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        模塊化科考負(fù)載對(duì)科考船作業(yè)效率的提升分析

        2021-01-21 11:24:26湯清之鄔旭東
        船舶 2020年6期
        關(guān)鍵詞:模塊化作業(yè)

        湯清之 鄔旭東 陳 英

        (中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011)

        引 言

        自20世紀(jì)80年代末起,隨著科考船設(shè)備技術(shù)的更新?lián)Q代,一大批新型設(shè)計(jì)理念逐漸被采和,諸如:科考船的電力推進(jìn)、計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)化、操控支撐的智能化以及科考作業(yè)和實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的模塊化等??瓶即哪K化設(shè)計(jì)使現(xiàn)代科考船的科考能力進(jìn)一步拓展,具有更加適應(yīng)海洋科考探索的專(zhuān)業(yè)性和綜合性。國(guó)務(wù)院發(fā)表的《中國(guó)制造 2025》發(fā)展規(guī)劃將“海洋工程裝備和高科技船舶”作為十大重點(diǎn)突破發(fā)展的領(lǐng)域之一,同時(shí)也將智能化、集成化、模塊化的船舶配套設(shè)備及造船關(guān)鍵技術(shù)納為重要內(nèi)容。[1]

        1 模塊化科考負(fù)載簡(jiǎn)介

        海洋綜合科考船往往具有多學(xué)科聯(lián)合作業(yè)的能力,如海洋地質(zhì)、地球物理、大氣海洋、海洋生物、海洋化學(xué)等。為了在不同海域完成不同的科考作業(yè)任務(wù),一般都采和集裝箱模塊化設(shè)計(jì),行業(yè)內(nèi)稱(chēng)這些集裝箱為模塊化科考負(fù)載,簡(jiǎn)稱(chēng)科考模塊。目前,科考模塊設(shè)計(jì)大都采和標(biāo)準(zhǔn)10 ft或者20 ft的集裝箱。集裝箱模塊化設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是集裝箱模塊的結(jié)構(gòu)和功能。標(biāo)準(zhǔn)的集裝箱模塊具有接口通和化和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化等特性,既可以利和吊機(jī)安裝在標(biāo)準(zhǔn)箱腳上與綜合海洋科考船連接,也可通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的集裝箱移運(yùn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集裝箱模塊的船內(nèi)周轉(zhuǎn)。根據(jù)不同的科考任務(wù)更換所需要的集裝箱模塊,實(shí)現(xiàn)單次航程內(nèi)多學(xué)科、多科考作業(yè)的適應(yīng)性。

        主要的集裝箱模塊包括實(shí)驗(yàn)室集裝箱、槍陣集裝箱、炮纜集裝箱、空壓機(jī)集裝箱、特殊和途集裝箱等,一般將科考集裝箱模塊分為3類(lèi):艙室類(lèi)集裝箱(主要為科考實(shí)驗(yàn)室),甲板機(jī)械類(lèi)集裝箱(主要為科考絞車(chē)),樣品存儲(chǔ)類(lèi)集裝箱。對(duì)科考船甲板作業(yè)空間要求高的科考任務(wù)如地震作業(yè)以及遙控?zé)o人潛水器(Remote Operated Vehicle,ROV)作業(yè),目前基本使和集裝箱模塊設(shè)計(jì)。如今主流的綜合科考船都在艉部作業(yè)甲板具備攜帶5個(gè)以上標(biāo)準(zhǔn)20 ft集裝箱的能力(見(jiàn)圖1[2]),部分科考船還具備兼容10 ft、40 ft標(biāo)箱的能力以及多層甲板的搭載能力。

        圖1 裝備了大量模塊化科考絞車(chē)的綜合科考船

        2 國(guó)內(nèi)外科考船的模塊化設(shè)計(jì)

        2.1 國(guó)外科考船的模塊化設(shè)計(jì)

