張光發(fā)， 安海聽， 劉 鷹， 李明智

(1大連海洋大學(xué)航海與船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2大連海洋大學(xué)水產(chǎn)設(shè)施養(yǎng)殖與裝備技術(shù)工程研究中心，遼寧 大連 116024)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，優(yōu)質(zhì)水產(chǎn)品需求日益增大，據(jù)估計(jì)，到2030年將有2 000萬t的水產(chǎn)品缺口需要彌補(bǔ)[1]。隨著中國(guó)近海漁業(yè)資源日益枯竭，國(guó)家對(duì)捕撈的嚴(yán)格限制，同時(shí)受到陸源性污染，水域環(huán)境惡化，水質(zhì)惡劣，內(nèi)陸和沿海近岸的養(yǎng)殖空間受到擠壓，水產(chǎn)品供應(yīng)和安全問題日益突出。在深遠(yuǎn)海，有優(yōu)質(zhì)的水源，適宜的洋流性水溫，極少陸源性污染與病害等[2]。深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖拓展了現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖的新空間，也是維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益、爭(zhēng)取發(fā)展空間的重要戰(zhàn)略手段[3]。發(fā)展深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖，是否具有可靠的養(yǎng)殖裝備是養(yǎng)殖成敗的關(guān)鍵。

早在20世紀(jì)80—90年代，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家提出了發(fā)展大型養(yǎng)殖工船的理念[4]。養(yǎng)殖工船集養(yǎng)殖、加工、儲(chǔ)藏、育苗、看護(hù)周圍網(wǎng)箱于一體，可實(shí)現(xiàn)由“捕”向“養(yǎng)”的轉(zhuǎn)變[5]。歐美等國(guó)家進(jìn)行了諸多實(shí)踐，并取得了良好的效益[6-8]。法國(guó)與挪威合作建成了一艘長(zhǎng)270 m的養(yǎng)殖工船，總排水量10萬t，有7 000 m3養(yǎng)魚水體，年產(chǎn)鮭魚3 000 t。因?yàn)轲B(yǎng)殖魚產(chǎn)品需求有限，養(yǎng)殖的綜合條件與發(fā)展中國(guó)家相比不具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，所以未形成主體產(chǎn)業(yè)。中國(guó)養(yǎng)殖工船研究是以舊船為母型船進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)起步的，并對(duì)改造方案進(jìn)行了探索研究[9-11]。蔡計(jì)強(qiáng)等[12]對(duì)10 萬噸級(jí)深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖平臺(tái)進(jìn)行了總體技術(shù)研究，形成了規(guī)模化養(yǎng)殖、繁育、加工及漁船補(bǔ)給和物流等功能的技術(shù)方案。

對(duì)于散貨船改裝養(yǎng)殖工船，利用散貨船艙容量大的特點(diǎn)，模仿工業(yè)化養(yǎng)魚[13]，結(jié)合循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)[14-15]，對(duì)散貨船的貨艙和甲板進(jìn)行改造，變貨艙為養(yǎng)殖艙，變甲板為具有加工、育苗等功能的車間，實(shí)現(xiàn)舊船利用，更加經(jīng)濟(jì)。對(duì)于船舶技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，以往是針對(duì)傳統(tǒng)的運(yùn)輸船和漁船，對(duì)變水層拖網(wǎng)漁船進(jìn)行船型論證，編寫通用程序[16]。作為一種新型船舶，目前對(duì)養(yǎng)殖工船經(jīng)濟(jì)論證的報(bào)道較少。為輔助養(yǎng)殖工船的改造設(shè)計(jì)，在深入調(diào)查的基礎(chǔ)上，建立散貨船改造養(yǎng)殖工船技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證的數(shù)學(xué)模型，開發(fā)論證系統(tǒng)軟件，得到適合于養(yǎng)殖工船方案的優(yōu)選船型。

1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證模型

1.1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證參數(shù)

