陶冶，奚海波，王建彬，于紅，吳俊峰，賈復(fù)

(1．大連海洋大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧大連116023;2．大連復(fù)源船舶工程有限公司，遼寧大連116023)

纖維增強塑料簡稱玻璃鋼 (fiber reinforce plastics，F(xiàn)RP)，具有強度高、密度小、抗沖擊性能優(yōu)異、加工設(shè)計工藝簡單、壽命長、耐腐蝕與蟲蛀、維修性突出和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，目前已被世界各國捕撈漁業(yè)廣泛采用。近幾年，各類FRP漁船及相關(guān)船艇發(fā)展較快，近海中小型捕撈漁船已經(jīng)成為玻璃鋼應(yīng)用和研究的重要方向［1］。

為了能夠正確分析FRP漁船的經(jīng)濟性特征，2008年中國農(nóng)業(yè)部漁船檢驗局提出設(shè)計節(jié)能型FRP漁船的任務(wù)，由于遼寧省近海捕撈漁船種類較多，大約95%左右為木質(zhì)漁船，因此，農(nóng)業(yè)部漁船檢驗局將該工作任務(wù)側(cè)重于遼寧省。通過對大連、營口、葫蘆島、錦州等地的漁民及船廠進行多次調(diào)研和考察，獲得的主要反饋情況如下:(1)漁民和捕撈部門對FRP漁船需求很迫切，特別是受近海鄰國 (韓國、日本)漁船廣泛采用FRP材料的影響，提高了對FRP漁船的認可度; (2)FRP投入和運營資金問題，如貸款、補助和漁港建設(shè)等;(3)對FRP漁船最優(yōu)船型和經(jīng)濟性分析。近些年來，農(nóng)業(yè)部在船檢、貸款、補貼和保險費等方面出臺了不少優(yōu)惠政策，很大程度上緩解了漁民的顧慮。但是在FRP漁船最經(jīng)濟船型的研究方面，目前國內(nèi)外尚缺乏相關(guān)報道，原因是國內(nèi)漁船建造部門主要參考了鋼質(zhì)母型船的船型，以傳統(tǒng)的性能設(shè)計為主［2-3］，并沒有考慮FRP漁船在其壽命期中的經(jīng)濟性特征。事實上，與木質(zhì)、鋼質(zhì)漁船相比，F(xiàn)RP漁船的一些經(jīng)濟性指標變量，如造價、漁船壽命、維修費用、折舊費用等對漁船的經(jīng)濟性影響程度是不同的［4］。為此，本研究中以中國北方近海小型FRP拖網(wǎng)漁船為例，建立了該類型漁船的技術(shù)經(jīng)濟性數(shù)學(xué)模型，并比較和分析了FRP漁船的上述幾種指標與傳統(tǒng)漁船的差異及其計算方法，旨在為FRP最優(yōu)船型論證提供技術(shù)模型和依據(jù)。

1 FRP拖網(wǎng)漁船的技術(shù)經(jīng)濟方程

對近海FRP拖網(wǎng)漁船的技術(shù)經(jīng)濟分析，可分為船舶技術(shù)性能設(shè)計和經(jīng)濟性設(shè)計兩個方面。通過建立FRP船舶的技術(shù)經(jīng)濟方程，可將上述兩方面設(shè)計有效結(jié)合。在模型中不僅包含船舶基本性能約束條件，同時還兼具經(jīng)濟性目標和約束函數(shù)。主要方程表述如下。

(a)單船網(wǎng)次產(chǎn)量。

其中:qi為i漁場單船平均網(wǎng)次產(chǎn)量;ki為i漁場資源情況系數(shù);PB為主機功率 (kW)。

(b)漁艙容積。

其中:Vfi為i漁場的漁艙容積 (m3);VF為漁船實際的漁艙容積 (m3);ni為作業(yè)天投網(wǎng)次數(shù)，根據(jù)實際調(diào)研統(tǒng)計分析，ni通常取為2．5網(wǎng)次左右;ti為作業(yè)總時間 (d)，與遠洋捕撈作業(yè)不同，由于近海捕撈漁場與漁港的距離普遍較近，因此，近海小型拖網(wǎng)漁船大部分采用冰鮮保鮮，其保鮮時間上限為14 d左右，在實際作業(yè)中，受到漁場資源和經(jīng)濟性的影響，拖網(wǎng)捕撈的作業(yè)天數(shù)要遠小于該數(shù)值，在計算時近海漁船作業(yè)時間ti可取為4～5 d;Sf為魚獲物積載因數(shù)，即單位質(zhì)量所占體積，一般取 Sf=1．8 ～2．0(m3/t)［5］。

