羅本永

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

0 引 言

近年來隨著中國以及中東等新興國家對新鮮牛羊肉類的需求量不斷加大，國際上活體牲畜貿易量每年穩(wěn)定增長，能夠大批量運輸活體牛羊的牲畜運輸船越來越受到市場的關注。但是另一方面牲畜運輸船船隊老齡化顯著，船隊升級換代成了非常現(xiàn)實的問題。由于該船型是一種非常小眾化、專業(yè)化的船型，相關的研究較少。目前該船型的建造基本在歐洲船廠，國內船廠僅中遠廣東廠和澄西廠有相關經驗，從設計方面來說國內也比較缺少經驗，對該船型的整體設計進行闡述的文章更不多見。

趙志堅以及劉華欣等從牲畜運輸船改裝角度闡述該船型的特點及改裝過程中的技術難點，為該船型的修造船方面提供借鑒。王海結合建造項目介紹牲畜運輸船貨艙通風主要設計依據、布置原則、系統(tǒng)特點等，對該船型通風設計研究有一定參考意義。李連亮等以AMSA規(guī)范的技術要求為指導，對牲畜運輸船的牲畜服務系統(tǒng)進行研究，包括貨艙通風系統(tǒng)、飼料輸送系統(tǒng)、淡水供應系統(tǒng)、糞便處理和排放系統(tǒng)以及照明系統(tǒng)等，對該船型的服務系統(tǒng)設計和建造有一定參考價值。劉澤吉等結合建造項目分別從AMSA發(fā)電機的配置、牲畜供水系統(tǒng)、牲畜食料配送系統(tǒng)和牲畜污水處理系統(tǒng)等方面闡述該船型與其他貨船要求的不同之處，但就綜合性方面來說仍不夠全面。

1 牲畜運輸船主要特點

圖1為典型的封閉型牲畜運輸船剖視圖。

圖1 封閉型牲畜運輸船剖視圖

與陸地環(huán)境相比，海上運輸環(huán)境惡劣很多，海上活體牲畜運輸中曾經發(fā)生過多起由于船上生存環(huán)境惡劣導致牲畜拒絕進食甚至死亡的事件。因此在牲畜運輸船上不僅需要提供充足的飼料和淡水以保證牲畜的生命安全，在整個牲畜圍欄區(qū)域還必須具有良好的通風、照明等條件，盡量提高牲畜在途的舒適性。因此，現(xiàn)代牲畜運輸船在設計中并非一味地追求牲畜圍欄面積這一指標，領先的設計理念和先進的牲畜服務設備同樣必不可少。比如良好的通風設計、高效的牲畜裝卸通道設計、自動監(jiān)測設施以及電力和設備的冗余設計等，使提高安全和效率的同時，增強牲畜在途的舒適性。以下主要圍繞提高牲畜舒適性、減少牲畜受損，提高裝卸效率以及保護船員和貨物安全等方面闡述該船型的特點。

1.1 高航速和高舒適性

該船型航速一般為17~20 kn。航速間接決定了牲畜在海上所花費的時間。因為活體牲畜在集中運輸過程中很容易誘發(fā)各種疾病引發(fā)規(guī)模性傳染，甚至會給船員和目的港所在國家造成輸入性疫情。因此航程時間越短，牲畜患病、受傷甚至死亡的幾率就越小。此外，運輸途中牲畜吃喝成本極高（甚至超過燃油費用），對于大型牲畜運輸船來說，在海上少航行一天所節(jié)省的費用便非?？捎^。然而，高航速通常會引起舒適性下降。如果橫搖劇烈，動物會因暈船導致身體抵抗力下降，從而增加患病率和死亡率。黃崗對牲畜運輸船的穩(wěn)性進行研究，提出橫搖角和橫搖周期對牲畜舒適度的影響，對橫搖角進行限制。

