趙瑞嘉， 謝新連， 李猛， 魏照坤

(大連海事大學(xué) 綜合運(yùn)輸研究所，遼寧 大連 116026)

基于任務(wù)要求的海警船船型論證

趙瑞嘉， 謝新連， 李猛， 魏照坤

(大連海事大學(xué) 綜合運(yùn)輸研究所，遼寧 大連 116026)

為使海警船性能滿足新形勢(shì)的要求，建立以滿足任務(wù)要求且使單位投資與使用成本最低為目標(biāo)的海警船船型論證模型.利用回歸分析方法找到船舶主尺度的變化規(guī)律和船舶主要要素對(duì)投資與使用成本的影響規(guī)律.利用該模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶主尺度的優(yōu)化.以一艘設(shè)計(jì)排水量為4 500 t的海警船為例進(jìn)行船型論證，并將論證結(jié)果與國(guó)外類似船舶進(jìn)行比較，分析差異及差異產(chǎn)生的原因.結(jié)果驗(yàn)證了該模型的合理性與實(shí)用性，表明該模型能夠?yàn)楹＞恼撟C選型提供決策支持.

海警船； 任務(wù)要求； 船型論證； 船舶主尺度

0 引 言

中國(guó)海警局負(fù)責(zé)海上維權(quán)和綜合執(zhí)法工作，主要職責(zé)包括管護(hù)海上邊界，防范打擊海上走私、偷渡、販毒等違法犯罪活動(dòng)，維護(hù)國(guó)家海上安全和治安秩序，負(fù)責(zé)海上重要目標(biāo)的安全警衛(wèi)，處置海上突發(fā)事件，在我國(guó)管理海域?qū)嵤┲伟病⑿淌?、緝私、漁業(yè)、海洋環(huán)境保護(hù)、海域使用、海島保護(hù)等維權(quán)執(zhí)法活動(dòng)，維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益和海上安全穩(wěn)定.海警船是中國(guó)海警海上巡航、執(zhí)法、捍衛(wèi)國(guó)家主權(quán)的必要裝備，是海警局實(shí)力的體現(xiàn).隨著海上維權(quán)斗爭(zhēng)形勢(shì)的日益嚴(yán)峻，海警船在毗連區(qū)、專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)巡航執(zhí)法的頻率逐步增加，對(duì)海警船性能也提出更高的要求.[1]在海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略背景下，我國(guó)原有的海警船數(shù)量、性能都難以滿足新形勢(shì)的要求，需要基于任務(wù)要求論證提出性能更好的海警船船型.所謂任務(wù)要求是指：為保證海警船具有較強(qiáng)的快速反應(yīng)能力，對(duì)海警船航速提出要求(有時(shí)希望航速越快越好)；為保證海警船能夠在遠(yuǎn)離岸基海域正常巡航、執(zhí)法，需要適當(dāng)提高負(fù)載燃油能力.在進(jìn)行海警船船型論證時(shí)，必須優(yōu)先考慮并滿足這類任務(wù)要求.

船型論證是新型船舶設(shè)計(jì)建造的基礎(chǔ)與前提，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程.長(zhǎng)期以來(lái)，專家學(xué)者在船型論證方面做了大量的研究工作，但大多是針對(duì)商船[2-6]的.對(duì)于公務(wù)船的研究主要有：高成男等[7]通過(guò)證據(jù)推理法提出了大型海事巡邏救助船船型選擇方法；楊立波等[8]對(duì)船舶主要性能要求進(jìn)行論證，提出海事巡邏船主要指標(biāo)和功能定位；趙福波等[9]開發(fā)了一種基于海事轄區(qū)面積、特點(diǎn)、風(fēng)險(xiǎn)、巡航任務(wù)、監(jiān)管要求的海事船舶配備數(shù)量計(jì)算方法.然而，對(duì)不以經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)的海警船船型論證方面的研究還比較欠缺.在我國(guó)周邊海域爭(zhēng)端不斷的形勢(shì)下，盡管國(guó)家加大了對(duì)海上執(zhí)法力量——中國(guó)海警的資金投入力度，仍需要在滿足海上維權(quán)執(zhí)法任務(wù)要求的前提下，實(shí)現(xiàn)船舶投資與使用成本最低的目標(biāo).

