扭矩仪和转速表(按GB/T40523.2—GB/T40523.2—计算机读取或通过吃水读数计算(按GB/T40523.2—回声测深仪(按GB/T40523.2—舵角指示器(按GB/T40523.2—风速计(按速度日志(按GB/T40523.2—扭矩仪和转速表(按GB/T40523.2—每天(按GB/T40523.3—2021的5.1)计算机读取或通过吃水读数计算(按GB/T40523.2—回声测深仪(按GB/T40523.2—无(按GB/T40523.3—2021的4.2)风速计(按对地航速(按GB/T40523.3—2021的4.1.1)第3部分燃料消耗替代(按GB/T40523.3—2021的4.1.2)每天(按GB/T40523.3—2021的5,1)计算机读取或通过吃水读数计算(按GB/T40523.2—回声测深仪(按GB/T40523.2—无(按GB/T40523.3—2021的4.2)风速计(按7.3平均性能值的不确定度评估性能值的不确定度既是测量传感器不确定度的函数，也是测量过程的函数。GB/T40523.1—2021的附录A规定了估计主要和次要传感器测量精度变化影响的方法，并规范了测量程序。该方法结合数为了简化技术和操作参数范围并使建模足够简单，便于计算，提出若干假设。表4列出了这些假设和理由，并在GB/T40523.1—2021的附录A中进行了更详细的说明。表4假设汇总表假设对PI(偏差/精度/或两者)的影响是否包含理由样本量精度是传感器精度精度是GB/T40523.3—2021/ISO19030-3:2016表4假设汇总表(续)假设对PI(偏差/精度/或两者)的影响是否包含理由传感器偏差偏差和精度否假设两个时间段之间的偏差是恒定的，可抵消。偏差对精度的影响很小，可忽略不计传感器漂移偏差和精度否假设传感器可校准/维护速度变化/天偏差否假设三个月内，日速度的可变性被抵消运行状态偏差否假设三个月内运行状态一致时间效应-P增加偏差否假设与时间成线性关系时间效应-V损失精度否微不足道(如：90天内，V损失由40%变为5%,不确定度降低了0.29%)模型误差偏差：在参考期和评估期，如果操作条件相同，模型误差可以忽略不计。如果不相同，就会产生显著的偏差。精度：模型误差也会对精度产生一定的影响否假设速度、吃水、纵倾和功率数据来源严格，所使用的数据能很好地反映船舶实际性能人为错误偏差和精度否不可量化a)通过蒙特卡罗仿真计算的性能不确定度估计值与通过检测实测数据得到的性能不确定度估计b)这些假设是参考期和评估期的共同假设，因此应通过使用性能指标来消除这些假设，性能指标关注的是相对性能而不是绝对性能。依据GB/T40523.1—2021的附录A中表A.2规定的传感器测量精度假定，四个标准的不确定度分析方法见表3,95%置信区间的不确定度见表5(“真”值落在表5中列值范围的概率为95%)。图1显示了根据表5得到的性能指标不确定度的上下限。本文件中仿真参数和假设应针对具有代表性的船舶类型和尺寸。特殊船舶的技术和操作配置采用3个月6个月12个月GB/T40523.2—2021的方法GB/T40523.3—2021的方法-1GB/T40523.3—2021的方法-2GB/T40523.3—2021的方法-3GB/T40523.3—2021的方法-44.57%GB/T40523.3—2021/IS