由于養(yǎng)殖工船是由散貨船改裝的，無法改變船舶的主尺度，因此通過選擇養(yǎng)殖工船的載重量以確定所選取散貨船的主尺度并進(jìn)行改造。養(yǎng)殖工船與運(yùn)輸船舶相比，船上養(yǎng)殖裝備、養(yǎng)殖魚價(jià)格和養(yǎng)殖魚密度對(duì)其經(jīng)濟(jì)性影響較大。所以，選擇載重量、魚價(jià)和養(yǎng)殖密度作為參數(shù)。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

散貨船的主尺度、船型系數(shù)、空船質(zhì)量等技術(shù)參數(shù)是根據(jù)大量實(shí)船資料，通過統(tǒng)計(jì)分析得出[17]。在數(shù)學(xué)模型建立過程中，首先根據(jù)世界上不同類型散貨船制作相應(yīng)的散點(diǎn)圖，觀察各參數(shù)之間呈現(xiàn)的關(guān)系，分別應(yīng)用一元線性、多元線性和非線性回歸程序進(jìn)行擬合，最終得出以下數(shù)學(xué)模型。

(1)散貨船主尺度模型。表1為散貨船主尺度數(shù)學(xué)模型。

表1 散貨船主尺度數(shù)學(xué)模型

注：DW為散貨船的養(yǎng)殖工況載重量

(2)浮力重力平衡。散貨船經(jīng)改裝后增加了養(yǎng)殖、加工冷藏、育苗等設(shè)備和廠房，增加了空船質(zhì)量，需要對(duì)浮力和重力進(jìn)行校核；重力與浮力的平衡是利用方形系數(shù)Cb來調(diào)整的，在兩者平衡的情況下，方形系數(shù)計(jì)算公式為：

(1)

式中：Cb—方形系數(shù)；Δ—排水量，m3；γ—海水的密度，取為1.025 t/m3；k—船體外板的膨脹系數(shù)，取為1.003；LBP—垂線間長(zhǎng)，m；B—型寬，m;T—吃水深度，m。

1.3 經(jīng)濟(jì)計(jì)算模型

(1)凈現(xiàn)值(NPV)。凈現(xiàn)值是衡量養(yǎng)殖工船投資能否收回的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，按式(2)計(jì)算。

NPV=(AAI-Y)×PA-PV+L×PF

(2)

AAI=O×Emax

(3)

式中：NPV—凈現(xiàn)值，萬元；AAI—養(yǎng)殖工船平均年收益，萬元；Y—養(yǎng)殖工船年總費(fèi)用，萬元；PA—等額現(xiàn)值因數(shù)；PV—養(yǎng)殖工船船價(jià)現(xiàn)值，萬元；L—養(yǎng)殖工船殘值，萬元；PF—現(xiàn)值因數(shù)；O—養(yǎng)殖魚價(jià)格，萬元/t；Emax—年最大養(yǎng)殖水產(chǎn)品產(chǎn)量，t。

(2)養(yǎng)殖效果系數(shù)(M)。養(yǎng)殖工船單位養(yǎng)殖成本所能獲得的利潤(rùn)，該指標(biāo)能同時(shí)反映養(yǎng)殖年利潤(rùn)與年養(yǎng)殖成本，其值越大，方案越合理，但難以反映資金周轉(zhuǎn)的速度。M值按式(4)計(jì)算。

(4)

式中：M—養(yǎng)殖效果系數(shù)；R—養(yǎng)殖工船年利潤(rùn)，萬元；Y—養(yǎng)殖工船年總費(fèi)用，萬元。

(3)投資回收期(PBP)。改造的養(yǎng)殖工船養(yǎng)殖所得收益，償還其投資所需時(shí)間，按式(5)計(jì)算。

(5)

式中：PBP—投資回收期，年；P—初始投資(舊船價(jià)格和改裝費(fèi))，萬元；A—年收益，萬元；i—投資收益率。

1.4 其他模型

(1)養(yǎng)殖工船年非漁業(yè)養(yǎng)殖成本，指養(yǎng)殖工船在一年周期里用于維持正常養(yǎng)殖所支出費(fèi)用的總和，包括折舊費(fèi)。折舊費(fèi)取初始投資的8%，維修費(fèi)取初始投資的3%，保險(xiǎn)費(fèi)取初始投資的1%，船員工資為每人10萬/年，其他費(fèi)用占年非漁業(yè)養(yǎng)殖成本的4%。養(yǎng)殖工船使用年限為20年。