考慮到拖網(wǎng)漁船在其壽命期中，作業(yè)漁場往往是不確定的。因此，漁船的實際艙容VF應(yīng)為各個漁場Vfi(1≤i≤n)的函數(shù)，應(yīng)用中可先分別計算出各個漁場的Vfi，并利用優(yōu)化算法在區(qū)間 ［Vfmin，Vfmax］中尋優(yōu)，即可獲得漁船的實際艙容。

當計算出漁船的最佳艙容后，可利用下式換算成船舶立方數(shù)VLBH［5］:

公式 (4)僅適用于近海小型單甲板拖網(wǎng)漁船。

(c)排水量和耗油量。

其中:Δ為排水量;CL為空船質(zhì)量系數(shù) (t/m3)，由于中國近海鋼質(zhì)拖網(wǎng)冰鮮漁船無加工設(shè)備，且隔熱設(shè)備又基本相同，因此，CL較為穩(wěn)定，一般取0．23 ～ 0．25［5］，雖然 FRP 的密度通常為鋼材的20%～25%，然而對于FRP拖網(wǎng)漁船 (柱間長為20～30 m)而言，其漁撈設(shè)備和固定壓載所占的比例較高 (45%～50%)，該部分所占的質(zhì)量并不會受是否采用FRP材質(zhì)的影響［6］，F(xiàn)RP的CL系數(shù)一般比鋼質(zhì)漁船低17%～20%，計算時可取為0．19～0．20;pp為工況系數(shù);O為燃油及潤滑油質(zhì)量 (t)，通常由主機、輔機功率和自持力確定;W為淡水質(zhì)量 (t);F為食品質(zhì)量 (t);M為全體船員及行李質(zhì)量 (t);Wn為網(wǎng)具質(zhì)量 (t)，根據(jù)主機功率確定;Wb為備品質(zhì)量 (t)，取空船質(zhì)量的0．3% ～0．5%;WC為煤的質(zhì)量 (t)，根據(jù)船員數(shù)和自持力選取;GM為單個船員及行李質(zhì)量 (t);Ms為船員人數(shù);Wi為載冰量 (t)，其計算公式為

式中ai為載冰量系數(shù)，圖1給出了3種類型拖網(wǎng)漁船 (船長24 m)載冰量系數(shù)和載冰量的對比情況。

從圖1可以看出，在載魚量相同的前提下，ai木和ai鋼相差不大，其數(shù)值一般可取0．7左右。對于FRP拖網(wǎng)漁船而言，由于FRP材質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)低，具備很好的保溫特性，因此，F(xiàn)RP漁船需要配置的載冰質(zhì)量僅為木質(zhì)或鋼質(zhì)漁船質(zhì)量的70%～80%，在經(jīng)濟方程中，其載冰量系數(shù)計算公式如下:

圖1 3種類型拖網(wǎng)漁船載冰和載冰量系數(shù)的對比Fig.1 Comparison of ice loads and ice load coefficient among three types of trawlers

其中:vs為服務(wù)航速 (kn);D為設(shè)計排水量 (t);L為垂線間長 (m);tSi為漁港至漁場的航行時間(d);Si為漁港至漁場的距離 (km);K3為安全系數(shù);K4為主機每千瓦小時耗油量［t/(kW·h)］;Mi為全年往返漁場次數(shù);QOi為漁場i的主機耗油量(t);QO為主機總耗油量 (t);g1為潤滑油每瓦特小時耗油量［t/(W·h)］;PA為輔機功率 (kW);QH為總潤滑油耗油量 (t);t1、t2分別為主機、輔機工作時間 (h);Kv為FRP航速影響系數(shù) (kn)，考慮到FRP拖網(wǎng)漁船空船質(zhì)量較小，表面光潔度高，阻力小，拖力大，航速要優(yōu)于木質(zhì)、鋼質(zhì)漁船，Kv可取為 0．8～1．0 kn。從式 (12)可以看出，服務(wù)航速的提高，降低了漁港至漁場的航行時間t，從而進一步降低了漁船的油耗。一般情況下，近海小型FRP拖網(wǎng)漁船均具有較好的節(jié)油性，實際作業(yè)中能較鋼質(zhì)漁船節(jié)油5%～8%。