橫搖角對牲畜的影響大致分為3個階段：0~4°，對牲畜影響較??；4~10°，牲畜的運動能力明顯下降；10°以上，牲畜吃食、休息和走動都產生困難。因此，牲畜運輸船在不受惡劣天氣影響的情況下，橫搖角應該保持在4°以內。從船舶設計的角度而言，在確保船舶安全的前提下適當降低初穩(wěn)性和增加橫搖周期，能夠減小橫搖加速度從而使橫搖變舒緩。牲畜運輸船的固有橫搖周期變化范圍在9~15°時，牲畜處于較舒適狀態(tài)。然而值得注意的是，該船型屬于典型的多層甲板布置型船舶，本身重心較高，降低初穩(wěn)性高的余地并不大。因此，如何在船舶安全性和舒適性之間平衡是該船型設計的難點之一。

1.2 特有的牲畜裝卸通道和牲畜圍欄

唐桂斌等介紹了該船型牲畜裝卸系統(tǒng)的特點和設計要求，并對牲畜裝卸過程中船舶的安全問題進行探討，為牲畜運輸船的設計提供有益的幫助。牲畜裝卸系統(tǒng)是牲畜運輸船在碼頭裝卸牲畜專用系統(tǒng)，由外部裝卸系統(tǒng)、內部裝卸系統(tǒng)和導向門等組成。外部裝卸系統(tǒng)主要指連接碼頭和船舶舷門等可移動坡道。上下坡道一般設置防滑措施，材質通常為鋁合金，質量輕且便于收放。牲畜外部裝卸通道參見圖2。

圖2 牲畜外部裝卸通道

牲畜進入船體之后即進入了內部裝卸通道，通過預先設定的裝載路線將牲畜驅趕至相應的位置。內部裝卸通道一般采用兩種設計形式：一種是專用裝卸通道，見圖3；另一種是借用牲畜圍欄區(qū)域作為裝卸通道，裝卸牲畜時打開活動欄桿門形成通道，見圖4。在內部裝卸通道拐彎的位置需要設置導向門，用以引導和限制牲畜前進方向，從而使牲畜按照既定路線完成裝卸。

圖3 牲畜內部裝卸通道型式1

圖4 牲畜內部裝卸通道型式2

牲畜圍欄是該船型特有的設計，見圖5。合適的柵欄不僅可以分隔牲畜的活動區(qū)域，減少牲畜之間爭斗和搶食，有助于牲畜的管理，而且能減少牲畜的移動范圍，防止因牲畜聚集而引發(fā)船舶側傾。圍欄一般使用鋁合金材料，質輕且便于清洗，其強度有明確的設計要求。牲畜裝卸通道以及圍欄區(qū)域的甲板面必須防滑。通常甲板上涂4~5 mm的防滑涂層，該涂層可耐海水和氨氣的腐蝕，同時起到保護甲板涂層的效果。

圖5 牲畜圍欄示意圖

在運輸過程中，牲畜生病無法避免。為了防止其他牲畜感染，必須對生病或受傷的牲畜進行隔離，因此必須設置專門的隔離間，與之相配套的還包括給牲畜治療的醫(yī)療設備、藥品，對牲畜牽引或者約束的工具。此外，合格的獸醫(yī)也必不可少。

1.3 牲畜區(qū)通風系統(tǒng)

貨艙區(qū)通風系統(tǒng)是牲畜運輸船最重要的牲畜生命支持系統(tǒng)之一，主要是為牲畜提供充足的氧氣，并帶走動物散發(fā)的熱量，使貨艙維持在合適的溫度。

根據牲畜運輸船的大小和類型，貨艙區(qū)通風系統(tǒng)設計一般有“集中通風”和“獨立通風”兩種。對6層以下的封閉式貨艙一般采用集中通風，即“垂直結構風道+水平PVC 管”的形式。通過大型結構風管連接各層甲板，沿船長方向的PVC管將新風送至各牲畜圍欄區(qū)域，如圖6 所示。

圖6 集中通風風管示意圖

該方案的優(yōu)點是風量容易控制，對于個別死角區(qū)域可通過增加支管等方式來滿足要求，后期改動相對簡單，對整體設計方案影響不大。但該方案的缺點是水平 PVC 管會減小牲畜區(qū)凈空高度，設計時需要更大的層高，從而產生一系列結構、穩(wěn)定的問題。