1 海警船船型論證模型建立

基于任務(wù)要求在海警船船型論證中的特殊性，以及船舶投資、使用成本高，影響其性能和經(jīng)濟(jì)性的因素眾多等特點(diǎn)，前期選型時(shí)需要用適當(dāng)?shù)姆椒▽⒋斑@個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)模型化，逐步探尋更好的解，最終得到各方面指標(biāo)和綜合性能都較好的船型方案.

1.1 船舶技術(shù)參數(shù)確定

1.1.1 船舶主尺度確定

船舶的主尺度主要包括船長(zhǎng)(L)、船寬(B)、型深(D)、設(shè)計(jì)吃水(T)和方形系數(shù)(Cb)等.通過(guò)對(duì)世界各國(guó)軍艦、海警船等的排水量、船長(zhǎng)、船寬的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸分析，獲得了船長(zhǎng)和船寬與船舶排水量(Δ)之間的關(guān)系[10]，見(jiàn)圖1和2.

圖1 船長(zhǎng)與船舶排水量的回歸關(guān)系圖2 船寬與船舶排水量的回歸關(guān)系

在根據(jù)任務(wù)要求確定船舶排水量后，船長(zhǎng)可按照統(tǒng)計(jì)式(1)估算：

(1)

同理，船寬可按照式(2)估算：

(2)

為驗(yàn)證船長(zhǎng)和船寬與排水量回歸模型的合理性與有效性，分析回歸模型的誤差范圍.選取船型樣本中5艘船的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，見(jiàn)表1.從表1中可以看出，通過(guò)回歸模型計(jì)算得到的船長(zhǎng)和船寬誤差較小，驗(yàn)證了該回歸模型的合理性與有效性.

表1 船長(zhǎng)和船寬回歸模型驗(yàn)證

船舶的主尺度比是體現(xiàn)船體幾何形狀特征的重要參數(shù)，與船舶的航海性能有密切關(guān)系：長(zhǎng)寬比L/B∈[amin,amax]，該值越大，船體越瘦長(zhǎng)，船舶快速性和航向穩(wěn)定性越好，但其回轉(zhuǎn)半徑會(huì)增大；長(zhǎng)深比L/D∈[bmin,bmax]，該值增大，船體縱向強(qiáng)度越低；長(zhǎng)吃水比L/T∈[cmin,cmax]，該值越大，船舶回轉(zhuǎn)性能越差；寬深比B/D∈[dmin,dmax]，該值越大，船體橫向強(qiáng)度越低；寬吃水比B/T∈[emin,emax]，該值越大，船舶穩(wěn)性越好，但其耐波性變差，航行阻力增加；深吃水比D/T∈[fmin,fmax]，該值越大，干舷越高，抗沉性越好，大傾角穩(wěn)性越好；方形系數(shù)Cb∈[hmin,hmax]，該值越小，越有利于減緩船舶在海浪中的縱搖，改善快速性與耐波性.方形系數(shù)與排水量和主尺度相關(guān)，可由式(3)計(jì)算:

(3)

式中：γ為水的重度；k1為船體附體因數(shù).

1.1.2 主機(jī)額定功率確定

在基于任務(wù)要求確定船舶設(shè)計(jì)航速后，尋找與設(shè)計(jì)船船體幾何線型相似、速度范圍相近的船作為參考船，依據(jù)式(4)估算設(shè)計(jì)船主機(jī)的額定功率：

(4)

其中：Δ為參考船的排水量；v為船舶設(shè)計(jì)航速；C為海軍系數(shù).