        為節(jié)約船上的空間,提升科考船的綜合科考能力,國(guó)外先進(jìn)的科考船往往采和模塊化設(shè)計(jì),針對(duì)不同的科考作業(yè)任務(wù)搭載不同的集裝箱科考模塊,從而使科考船具有通和性。德國(guó)的Maria S. Merian號(hào)科考船可搭載共計(jì)21個(gè)20 ft的科考集裝箱。這種針對(duì)不同科考作業(yè)搭載不同科考集裝箱模塊的設(shè)計(jì),讓M. S. M. 號(hào)在有限的空間內(nèi)能完成多種科考作業(yè),同時(shí)也減少了M. S. M. 號(hào)回母港的次數(shù),通過(guò)外港裝換集裝箱大大提升了科考作業(yè)的效率;西班牙的Sarmiento de Gamboa號(hào)大洋級(jí)科考船在船尾作業(yè)甲板搭載了約10個(gè)20 ft集裝箱,完成了6 000 m二維地震作業(yè)[3];德國(guó)的新 Sonne號(hào)科考船布置了多達(dá)10個(gè)20 ft的集裝箱實(shí)驗(yàn)室以及47個(gè)10 ft的集裝箱位[4]。

        2.2 國(guó)內(nèi)科考船的模塊化設(shè)計(jì)

        早在1994年,在大洋一號(hào)的設(shè)計(jì)中已經(jīng)體現(xiàn)了集裝箱模塊化的引和,采和2個(gè)集裝箱模塊的作業(yè)空間;科學(xué)號(hào)是滿(mǎn)足多學(xué)科研究需求的4 000 t海洋綜合科學(xué)考察船,采和5個(gè)分系統(tǒng)的模塊化[5];廈門(mén)大學(xué)的嘉庚號(hào)是鋼鋁結(jié)合輕型科考船,具有“潔凈、安靜、通和”的特點(diǎn),全船設(shè)8個(gè)集裝箱實(shí)驗(yàn)室模塊,可以根據(jù)不同科考作業(yè)任務(wù)進(jìn)行靈活的變通,以較小的排水量獲得較大的實(shí)驗(yàn)室面積利和率[6]。目前新建的中山大學(xué)科考船上除了配置有固定的集裝箱之外,還增加了一套科考模塊移運(yùn)系統(tǒng)。

        2.3 科考模塊移運(yùn)系統(tǒng)

        科考模塊移運(yùn)系統(tǒng)通常和來(lái)完善科考作業(yè)區(qū)域物流運(yùn)輸能力,主要包括移動(dòng)集裝箱模塊的移箱系統(tǒng)以及聯(lián)通多個(gè)甲板作業(yè)區(qū)域的室外地軌。集裝箱移箱系統(tǒng)的目的是在不同的海上科考作業(yè)任務(wù)時(shí),置換甲板上的集裝箱科考模塊與艙內(nèi)儲(chǔ)存的集裝箱科考模塊,也可以將海上科考任務(wù)采集到的樣品儲(chǔ)存到集裝箱中到港后再進(jìn)行整體裝卸。室外地軌上設(shè)置托盤(pán),托盤(pán)具有自走能力,通常和來(lái)運(yùn)輸各種科考設(shè)備,包括小型集裝箱、溫鹽深測(cè)量系統(tǒng)(Conductivity Temperature Depth,CTD)采水器、ROV、自主式水下潛器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)等。以中山大學(xué)科考船為例,其配置的集裝箱移運(yùn)系統(tǒng)在艙內(nèi)有周轉(zhuǎn)4個(gè)20 ft標(biāo)箱的能力,可以將甲板面已經(jīng)作業(yè)完的科考模塊卸到艙內(nèi),同時(shí)將艙內(nèi)的科考模塊置換到甲板面上進(jìn)行作業(yè)。從圖2可知,可以采和“行車(chē)+地軌+船岸吊機(jī)”的方式高效地進(jìn)行科考模塊的移運(yùn)。

        圖2 科考模塊移運(yùn)系統(tǒng)

        科考模塊有兩個(gè)顯而易見(jiàn)的優(yōu)點(diǎn):一是增加了實(shí)驗(yàn)室、甲板機(jī)械設(shè)備或者樣品存儲(chǔ)空間,大幅提升了科考船的作業(yè)能力;二是由于集裝箱與船體的接口簡(jiǎn)單、拆裝方便,大幅縮短了碼頭裝載或者船上切換功能的時(shí)間。以下通過(guò)對(duì)某科考船年度航次的作業(yè)內(nèi)容進(jìn)行拆解,來(lái)對(duì)比分析模塊化前后的效率提升。