(2)初始投資(P)，指養(yǎng)殖工船以散貨船為母型船的船價(jià)與改裝、養(yǎng)殖設(shè)備等費(fèi)用總和。舊散貨船按直線折舊法計(jì)算折舊剩余的賬面價(jià)值[18]。調(diào)研獲知改裝和養(yǎng)殖裝備的總費(fèi)用約為2 326萬元。

(3)養(yǎng)殖工船年產(chǎn)量估算(即年最大養(yǎng)殖水產(chǎn)品產(chǎn)量Emax)，在養(yǎng)殖工況下，養(yǎng)殖水體體積占養(yǎng)殖艙容的80%，按式(6)計(jì)算：

Emax=ρ×V×80%×k×G/1000

(6)

式中：Emax—年最大養(yǎng)殖水產(chǎn)品產(chǎn)量，t；ρ—養(yǎng)殖密度，尾/m3；V—養(yǎng)殖艙容，m3；k—存活率,%;G—每尾魚的質(zhì)量，kg/尾。

1.5 敏感性分析

論證中，將養(yǎng)殖魚的存活率、魚價(jià)、年養(yǎng)殖成本作為不確定性因素進(jìn)行處理。先按在養(yǎng)殖工況(養(yǎng)殖工船、魚的品種)不變的情況作為固定值進(jìn)行論證，然后對(duì)其進(jìn)行敏感性分析，分別計(jì)算其對(duì)各經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響趨勢(shì)及大小，并對(duì)影響比較大的因素進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算分析，求出臨界值。

2 養(yǎng)殖工船技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 論證系統(tǒng)概況

養(yǎng)殖工船論證系統(tǒng)用VB語言程序開發(fā)[19]。VB語言簡(jiǎn)單易學(xué)，采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)技術(shù)，界面友好，使程序開發(fā)更加迅速、簡(jiǎn)捷。本文開發(fā)的論證系統(tǒng)采用比較通用的參數(shù)分析法(即網(wǎng)格法)[18]進(jìn)行船型方案決策。先選擇優(yōu)化參數(shù)(即設(shè)計(jì)變量)，通過調(diào)研，對(duì)這些設(shè)計(jì)變量的范圍進(jìn)行設(shè)定，并按照一定的步長(zhǎng)組合成一系列設(shè)計(jì)方案，對(duì)每個(gè)方案進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的計(jì)算，選取一定的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，在比較的基礎(chǔ)上評(píng)價(jià)選優(yōu)。系統(tǒng)在技術(shù)上考慮船舶浮態(tài)、穩(wěn)性，經(jīng)濟(jì)上考慮造價(jià)、年養(yǎng)殖成本、投資回收期、養(yǎng)殖效果系數(shù)、凈現(xiàn)值作為經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，具體求解適合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)要求的散貨船船型方案以及養(yǎng)殖魚的參數(shù)。

參數(shù)及指標(biāo)計(jì)算的程序流程圖如圖1所示。

圖1 程序流程圖

2.2 程序模塊

通過對(duì)論證模型的抽象，基于上述論證計(jì)算方法和內(nèi)容，設(shè)計(jì)程序結(jié)構(gòu)。根據(jù)程序功能要求，程序主要?jiǎng)澐譃?種模塊。

(1)參數(shù)輸入模塊。在此模塊中，把論證所需的數(shù)據(jù)，如養(yǎng)殖工船的載重量、養(yǎng)殖密度、魚價(jià)等技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)范圍，校核參數(shù)數(shù)據(jù)、改造成本費(fèi)用、養(yǎng)殖裝備費(fèi)用和其他經(jīng)濟(jì)參數(shù)(如船員及其工資等)。

(2)系統(tǒng)計(jì)算優(yōu)化模塊。該模塊為系統(tǒng)核心部分，是利用輸入的參數(shù)數(shù)據(jù)、約束條件以及上文所述的數(shù)學(xué)模型，對(duì)各噸級(jí)的養(yǎng)殖工船進(jìn)行技術(shù)性能的計(jì)算和校核，剔除不合理方案。并計(jì)算各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)參數(shù)，論證各方案的船舶經(jīng)濟(jì)性能，輸出計(jì)算結(jié)果，并有結(jié)果打印、保存功能。