1.1.3 空船質(zhì)量估算

在方案論證階段，可以將空船質(zhì)量分解為船體鋼料質(zhì)量(Mh)[12]、舾裝設(shè)備質(zhì)量(Mf)和機(jī)電設(shè)備質(zhì)量(MM)等3部分分別估算，其中Mh和Mf與船舶主尺度的關(guān)系分別為

(5)

(6)

式中：λ1，λ2，β，φ，φ都是根據(jù)軍艦和海警船等實(shí)船統(tǒng)計(jì)出的經(jīng)驗(yàn)值.

圖3 高速柴油機(jī)質(zhì)量與 功率的回歸關(guān)系

海警船一般采用高速柴油機(jī)作為發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)對(duì)MAN,CAT等公司的大量高速柴油機(jī)的質(zhì)量和功率數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，獲得高速柴油機(jī)質(zhì)量與功率之間的關(guān)系，見(jiàn)圖3.

根據(jù)式(4)確定主機(jī)功率后，可通過(guò)式(7)估算主機(jī)質(zhì)量.

(7)

為驗(yàn)證主機(jī)質(zhì)量與主機(jī)功率回歸模型的合理性與有效性，分析回歸模型的誤差范圍，選取高速柴油機(jī)樣本中5種型號(hào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，見(jiàn)表2.從表2可以看出,通過(guò)回歸模型計(jì)算得到的主機(jī)質(zhì)量估計(jì)值與實(shí)際值誤差較小，說(shuō)明該回歸模型合理、有效.

表2 主機(jī)質(zhì)量與主機(jī)功率的回歸模型驗(yàn)證

1.1.4 各種負(fù)載質(zhì)量的估算

船舶負(fù)載能力是保證船舶正常航行以及執(zhí)行任務(wù)的承重能力，主要包括船員及其行李質(zhì)量、食品質(zhì)量、淡水質(zhì)量、燃油質(zhì)量、滑油質(zhì)量、備品及供應(yīng)品質(zhì)量、執(zhí)法裝備質(zhì)量等.這些分項(xiàng)質(zhì)量可以在綜合考慮對(duì)設(shè)計(jì)船的要求和實(shí)船相應(yīng)部分的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上確定.如燃油質(zhì)量可按式(8)估算：

(8)

式中：k3為考慮儲(chǔ)備等因素的因數(shù)；g0為主機(jī)額定耗油率；R為續(xù)航力；vs為巡航速度.

1.2 船舶成本指標(biāo)計(jì)算

1.2.1 造價(jià)估算

在方案論證階段，按照空船質(zhì)量的分解方式，可將船舶造價(jià)分為船體造價(jià)、舾裝造價(jià)、機(jī)電造價(jià)等3部分進(jìn)行估算:

(9)

式中：k4為考慮其他費(fèi)用等因素的因數(shù)；ph為船體鋼料單位質(zhì)量造價(jià)；pM為機(jī)電設(shè)備單位功率造價(jià)；pf為舾裝設(shè)備單位質(zhì)量造價(jià).

1.2.2 年使用總成本計(jì)算

在使用船舶過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各種費(fèi)用，主要包括：船員費(fèi)用S1,折舊費(fèi)S2,年修理費(fèi)S3,年保險(xiǎn)費(fèi)S4,年燃油費(fèi)S5,潤(rùn)料費(fèi)S6,物料費(fèi)S7,管理費(fèi)及其他費(fèi)用S8.[13]這些分項(xiàng)的費(fèi)用可以參照實(shí)船的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)或市場(chǎng)行情進(jìn)行估算，如

(10)

式中：k5為包含其他油耗等因素的因數(shù)；Cf為燃油價(jià)格；t為年使用時(shí)間.因此,單船年使用總成本YC為

(11)

1.2.3 單位使用成本

為衡量船舶使用成本差異，以便對(duì)不同船型進(jìn)行比較，引入單位使用成本評(píng)價(jià)指標(biāo)Cper,用于表示單位排水量單位航行距離分?jǐn)偟哪晔褂每偝杀荆?/p>

(12)