(d)費用和利潤。

其中:Qf為年漁獲量 (t);P為年利潤 (萬元);Fp為魚價 (萬元/t);Ca為漁撈年費用 (萬元);Op為油價 (萬元/t);OHP為潤滑油價 (萬元/t);Sa為船員工資 (元);RC為年維修費 (萬元);Me為年管理費 (萬元);OLd為年折舊費 (萬元);IC為保鮮冰費 (萬元);Ne為網(wǎng)具費 (萬元);n為漁船壽命 (年);PNPV為凈現(xiàn)值 (萬元);Iv為初始投資 (萬元)，即拖網(wǎng)漁船造價與網(wǎng)具成本;0．1代表殘差，取初始投資Iv的10%;SI為FRP拖網(wǎng)漁船造價 (萬元);Hn為網(wǎng)具成本 (萬元);(P/A，i，n)為年金現(xiàn)值系數(shù);(P/F，i，n)為復(fù)利現(xiàn)值系數(shù)。

2 FRP漁船經(jīng)濟影響因素特征分析

(1)造價SI。將3種材質(zhì)的拖網(wǎng)漁船造價相比較，通常為SI木＜SI鋼＜SIFRP。

在實際計算中，F(xiàn)RP漁船的造價可以根據(jù)漁船主尺度參數(shù)估算，或者采用漁船資產(chǎn)評估方法——市場比較法獲得，其計算公式［7］如下:

其中:(SI)M和(VLBH)M為同類型的已交易 (或待交易)FRP漁船的市場造價;(VLBH)R和(SI)R為當前FRP漁船立方數(shù)和參照市場估算后的造價。

此外，在缺乏相關(guān)資料情況下，近海小型FRP拖網(wǎng)漁船的造價大約可以取為木質(zhì)漁船的1．5倍，或者相當于鋼質(zhì)拖網(wǎng)漁船造價的1．2倍。在技術(shù)經(jīng)濟論證中，通常使用造價系數(shù)C估算船型主尺度相似漁船的造價情況，其計算公式如下:

從式 (21)可見，造價系數(shù)的基本含義代表單位體積立方數(shù)的漁船價格，圖2為固定其他影響因素，而以造價系數(shù)為變量所得的凈現(xiàn)值和航速的變化關(guān)系曲線。從圖2可見:(1)航速對3種拖網(wǎng)漁船的凈現(xiàn)值有較大的影響，表現(xiàn)為高航速時，隨著航速的增加凈現(xiàn)值下降較快，而在低航速區(qū)間時，隨著航速的增加凈現(xiàn)值緩慢上升，3種變化曲線均存在一個最滿意凈現(xiàn)值對應(yīng)航速范圍，即最佳航速區(qū);(2)3種拖網(wǎng)漁船的最佳航速區(qū)域不同，表現(xiàn)為FRP漁船航速較低，木質(zhì)漁船航速較高，而鋼質(zhì)漁船居中，即隨著造價的下降，最佳航速向航速增大的方向移動;(3)3種拖網(wǎng)漁船在相同航速下，凈現(xiàn)值依次為木質(zhì)漁船＞鋼質(zhì)漁船＞FRP漁船。

從圖2還可以看出，如果單純考慮造價系數(shù)，F(xiàn)RP漁船更高的造價對凈現(xiàn)值的影響是負面的。需要注意的是上述結(jié)論是在固定了其他影響因素，僅僅考慮造價系數(shù)的影響情況下給出的。

圖2 航速對3種漁船凈現(xiàn)值的影響曲線Fig.2 Curves on effect of vson PNPVin three kinds of fishing vessels

(2)年維修費RC。年維修費是拖網(wǎng)漁船每年塢修費用與航修費用之和，通常根據(jù)母型船的資料計算，如果缺乏資料，也可采用下式估算:

式中，ar為年維修費用系數(shù)。

圖3為3種拖網(wǎng)漁船對船 (船長24 m，功率96 kW)的造價與年維修費用系數(shù)的對比情況。3種拖網(wǎng)漁船的年維修費用系數(shù)以木質(zhì)漁船最高，鋼質(zhì)漁船次之，而FRP漁船最小。其主要原因是木質(zhì)拖網(wǎng)漁船在海水中容易出現(xiàn)變質(zhì)、腐爛和蛆蛀現(xiàn)象，而鋼質(zhì)拖網(wǎng)漁船受到海水侵蝕后，也更容易生銹，因此，在壽命期中上述兩類漁船都需要進行多次維修，而FRP拖網(wǎng)漁船材料本身具有耐腐蝕、高強度的優(yōu)勢，通常僅需在水線面以下進行維修即可，能夠大大降低維修費用和難度［8］。因此，木質(zhì)、鋼質(zhì)漁船維修費用要遠大于FRP漁船，在計算時近海小型FRP拖網(wǎng)漁船的年度維修系數(shù)可取木質(zhì)或鋼質(zhì)拖網(wǎng)漁船的1/8和1/10左右，即

圖3 3種類型拖網(wǎng)漁船造價系數(shù)與年維修系數(shù)的對比Fig.3 Comparison of the price(C)and maintenance coefficient(ar)in three types of trawlers

(3)漁船壽命n。目前，近海拖網(wǎng)漁船的技術(shù)經(jīng)濟論證中，木質(zhì)拖網(wǎng)漁船壽命一般取10年，而鋼質(zhì)拖網(wǎng)漁船取15年［9］，但是對于FRP拖網(wǎng)漁船，國內(nèi)尚缺乏相關(guān)資料。根據(jù)國外的相關(guān)報道，如果維修處理得當?shù)脑?，F(xiàn)RP拖網(wǎng)漁船的使用壽命可以達到30～40年［4］。考慮到中國目前國內(nèi)的基礎(chǔ)材料和維修技術(shù)情況，F(xiàn)RP拖網(wǎng)漁船使用壽命在論證中可以定為25年左右。

(4)年度折舊費OLd。盡管FRP拖網(wǎng)漁船的造價高，一次性投入要大于木質(zhì)和鋼質(zhì)漁船的投資規(guī)模，但由于FRP拖網(wǎng)漁船的壽命較長，因此，從年度折舊費方面來看，F(xiàn)RP漁船具有較好的經(jīng)濟性。本研究中，3種拖網(wǎng)漁船對船 (船長24 m，功率96 kW)采用直線法折舊，殘值為10%的年度折舊費如下:FRP漁船大約為3．9萬元，而木質(zhì)和鋼質(zhì)漁船分別為6．5和5．8萬元，可明顯看出，F(xiàn)RP拖網(wǎng)漁船年度折舊費要遠低于其他兩種漁船。

(5)保鮮冰費IC。保鮮冰費等于載冰量與制冰價的乘積，根據(jù)式(8)和(9)可知，F(xiàn)RP漁船的年耗冰費一般相當于木質(zhì)和鋼質(zhì)漁船的75%左右。

(6)其他費用。其他費用主要包括船員工資Sa、年管理費用Me、網(wǎng)具費用Ne等，通?？筛鶕?jù)漁獲量并依據(jù)水產(chǎn)企業(yè)資料統(tǒng)計求得?？紤]到不同類型的漁船相差不大，因此不再贅述。

3 結(jié)論與展望

近海小型FRP拖網(wǎng)漁船的經(jīng)濟技術(shù)方程，主要借鑒了系統(tǒng)工程學(xué)原理，將漁船設(shè)計與漁場資源、漁港和漁業(yè)市場各因素間建立了關(guān)聯(lián)，最后利用經(jīng)濟評價指標 (凈現(xiàn)值)來評價漁船設(shè)計方案的優(yōu)劣。在經(jīng)濟方程中，多數(shù)經(jīng)濟指標變量，例如，油耗、航速、漁船壽命、保鮮冰費、維修費用和折舊費用對FRP拖網(wǎng)漁船經(jīng)濟性是有利的，僅造價指標對經(jīng)濟性的影響是負面的。

此外，為了滿足相關(guān)部門對最優(yōu)FRP船型決策的需要，可利用本研究中提出的經(jīng)濟方程，創(chuàng)建以凈現(xiàn)值、噸魚油耗、投資回收年限、年產(chǎn)量為最優(yōu)目標的多目標優(yōu)化模型［10］，并以主機功率、自持力等為決策變量，借助目前成熟的優(yōu)化算法，在可行解空間中搜索，即可在多個設(shè)計方案中選出技術(shù)可行、經(jīng)濟最優(yōu)的FRP船型方案，該方法也是今后研究的重點。

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