對于甲板層數(shù)較多以及帶有開敞甲板的牲畜運輸船，通常采用獨立通風，即“垂直結構風道”的形式。該方案通過數(shù)量眾多的貫穿各層甲板的結構風管對牲畜區(qū)進行通風，如圖7所示。

圖7 獨立通風風管示意圖

該方案的優(yōu)點是風管結構形式簡單，貨艙所需的層高相對較??；結構風管對開敞甲板起結構支撐作用，改善結構強度。但結構風管與甲板結構件連接強度及疲勞強度是該設計難點之一。該方案的缺點在于對風量和風速調節(jié)難度大，一旦設計后期發(fā)現(xiàn)風量或風速不滿足要求，則需要增加支風管或者增加小型風機，改動工作量較大。此外，結構風管占用牲畜圍欄面積較大。

綜合來講對于牲畜運輸船通風系統(tǒng)型式的選擇，不僅需要考慮通風系統(tǒng)本身的效率，還需要結合層高、空船重心位置、船東的實際需求以及方案的總體風險等因素綜合確定。

通風系統(tǒng)還包括新風持續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)，除監(jiān)控換氣次數(shù)、風速等外還需要確保第一時間監(jiān)控到牲畜區(qū)域通風系統(tǒng)事故。當發(fā)生電力故障時，通風系統(tǒng)要能夠接入備份電源系統(tǒng)以維持基本的通風要求。通風系統(tǒng)中通常還設計相應的降噪措施，將通風裝置產生的噪聲降到允許的限度以內。

1.4 牲畜服務系統(tǒng)

牲畜服務系統(tǒng)主要包括飼料輸送系統(tǒng)、淡水供應系統(tǒng)以及牲畜糞便處理系統(tǒng)等。

飼料加工倉通常設在頂層甲板，依靠機械傳送將草料從儲存艙輸送至不同位置的加工倉。加工倉通常為漏斗形，利用重力將加工后的飼料通過垂直管道分配至各層甲板的牲畜區(qū)，再通過各層甲板上的飼料支管自動傳輸至飼料槽，或者通過飼養(yǎng)人員進行人工分配，參見下頁圖8。

圖8 飼料輸送系統(tǒng)示意圖

隨船的牲畜食用草料有詳細要求，草料必須符合澳大利亞的相關生產標準，且必須是有資質的供應商提供。草料需要至少分別存放在2個儲存?zhèn)}，還需要備份草料，防止航程延誤或者草料消耗大于預期等情況。多余的草料通常在目的地卸下，幫助牲畜適應新環(huán)境。

牲畜的飲用水來自于海水淡化。為了確保牲畜健康安全，供水系統(tǒng)不僅要保證水量充足，還要保證飲用水的質量符合世界衛(wèi)生組織標準。供水系統(tǒng)通常具備自動洗滌功能，當設備處于備用狀態(tài)時，能自動清洗積聚在設備上的微生物、污垢等。設備的控制面板上可看到水的純度指標，如果純度降低到標準以下，警報器將會自動鳴響，提醒船員進行人工干預。

牲畜糞便處理系統(tǒng)由清洗、收集和排放等部分組成。在每個牲畜圍欄內設計特殊的排污溝和排污井，及時排泄牲畜產生的糞便和尿液，防止污水積存造成濕滑，同時也減小牲畜疫病的傳播幾率。貨艙內配備高壓水清洗系統(tǒng)，定時對牲畜區(qū)域進行沖洗。糞便污水通過泄放管路從上層甲板泄放到下層甲板，最終儲存在位于艙底的糞便艙。牲畜糞便污水屬于生活污水的一部分，其排放必須滿足MARPOL公約的要求。對于超過10天的航程（例如從澳大利亞到中東），除了定時的沖洗之外，一般還需要配備稻草、刨花或者鋸末等給牲畜當墊子以改善休息環(huán)境。