采用單位排水量成本進(jìn)行比較，是因?yàn)椴煌芭潘看嬖诓町?，進(jìn)行單位化處理可以減小排水量差別造成的影響；采用單位使用時(shí)間成本進(jìn)行比較，是因?yàn)椴煌暗膶?shí)際使用時(shí)間不同，進(jìn)行單位化處理可以減小使用時(shí)間差別帶來(lái)的影響；采用航速(這里指設(shè)計(jì)航速)成本進(jìn)行比較，是因?yàn)椴煌剿傧麓笆褂贸杀静煌?，高航速?huì)對(duì)成本產(chǎn)生不利影響，畢竟在很多情況下海警船是追求高航速的.

1.3 船舶主尺度優(yōu)化模型建立

基于上述分析，建立在滿足任務(wù)要求的前提下使船舶單位使用成本最低的主尺度優(yōu)化模型[14-15].

minCper

(13)

s.t.

(14)

(15)

amin≤L/B≤amax

(16)

bmin≤L/D≤bmax

(17)

cmin≤L/T≤cmax

(18)

dmin≤B/D≤dmax

(19)

emin≤B/T≤emax

(20)

fmin≤D/T≤fmax

(21)

hmin≤Cb≤hmax

(22)

imin≤FrV≤imax

(23)

L,B,D,T,Cb,v≥0

(24)

2 實(shí)例計(jì)算

2.1 船舶技術(shù)參數(shù)及使用費(fèi)用計(jì)算

設(shè)執(zhí)法任務(wù)需要一型排水量4 500 t，續(xù)航能力12 000 n mile，設(shè)計(jì)航速25 kn的海警船，求能滿足使用要求且使船舶單位使用成本最低的船舶主尺度方案.根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)獲得的海警船主尺度一般應(yīng)滿足如下經(jīng)驗(yàn)比例關(guān)系[10]：L∈[138.275-4.865,138.275+4.865]，B∈[15.437-0.691,15.437+0.691]，F(xiàn)rV∈[1.0,3.0]，Cb∈[0.3,0.6]，L/B∈[7,9]，L/D∈[12,16]，L/T∈[18,23]，B/D∈[1.75,2.20]，B/T∈[2.0,3.5]，D/T∈[1.4,1.6].

根據(jù)海警船和軍艦的實(shí)船統(tǒng)計(jì)，一般情況下式(5)和(6)中的λ1=0.155 87，λ2=0.096 26，β=1.5，φ=0.61，φ=0.16.按照常規(guī)方法確定技術(shù)參數(shù)的取值后，取與成本有關(guān)的指標(biāo)值為：ph=24 500元/t，pM=1.1×107元/MW，pf=29 400元/t；每名船員平均年費(fèi)用9.72 萬(wàn)元；折舊期20 a，殘值為原值的10%；年修理費(fèi)取造價(jià)的1.5%；燃油價(jià)格取1 648元/t，年均航行時(shí)間取1 600 h；潤(rùn)料費(fèi)取燃料費(fèi)的8%；物料費(fèi)取燃、潤(rùn)料費(fèi)的10%；管理費(fèi)及其他費(fèi)用占總使用費(fèi)的15%.

參考美國(guó)“傳奇”級(jí)國(guó)家安全巡防艦WMSL750的數(shù)據(jù)(排水量Δ0=4 178 t,主機(jī)額定功率PM0=14.8 MW,設(shè)計(jì)航速v0=28 kn)，用式(4)計(jì)算得到設(shè)計(jì)船型的主機(jī)功率PM=11.07 MW.

綜合以上數(shù)據(jù)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)編程求解船舶主尺度優(yōu)化模型，得到最優(yōu)解，見(jiàn)表3.

表3 船舶主尺度最優(yōu)值

根據(jù)式(5)～(8)計(jì)算出空船質(zhì)量和負(fù)載質(zhì)量等其他技術(shù)參數(shù),結(jié)合式(9)～(12)計(jì)算出船舶年使用總成本等指標(biāo)，見(jiàn)表4.