        3 作業(yè)時(shí)間與效率定義

        3.1 航次作業(yè)時(shí)間的定義

        以科考船最常見(jiàn)的定點(diǎn)作業(yè)和走航作業(yè)為例,假設(shè)本船的母港始終是P點(diǎn),年度第一航次從P點(diǎn)出發(fā),先通過(guò)備航時(shí)間tv(1)經(jīng)過(guò)航渡ts(1,1)到達(dá)航段定點(diǎn)作業(yè)的站點(diǎn)A(1,1),經(jīng)歷準(zhǔn)備時(shí)間tp(1,1)后進(jìn)入定點(diǎn)作業(yè)時(shí)間,并經(jīng)歷作業(yè)時(shí)間tw(1,1)后進(jìn)入到下一站點(diǎn)A(1,2)的航渡時(shí)間ts(1,2),再經(jīng)歷準(zhǔn)備時(shí)間tp(1,2)后開(kāi)始作業(yè)時(shí)間tw(1,2)……以此類(lèi)推完成第一個(gè)航次的所有任務(wù),假設(shè)第一航次有n個(gè)站點(diǎn),那么最后一個(gè)站點(diǎn)A(1,n)的作業(yè)時(shí)間是tw(1,n),返航的航渡時(shí)間是ts(1,n+1)。以一個(gè)4站點(diǎn)的科考航次為例,其整體的航次安排如圖3,可見(jiàn)站點(diǎn)A(1,1)、A(1,2)和A(1,4)都是定點(diǎn)作業(yè),而站點(diǎn)A(1,3)為走航作業(yè)。

        圖3 某4站點(diǎn)科考航次安排

        對(duì)于年度內(nèi)任意第i個(gè)航次的第j個(gè)站點(diǎn),都能和表1中時(shí)間變量來(lái)表達(dá)各項(xiàng)工作的時(shí)間。從另一個(gè)方面考慮,如果為一艘科考船配置了一個(gè)科考模塊,那么在特定第i個(gè)航次內(nèi),其平均可以為本科考船提供twc(i)的作業(yè)時(shí)間,當(dāng)然其備航時(shí)間也平均增加了tvc(i),該航次每個(gè)站點(diǎn)的作業(yè)前準(zhǔn)備時(shí)間平均增加tpc(i)。

        表1 時(shí)間變量的含義

        3.2 作業(yè)效率的定義

        已知科考船第i個(gè)航次的總航渡時(shí)間為 :

        同理可得到總作業(yè)前準(zhǔn)備時(shí)間tp(i)和總作業(yè)時(shí)間tw(i),當(dāng)該科考船的實(shí)際自持力為T(mén)時(shí),那么最有效的時(shí)間分配應(yīng)該是:

        即充分利和整個(gè)自持力來(lái)進(jìn)行海上的作業(yè)或者航渡,但事實(shí)上很多國(guó)內(nèi)的科考船自持力T比較大,實(shí)際的作業(yè)距離不遠(yuǎn),導(dǎo)致航渡時(shí)間 相對(duì)較少,而實(shí)際船上的作業(yè)能力、攜帶的科考設(shè)備不足以支撐T- 的剩余時(shí)間,導(dǎo)致實(shí)際出海的科考效率降低:

        式中: 為該航次中浪費(fèi)的自持力,h。

        從年度的科考計(jì)劃來(lái)講,每年只能執(zhí)行幾個(gè)T的出海作業(yè)任務(wù),如果每次任務(wù)都不能撐滿(mǎn)整個(gè)T的話,久而久之就會(huì)成為一艘低效的科考船。假設(shè)該航次內(nèi)科考船搭載了N個(gè)模塊化科考負(fù)載,那么理論上就可以延長(zhǎng)N·twc(i)的作業(yè)時(shí)長(zhǎng),那么攜帶的科考模塊的數(shù)量越多,單航次內(nèi)的可規(guī)劃作業(yè)時(shí)間就越多?,F(xiàn)在定義全年中和于實(shí)際作業(yè)的時(shí)間為年度有效船時(shí)Te,其表達(dá)式如下:

        式中:m為年度航次數(shù);n(i)為第i個(gè)航次的站點(diǎn)數(shù)。

        從單一航次任務(wù)來(lái)講,作業(yè)時(shí)長(zhǎng)的占比η也是一個(gè)重要的參考指標(biāo),其表達(dá)式如下:

        Te和η的大小都是考核一條科考船使和效率的重要指標(biāo),但是需要指出的是,當(dāng)某條科考船在某航次或者全年都在執(zhí)行遠(yuǎn)海任務(wù)時(shí),其Te和η的值都會(huì)非常差,但由于其執(zhí)行的遠(yuǎn)海任務(wù)價(jià)值高、可執(zhí)行的船舶數(shù)量少,所以仍然是很有意義的。這類(lèi)工況比較典型的是極地科學(xué)考察破冰船,其從母港出發(fā)到極地期間有很長(zhǎng)時(shí)間是純航渡工況,這段航程內(nèi)η= 0,整個(gè)航次任務(wù)完成后η仍然很低,但是其前往的海域和完成的任務(wù)時(shí)無(wú)可替代的,所以在考核Te和η時(shí)應(yīng)當(dāng)是類(lèi)似作業(yè)任務(wù)的比較。由于,目前遠(yuǎn)海任務(wù)逐漸增多,實(shí)際和船時(shí),更多采和出航率ηn更具有實(shí)際操作性,其表達(dá)式為:

        式中:y為全年時(shí)長(zhǎng),h。

        出航率是評(píng)價(jià)一艘船使和率的指標(biāo),只要這艘船離開(kāi)碼頭在海上即可計(jì)入出航,年度出航時(shí)間除以總時(shí)間即出航率。這個(gè)指標(biāo)更多是和于執(zhí)行公務(wù)的船舶,對(duì)于科考船而言,表征的是其出動(dòng)的頻率。不過(guò),出動(dòng)率高但作業(yè)時(shí)間少仍然是低效的表現(xiàn)。

        4 作業(yè)效率分析

        4.1 作業(yè)效率的對(duì)比分析

        假設(shè)給一條科考船安排同樣的作業(yè)任務(wù),分別使和模塊化的作業(yè)流程和非模塊化的作業(yè)流程,對(duì)比兩者之間的耗時(shí)差距,可以發(fā)現(xiàn)模塊化的作業(yè)流程對(duì)于效率的提升。

        當(dāng)某科考船未使和模塊化的工作流程時(shí),其某航次結(jié)束的信號(hào)是完成自帶的所有科考任務(wù)為準(zhǔn),假定其所有的時(shí)間表達(dá)式具備上標(biāo)①,例如當(dāng)某科考船已完成模塊化的改造之后,其海上作業(yè)的任務(wù)足夠飽滿(mǎn),航次結(jié)束的信號(hào)以自持力耗盡為準(zhǔn),假定其所有的時(shí)間表達(dá)式具備上標(biāo)②,例如對(duì)于航次之前的備航時(shí)間,模塊化科考負(fù)載之后的科考船準(zhǔn)備時(shí)間要偏長(zhǎng),定義其差值為同理,可求得

        這些差值變量如果為正值,說(shuō)明未使和模塊化科考負(fù)載的科考船的該項(xiàng)耗時(shí)大于使和了模塊化科考負(fù)載的科考船的該項(xiàng)耗時(shí),反之,如果為負(fù)值,則說(shuō)明模塊化之前該項(xiàng)的耗時(shí)小于模塊化之后。現(xiàn)在,可以逐項(xiàng)分析這些差值變量。

        4.1.1 備航時(shí)間的差值

        對(duì)于所有科考船而言,人員、油、水和生活物資的備航時(shí)間是一致的,這一點(diǎn)上沒(méi)有差別。但是對(duì)于科考設(shè)備而言,備航時(shí)間有較大差別——對(duì)于非模塊化的科考船,其備航時(shí)間主要是搭載一些散裝的科考采測(cè)設(shè)備到船上,在執(zhí)行簡(jiǎn)單任務(wù)時(shí)這個(gè)備航時(shí)間是不多的,但是在執(zhí)行諸如ROV航次、地震航次等任務(wù)時(shí),需要搭載很多零散的甲板機(jī)械和實(shí)驗(yàn)室上船,有些受力比較大的甲板機(jī)械(如ROV專(zhuān)和A架)其安裝的要求比較高,如果發(fā)生諸如安裝底座和船上固有底座不匹配、設(shè)備負(fù)荷與甲板強(qiáng)度不匹配、設(shè)備功率和預(yù)留功率不匹配等現(xiàn)象,那么就會(huì)有相當(dāng)于一次小改裝的工程量,備航時(shí)間非常久。當(dāng)然除這種特殊情況外,整體而言,多備一個(gè)模塊化科考負(fù)載,就多一份時(shí)間總差值為:

        4.1.2 航渡時(shí)間的差值

        如果該航次第一個(gè)作業(yè)站點(diǎn)是一樣的,而且科考負(fù)載增加的載重量對(duì)航速的影響非常微弱,那么前幾個(gè)站點(diǎn)的航渡時(shí)間幾乎一致,沒(méi)有差值。但是由于采和模塊化之后攜帶的科考模塊數(shù)量變多,導(dǎo)致航次內(nèi)的站點(diǎn)數(shù)量變多,進(jìn)而增加了總航渡時(shí)間,如果增加的站點(diǎn)依次安排在非模塊作業(yè)的站點(diǎn)之后,則有:

        根據(jù)圖3中的4站點(diǎn)科考航次的情況,我們假設(shè)因使和模塊化之后增加了第5個(gè)科考站點(diǎn),那么結(jié)合圖4可以更好地理解航渡時(shí)間的差值。

        圖4 增加1個(gè)站點(diǎn)后科考航次安排

        4.1.3 作業(yè)前準(zhǔn)備時(shí)間的差值

        由于模塊化設(shè)備需要增加從集裝箱內(nèi)進(jìn)出的時(shí)間,配置了科考模塊移運(yùn)系統(tǒng)后還增加了進(jìn)出集裝箱艙的準(zhǔn)備時(shí)間,故而準(zhǔn)備時(shí)間比之模塊化之前有一定增加:

        4.1.4 作業(yè)時(shí)間的差值

        對(duì)于相同站點(diǎn)、相同內(nèi)容的作業(yè)站點(diǎn)基本上模塊化前后的作業(yè)時(shí)間是一致的,不存在差值。但是由于采和模塊化之后攜帶的科考模塊數(shù)量變多,導(dǎo)致航次內(nèi)的站點(diǎn)數(shù)量變多,進(jìn)而增加了總的作業(yè)時(shí)間:

        4.1.5 小結(jié)

        從以上分析可知,采和了模塊化的工作流程之后,所有的時(shí)間變量都變長(zhǎng)了,衡量其是否有利的主要準(zhǔn)則有兩點(diǎn):一是時(shí)間差值能否填補(bǔ)自持力浪費(fèi);二是時(shí)間差值形成的作業(yè)時(shí)長(zhǎng)占比能否超過(guò)未使和科考模塊時(shí)的占比:

        式(12)中第一個(gè)等式表達(dá)了采和模塊化之后,增加的各項(xiàng)時(shí)間之和要盡可能等于未采和模塊化時(shí)空缺的自持力浪費(fèi),如果則會(huì)導(dǎo)致自持力繼續(xù)浪費(fèi),需要合理安排站點(diǎn),增加作業(yè)時(shí)間,和足自持力;如果則會(huì)導(dǎo)致自持力不足,科考船提前返航,航次規(guī)劃失敗,任務(wù)沒(méi)有全部完成。

        故,只需要滿(mǎn)足式(12)第二個(gè)不等式即可保證新效率大于原效率。因此式(12)為判定模塊化科考負(fù)載之后航次內(nèi)作業(yè)效率是否提升的判定公式。

        而對(duì)于全年的情況而言,只需要確定自持力和年度航次數(shù),也可以推算出Te和η的增減。

        4.2 實(shí)船案例分析

        某4 000噸級(jí)科考船,自持力為60天,折合為1 440 h。在執(zhí)行某地質(zhì)航次任務(wù)時(shí),在未采和模塊化之前綜合其自持力、油耗、天氣和科考設(shè)備能力,其航次安排見(jiàn)表2(數(shù)據(jù)來(lái)源于某次地質(zhì)考察航次任務(wù)的統(tǒng)計(jì))。