1.5 龐大的電力需求和電力冗余設計

龐大的電力需求來自于兩方面，除了要滿足SOLAS對電力的要求，維持船舶正常的運營之外，還需要滿足牲畜服務系統(tǒng)的電力需求，包括照明、通風系統(tǒng)、海水淡化、牲畜食料加工和配送等。另外該船型除正常船員外，還配備牲畜飼養(yǎng)、醫(yī)療等專業(yè)人員對電力需求也有所增加。例如1艘船長180 m（排水量約13 500 t）的牲畜運輸船，船上人員多達70人左右，與之相匹配的需要更多的食物和飲用水儲備、更大的食堂、更多的住宿空間。

電力冗余設計來自MO43對備用電源的要求，如果主電源在航行過程中發(fā)生故障，備用電源除了要滿足全船所有船員的基本生存條件之外，還必須滿足包括牲畜食料、飲用水的配送以及牲畜區(qū)照明和通風等關乎牲畜生存的基本要求。關于電力和設備的冗余設計要求在下文進一步闡述。

2 牲畜運輸船設計依據和技術要求

目前船舶設計需要遵循的最重要的公約有SOLAS和MARPOL等。這些公約主要針對貨船的貨物以及船員和客船的乘客等，但沒有針對活體牲畜的相關要求。貨船或者客船若遇到嚴重的緊急情況可選擇棄船等極端措施，但是如果是活體牲畜遇到類似情況該如何處置？MO43正好填補了這方面的空白。因此牲畜運輸船設計和建造除需要滿足常規(guī)公約和規(guī)范外，MO43是最主要的設計依據。MO43較系統(tǒng)地規(guī)定了該船型對船舶、船員、設備和牲畜健康等方面的要求。所有從澳大利亞港口進出港的牲畜運輸船，或者經過澳大利亞海域的牲畜運輸船，都必須滿足MO43的要求。而且MO43中很多檢驗項目并沒有授權給船級社，技術圖紙審查以及建造檢驗必須經過AMSA的授權或者直接監(jiān)管。

MO43是經多年經驗積累以及事故分析不斷完善而成。例如2002年更新的第5版增加了電力冗余設計等要求，該要求的設計理念是在電力設備故障情況下，牲畜服務系統(tǒng)不能癱瘓或者降級服務；從第6版開始，MO43認可風險評估的設計方法，不同的設計方案只要能達到MO43規(guī)定的同等效果都可以接受。評估過程主要包括識別設計方案中潛在的風險、評估風險造成的后果以及改進方案。該風險評估方法必須采用認可的標準，例如Australian and New Zealand Standard AS/NZS3931：1998等。MO43自1982年發(fā)布第一版以來，截止2020年12月最新版本是第6版，于2006年發(fā)布。下文將簡要介紹MO43對牲畜運輸船特殊的設計要求，并對MO43部分要求的背景進行解釋。但是需要強調的是，對背景的解釋并不代表AMSA官方解釋，如果對適用性方面有異議，則應該咨詢AMSA，他們有最終的解釋權。

2.1 牲畜載運證書

無論是新造船還是改裝牲畜運輸船，其設計和建造檢驗均需要經過AMSA的授權檢驗或者直接檢驗，在評估船舶符合MO43技術要求之后將頒牲畜載運證書（Australian certificate for the carriage of livestock，以下稱ACCL）。無論是在澳大利亞港口從事牲畜海上運輸?shù)拇斑€是經過澳大利亞海域的牲畜運輸船，均要求持有有效的ACCL證書。該證書有效性與船舶其他重要證書相關聯(lián)，例如SOLAS或者MAPOL相關的證書失效，ACCL也自動失效，且同樣需要定期檢驗。

2.2 電力及設備系統(tǒng)冗余設計要求

MO43從第5版開始增加了電力及設備系統(tǒng)冗余設計要求。該要求不同于SOLAS的應急電源的要求。冗余設計規(guī)定在主電源或者主要設備系統(tǒng)發(fā)生故障時，其備份系統(tǒng)能夠保證牲畜服務系統(tǒng)至少3天的正常運轉。電力及設備主系統(tǒng)中的某個部件不能構成備用系統(tǒng)的必需部件，避免因為單點故障導致2套系統(tǒng)同時失效。另外MO43還要求備用系統(tǒng)能夠快速啟動，啟動設備能夠在30 min內再次充電。針對快速啟動并沒有具體要求，但是電力恢復應越快越好，因為電力中斷對牲畜區(qū)的通風影響非常大。經驗表明，通風即使只中斷10 min，牲畜死亡率也將大幅上升。