2.2 對(duì)比分析

選取WMSL750和日本“敷島”級(jí)PLH型巡視船作為對(duì)照船型進(jìn)行分析.

從表5可以看出：設(shè)計(jì)船型與WMSL750巡防艦在排水量、船長(zhǎng)、船寬和吃水上都比較接近，但設(shè)計(jì)船型的航速較低，所需的主機(jī)功率和年使用總成本均顯著低于WMSL750巡防艦；設(shè)計(jì)船型與PLH型巡視船相比排水量較小，在航速相同的情況下，所需主機(jī)功率較低，年使用總成本也較低;設(shè)計(jì)船型Cper指標(biāo)高于PLH型巡視船，其中一個(gè)原因是PLH型巡視船的排水量較大，船舶年使用總成本增長(zhǎng)的幅度低于排水量增加的幅度.通過(guò)與國(guó)外船舶的對(duì)比可以看出,設(shè)計(jì)船型在技術(shù)參數(shù)方面是可行的，在成本指標(biāo)上是合理的.

表4 其他技術(shù)參數(shù)和成本最優(yōu)值

表5 設(shè)計(jì)船型與國(guó)外船舶的對(duì)比

3 結(jié) 論

針對(duì)海警船的特點(diǎn)，提出一種在滿足任務(wù)要求前提下的海警船船型論證模型，較好地解決了海警船的船型論證問(wèn)題，論證方法具有實(shí)用性和參考價(jià)值.在船舶技術(shù)參數(shù)方面，采用回歸分析的方法計(jì)算出船舶主尺度的可行區(qū)間,估算出主機(jī)質(zhì)量；在船舶投資使用費(fèi)用指標(biāo)方面，提出針對(duì)海警船的船舶造價(jià)和使用成本的計(jì)算方法，并定義一種衡量海警船單位使用成本的評(píng)價(jià)指標(biāo)；利用船舶主要要素對(duì)投資與使用成本的影響，建立以船舶單位使用成本最低為目標(biāo)的船舶主尺度優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶主尺度的優(yōu)化.以一艘排水量為4 500 t的海警船為例進(jìn)行船型論證，得到了船舶主尺度優(yōu)化解，進(jìn)而計(jì)算出船舶的其他技術(shù)參數(shù)和使用成本，并將結(jié)果與國(guó)外類似船舶進(jìn)行了對(duì)比，分析了差異產(chǎn)生的原因，驗(yàn)證了該模型的正確性與可行性.

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(編輯 賈裙平)

Ship type evaluation of coastguard ships under mission requirements

ZHAO Ruijia, XIE Xinlian, LI Meng, WEI Zhaokun

(Integrated Transport Institute, Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning, China)

To make the function of coastguard ships meet requirements of the new situation, the ship type evaluation model of coastguard ships is put forward with the objective of meeting the mission requirements and making unit investment and operation cost lowest. The regression analysis method is adopted to find out variation rules of ship main dimensions and influencing rules of ship main factors on the investment and operation cost. Ship main dimensions can be optimized by the model. A coastguard ship with designed displacement of 4 500 t is taken as an example to carry out the ship type evaluation. The evaluation result is compared with foreign similar ships, and the differences and the causes of the differences are analyzed, which shows that the model is reasonable and practical, and can provide decision support for ship type evaluation selection of coastguard ships.

coastguard ship; mission requirement; ship type evaluation; ship main dimensions

10.13340/j.jsmu.2017.01.004

1672-9498(2017)01-0016-05

2016-08-30

2016-11-22

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(3132016358)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20102125110002)

趙瑞嘉(1993—)，男，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸規(guī)劃與管理,(E-mail)jia9292@163.com; 謝新連(1956—)，男，遼寧大連人，教授，博導(dǎo)，博士，研究方向?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸規(guī)劃與管理，(E-mail)xx-lian77@yahoo.com

U692.6;U674.242

A