(3)敏感性分析模塊，即參數(shù)敏感性分析模塊。選擇敏感性參數(shù)，輸入波動(dòng)值，選擇論證方案進(jìn)行敏感性分析計(jì)算。

(4)數(shù)據(jù)輸出模塊，即處理數(shù)據(jù)輸出。

3 模擬應(yīng)用

利用散貨船改裝養(yǎng)殖工船系統(tǒng)，在水溫適宜且溫差較小的海域，有適合養(yǎng)殖的優(yōu)質(zhì)水質(zhì)，如中國(guó)的南海美濟(jì)礁，全年水溫25 ℃，鹽度幾乎不變，無污染，海水透明度高[20]，適合養(yǎng)殖名貴暖水魚。以養(yǎng)殖珍珠龍膽石斑魚為例，其養(yǎng)殖周期10個(gè)月，養(yǎng)殖密度81尾/m3，養(yǎng)殖存活率84.9%，平均體質(zhì)量約1 kg/尾，市場(chǎng)平均價(jià)89元/kg，漁業(yè)投入產(chǎn)出比1∶2[21]?？紤]市場(chǎng)變化因素，魚價(jià)取市場(chǎng)平均價(jià)的85%。輸入養(yǎng)殖工船的經(jīng)濟(jì)參數(shù)和載重量范圍為1～10萬t。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 養(yǎng)殖工船設(shè)計(jì)方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證結(jié)果

由表2可知，輸出的養(yǎng)殖工船載重量從3萬t開始，也就是說，選擇的散貨船載重量要大于3萬t，否則成本可能無法回收，不符合要求。本文選擇養(yǎng)殖工船載重量6萬t，其船型為常見的巴拿馬型散貨船，選取不確定因素如魚價(jià)、存活率、成魚平均質(zhì)量，在其他養(yǎng)殖工況不變的情況下進(jìn)行敏感性分析。輸出結(jié)果見表3～表5。

表3 魚價(jià)的影響

表4 存活率的影響

表5 年養(yǎng)殖成本的影響

對(duì)表3～表4進(jìn)行線性分析，當(dāng)魚價(jià)降低19%，即魚價(jià)61.4元/kg，養(yǎng)殖效果系數(shù)0.1，投資回收周期為19年，凈現(xiàn)值148.2萬元，所以，魚價(jià)應(yīng)大于61.4元/kg，才對(duì)養(yǎng)殖有利。當(dāng)魚的存活率減少47%(即存活率39%)、密度36尾/m3時(shí)，養(yǎng)殖效果系數(shù)0.15，投資回收期為20年，凈現(xiàn)值45.6萬元。所以，只有當(dāng)魚的養(yǎng)殖密度大于36尾/m3時(shí)，才對(duì)養(yǎng)殖工船有利。對(duì)表5線性分析可知，年養(yǎng)殖成本不是影響經(jīng)濟(jì)性的主要因素(本文不對(duì)其詳細(xì)分析)。

4 結(jié)論

針對(duì)散貨船改裝養(yǎng)殖工船的特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和論證，開發(fā)了相關(guān)的論證系統(tǒng)軟件，得到了適合于散貨船改建養(yǎng)殖工船的優(yōu)選船型，論證了有關(guān)船舶的主尺度及各項(xiàng)養(yǎng)殖參數(shù)。以某型散貨船為計(jì)算實(shí)例，通過分析得到：經(jīng)濟(jì)性的養(yǎng)殖工船載重量應(yīng)大于3萬t，其主尺度為垂線間長(zhǎng)大于125.21 m，型深大于26.39 m，型寬大于14.58 m。利用敏感性分析模塊對(duì)存活率、魚價(jià)進(jìn)行敏感性分析得到：存活率應(yīng)大于39%(即存活養(yǎng)殖密度大于36尾/m3)，魚價(jià)應(yīng)大于61.4元/kg。

□

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