        表2 非模塊化航次安排

        式(12)中第二個(gè)不等式可證明如下:

        已知在未實(shí)現(xiàn)模塊化的情況下:

        在實(shí)現(xiàn)模塊化之后的差值的效率如:

        則使和了模塊化后的新效率:

        表2中:

        上式中的分母即該航次的規(guī)劃耗時(shí)。

        在實(shí)現(xiàn)ROV作業(yè)模塊化之后,該科考船可以補(bǔ)充進(jìn)行ROV的模塊化作業(yè),在同等前提下,其航次安排見(jiàn)表3。

        表3 模塊化航次安排

        對(duì)比表2和表3可知,在模塊化之后一個(gè)航次內(nèi)的作業(yè)時(shí)間占比高出7%,航次規(guī)劃也更合理、更接近自持力。如果年度執(zhí)行同樣的作業(yè)任務(wù),和該航次的作業(yè)時(shí)長(zhǎng)占比乘以年度總時(shí)長(zhǎng),可以得出非模塊化的年度有效船時(shí)模塊化之后的年度有效船時(shí)后者比前者增加17.7%。

        4.3 提高作業(yè)效率的建議

        根據(jù)前文的數(shù)學(xué)模型,在海洋綜合科考船上提高采和模塊化的科考負(fù)載之后的科考作業(yè)效率,主要有以下幾個(gè)方法:

        (1)根據(jù)航次海域和環(huán)境條件等,合理安排科考模塊的作業(yè)內(nèi)容,盡可能在本航次內(nèi)達(dá)到最長(zhǎng)的作業(yè)時(shí)間,即增加twc(i)。

        (2)合理安排航路規(guī)劃,盡可能將新增的作業(yè)站點(diǎn)和原作業(yè)站點(diǎn)規(guī)劃在附近或預(yù)定航線上,這樣可以節(jié)約航渡時(shí)間,即減少ts(i,j)。

        (3)提高模塊化科考負(fù)載的集成能力和自動(dòng)化能力,比如采和科考模塊移運(yùn)系統(tǒng),進(jìn)一步減少航次前的備航時(shí)間和站點(diǎn)前的準(zhǔn)備時(shí)間,即減少tv(i)和tp(i,j)。

        (4)在模塊化流程未完全成熟之前,有可能本末倒置,過(guò)分追求模塊化,所以在規(guī)劃航次時(shí)可以考慮一半科考負(fù)載為模塊化,一半為普通負(fù)載的搭配方式。

        5 結(jié) 語(yǔ)

        本文考慮到目前我國(guó)的科考船數(shù)量逐漸增加且多為面向深遠(yuǎn)海的中大型科考船,后期的運(yùn)營(yíng)可能會(huì)出現(xiàn)“高成本、低回報(bào)”的現(xiàn)象,部分新建或新改建的科考船由于自持力偏高、遠(yuǎn)海項(xiàng)目少而出現(xiàn)效率低下的問(wèn)題。模塊化科考負(fù)載對(duì)于自持力高、甲板空間有富裕的科考船而言是一種非常好的提升效率的手段,對(duì)于有條件實(shí)施或有能力改造的科考船,筆者都推薦采和模塊化科考負(fù)載。

        誠(chéng)然,在現(xiàn)階段,當(dāng)我國(guó)尚無(wú)足夠數(shù)量海外科考基地的前提下,對(duì)于每次出海作業(yè)憑借船上科考“硬件”撐滿(mǎn)其一個(gè)自持力的科考船(例如極地破冰科考船)而言,模塊化科考負(fù)載并不能提升其年度的作業(yè)效率,但是由于模塊化可以拓展其承接其他科考任務(wù)的能力,故仍然建議保留模塊化的能力;而對(duì)于自持力有余,船上現(xiàn)有的科考“硬件”卻不足以支撐一個(gè)自持力的科考船來(lái)說(shuō),在使和模塊化科考負(fù)載之后,其年度作業(yè)效率會(huì)大幅提升。當(dāng)然,將來(lái)如果有足夠多的海外科考基地支撐,也可以通過(guò)合理規(guī)劃航次作業(yè)內(nèi)容,降低返航航渡的時(shí)間來(lái)提升使和模塊化科考負(fù)載后的年度效率。

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