通風、照明、海水淡化、牲畜飲用水和食料配送以及糞便沖洗和收集等牲畜服務系統(tǒng)同樣需要冗余設計。根據MO43的要求，通風、照明系統(tǒng)的啟動控制面板應位于至少2個不同的位置，從不同的位置都能有效啟動牲畜區(qū)域的通風、照明設備。啟動面板連接主電源和備用電源，并且電纜經過所有線路都是并聯(lián)，目的是確保其中一個設備發(fā)生故障不會影響到一片區(qū)域，當然這種并聯(lián)布置需要考慮并聯(lián)鎖或者故障保護，以防止主電源和備用電源同時供電。簡單的冗余設計是對主電源或者設備系統(tǒng)進行復制，但這樣顯然并不合適，不僅造成很大的資源浪費，建造費用也會明顯上升。目前通常采用前面提到的風險評估方法，只對關鍵設備進行備份設計，其他可交互使用的設備采取隔離、應急備份或者零件備份等方法達到冗余設計的目標。

2.3 牲畜圍欄和通道設計要求

牲畜圍欄面積是牲畜運輸船最主要的性能指標之一，其數(shù)值直接決定了在同樣主尺度下該船單次所能夠載運牲畜的最大數(shù)量，進而在一定程度上決定了該船的總體經濟效益。

MO43對圍欄設計規(guī)定較為詳細，其中裝運羊的圍欄寬度為2~4.5 m，長度為寬度的1~2倍，面積不超過40.5 m；裝運牛的圍欄寬度2.1~4.5 m，長度不小于2.3 m，面積不超過21 m。限制圍欄面積的目的是減少牲畜聚集在一起產生對船舶強度和穩(wěn)性的不利情況，同時也保證每頭牲畜都能得到適當?shù)氖澄锖惋嬘盟?。因惡劣天氣船舶發(fā)生較大橫搖或其他事故時，牲畜很容易聚集在一起或者發(fā)生踩踏事故等。限制圍欄面積也就限制了圍欄內牲畜的數(shù)量和質量，這樣既能防止動物過度聚集，同時也有利于確保結構安全。

甲板的強度設計需要考慮承受動物發(fā)生聚集時的極端載荷，然而設計時如果把這種極端載荷作用于整個甲板平面又過于保守。MO43規(guī)定了甲板設計載荷的最小要求值，該要求值并沒有考慮動物聚集產生的極端載荷。通常是甲板板架按照MO43的要求值設計，骨材設計載荷取1.5倍的甲板面載荷，這樣既保證結構尺寸滿足MO43要求，同時也確保極端載荷下的結構安全。圍欄本身的強度要求每片圍欄能承受牲畜擠壓造成的載荷，這就要求圍欄上的鉸鏈、插銷等有足夠的強度。另外，因為不同牲畜種類圍欄面積有不同要求，為了提高裝載的靈活性，通常把部分圍欄設計成可拆卸式。

羊等小型牲畜的通道寬度要求為550 mm，而牛的通道要求則寬很多。如果通道兩邊都是牛欄，則要求不小于1 000 mm；如果只有一側牛欄，則要求不小于750 mm。較寬的通道是防止牛透過圍欄襲擊飼養(yǎng)員。通道的寬度要求是MO43的最小要求，為了提高牲畜的裝卸效率，很多船東會主動要求加寬通道。

2.4 通風系統(tǒng)設計和噪聲控制

MO43對通風系統(tǒng)要求主要包括三方面：通風量、氣流速度和空氣循環(huán)路線。

（1）通風量

通風量對營運船和新造船有不同要求。對于營運船，如果船寬小于20 m且是開敞甲板則不強制要求機械通風；如果寬度大于20 m或者有部分的封閉布置，則要求機械通風量應達到對封閉空間要求的75%。MO43從第5版開始，對新造船開敞甲板上的通風要求跟封閉空間的要求一樣。該要求的提高是因為AMSA相關試驗結果表明：即使在開敞甲板上、在港口或者高溫的情況下，如果空氣不流通也可能造成很高的牲畜死亡率。通風交換次數(shù)對營運船和新造船要求相同。最小凈層高是交換次數(shù)要求的計算指標，越狹窄的空間空氣交換次數(shù)要求越高。最小凈高取決于該空間中阻礙空氣流動的障礙物，包括結構構件、管路、水平通風管和牲畜食料/飲水管路等。船東對通風次數(shù)的要求一般會比MO43要求值更高，因為通風次數(shù)的增加不僅能提高牲畜區(qū)含氧量并帶走熱量，還能夠防止渾濁空氣聚集，同時彌補由于氣流小或者空氣循環(huán)線路不合理等造成的缺陷。通風交換次數(shù)要求適用于任何模式，即在備用電源的情況下也適用。

（2）氣流速度

MO43對氣流速度要求通過圍欄區(qū)域時不小于0.5 m/s。該要求來源于AMSA的獨立論證，證據表明不小于0.5 m/s噴射氣流穿過牲畜區(qū)圍欄區(qū)域時，在溫度濕度條件惡劣的情況下能大幅提高牲畜生存率。該實驗論證來自于對羊群的實驗，但是目前已經推廣到所有類型的牲畜運輸船。

（3）空氣循環(huán)路線

空氣循環(huán)路線設計是另一項重要要求，避免污染空氣再循環(huán)到其他牲畜區(qū)，因此要有效隔離進風口和出風口。進風口必須遠離牲畜區(qū)域的出風口和其他機艙油柜的空氣管口，確保進風盡可能干凈和新鮮。盡可能地為每個圍欄區(qū)域提供出風口，盡量避免出風口處發(fā)生阻擋、死角等情況。設計中需要根據結構風道位置、牲畜喂食槽、飲水槽等艙室布置綜合評估空氣循環(huán)路線，通常由專業(yè)公司采用計算流體動力學（computed fluid dynamics，CFD）等仿真計算進行評估設計。

雖然MO43對噪聲并沒有明確的要求，但是每位船東都會對該船型的噪聲提出要求。貨艙通風系統(tǒng)是牲畜運輸船貨艙區(qū)域最主要的噪聲來源之一。解決噪聲問題一般采用以下3種方法：選擇噪聲級別較小的風機設備；優(yōu)化的風管設計與結構型式；在目標位置使用降噪阻尼材料。但是，牲畜運輸船的風機選型在很大程度上需要綜合考慮貨艙空間、船舶電站以及貨艙風管型式等因素。同樣貨艙風管的型式與布置需要綜合考慮全船結構型式、層高、穩(wěn)性以及舾裝和電纜布置等因素，對噪聲的考慮只是其中的因素之一。從這個角度來說，牲畜運輸船貨艙區(qū)噪聲控制可選擇的手段并不太多，而在設計早期階段，準確的噪聲預報對該船型非常重要。

3 結 語

牲畜運輸船船隊面臨升級換代的現(xiàn)實問題，為國內船廠創(chuàng)造了良好的市場機遇。本文介紹了牲畜運輸船的牲畜裝卸通道和圍欄、牲畜區(qū)域通風系統(tǒng)、牲畜服務系統(tǒng)和電力冗余等特點，并且對該船型的設計依據——MO43及其背景作了簡要闡述，為該船型的設計和建造（尤其在船舶總體型式確定、設備選型以及建造成本控制等方面）提供借鑒。不過限于篇幅等原因，文中未對該船型設計和建造的具體解決方案、船型結構設計中船體橫向強度設計以及眾多結構疲勞強度評估等內容作詳細闡述。展望未來，隨著智能化設備的快速普及，牲畜運輸船的牲畜服務系統(tǒng)、通風和電力冗余設計等方面必將產生較大變化，這也將會對該船型的設計和建造帶來更大的機遇和挑戰(zhàn)。