基于任务要求的海警船船型论证

赵瑞嘉， 谢新连， 李猛， 魏照坤

(大连海事大学 综合运输研究所，辽宁 大连 116026)

基于任务要求的海警船船型论证

赵瑞嘉， 谢新连， 李猛， 魏照坤

(大连海事大学 综合运输研究所，辽宁 大连 116026)

为使海警船性能满足新形势的要求，建立以满足任务要求且使单位投资与使用成本最低为目标的海警船船型论证模型.利用回归分析方法找到船舶主尺度的变化规律和船舶主要要素对投资与使用成本的影响规律.利用该模型可以实现对船舶主尺度的优化.以一艘设计排水量为4 500 t的海警船为例进行船型论证，并将论证结果与国外类似船舶进行比较，分析差异及差异产生的原因.结果验证了该模型的合理性与实用性，表明该模型能够为海警船的论证选型提供决策支持.

海警船； 任务要求； 船型论证； 船舶主尺度

0 引 言

中国海警局负责海上维权和综合执法工作，主要职责包括管护海上边界，防范打击海上走私、偷渡、贩毒等违法犯罪活动，维护国家海上安全和治安秩序，负责海上重要目标的安全警卫，处置海上突发事件，在我国管理海域实施治安、刑事、缉私、渔业、海洋环境保护、海域使用、海岛保护等维权执法活动，维护国家海洋权益和海上安全稳定.海警船是中国海警海上巡航、执法、捍卫国家主权的必要装备，是海警局实力的体现.随着海上维权斗争形势的日益严峻，海警船在毗连区、专属经济区巡航执法的频率逐步增加，对海警船性能也提出更高的要求.[1]在海洋强国战略背景下，我国原有的海警船数量、性能都难以满足新形势的要求，需要基于任务要求论证提出性能更好的海警船船型.所谓任务要求是指：为保证海警船具有较强的快速反应能力，对海警船航速提出要求(有时希望航速越快越好)；为保证海警船能够在远离岸基海域正常巡航、执法，需要适当提高负载燃油能力.在进行海警船船型论证时，必须优先考虑并满足这类任务要求.

船型论证是新型船舶设计建造的基础与前提，是一项复杂的系统工程.长期以来，专家学者在船型论证方面做了大量的研究工作，但大多是针对商船[2-6]的.对于公务船的研究主要有：高成男等[7]通过证据推理法提出了大型海事巡逻救助船船型选择方法；杨立波等[8]对船舶主要性能要求进行论证，提出海事巡逻船主要指标和功能定位；赵福波等[9]开发了一种基于海事辖区面积、特点、风险、巡航任务、监管要求的海事船舶配备数量计算方法.然而，对不以经济效益为目标的海警船船型论证方面的研究还比较欠缺.在我国周边海域争端不断的形势下，尽管国家加大了对海上执法力量——中国海警的资金投入力度，仍需要在满足海上维权执法任务要求的前提下，实现船舶投资与使用成本最低的目标.

1 海警船船型论证模型建立

基于任务要求在海警船船型论证中的特殊性，以及船舶投资、使用成本高，影响其性能和经济性的因素众多等特点，前期选型时需要用适当的方法将船舶这个复杂的系统模型化，逐步探寻更好的解，最终得到各方面指标和综合性能都较好的船型方案.

1.1 船舶技术参数确定

1.1.1 船舶主尺度确定

船舶的主尺度主要包括船长(L)、船宽(B)、型深(D)、设计吃水(T)和方形系数(Cb)等.通过对世界各国军舰、海警船等的排水量、船长、船宽的大量数据进行统计回归分析，获得了船长和船宽与船舶排水量(Δ)之间的关系[10]，见图1和2.

图1 船长与船舶排水量的回归关系图2 船宽与船舶排水量的回归关系

在根据任务要求确定船舶排水量后，船长可按照统计式(1)估算：

(1)

同理，船宽可按照式(2)估算：

(2)

为验证船长和船宽与排水量回归模型的合理性与有效性，分析回归模型的误差范围.选取船型样本中5艘船的数据进行误差分析，见表1.从表1中可以看出，通过回归模型计算得到的船长和船宽误差较小，验证了该回归模型的合理性与有效性.

表1 船长和船宽回归模型验证

船舶的主尺度比是体现船体几何形状特征的重要参数，与船舶的航海性能有密切关系：长宽比L/B∈[amin,amax]，该值越大，船体越瘦长，船舶快速性和航向稳定性越好，但其回转半径会增大；长深比L/D∈[bmin,bmax]，该值增大，船体纵向强度越低；长吃水比L/T∈[cmin,cmax]，该值越大，船舶回转性能越差；宽深比B/D∈[dmin,dmax]，该值越大，船体横向强度越低；宽吃水比B/T∈[emin,emax]，该值越大，船舶稳性越好，但其耐波性变差，航行阻力增加；深吃水比D/T∈[fmin,fmax]，该值越大，干舷越高，抗沉性越好，大倾角稳性越好；方形系数Cb∈[hmin,hmax]，该值越小，越有利于减缓船舶在海浪中的纵摇，改善快速性与耐波性.方形系数与排水量和主尺度相关，可由式(3)计算:

(3)

式中：γ为水的重度；k1为船体附体因数.

1.1.2 主机额定功率确定

在基于任务要求确定船舶设计航速后，寻找与设计船船体几何线型相似、速度范围相近的船作为参考船，依据式(4)估算设计船主机的额定功率：

(4)

其中：Δ为参考船的排水量；v为船舶设计航速；C为海军系数.

1.1.3 空船质量估算

在方案论证阶段，可以将空船质量分解为船体钢料质量(Mh)[12]、舾装设备质量(Mf)和机电设备质量(MM)等3部分分别估算，其中Mh和Mf与船舶主尺度的关系分别为

(5)

(6)

式中：λ1，λ2，β，φ，φ都是根据军舰和海警船等实船统计出的经验值.

图3 高速柴油机质量与 功率的回归关系

海警船一般采用高速柴油机作为发动机，通过对MAN,CAT等公司的大量高速柴油机的质量和功率数据进行回归分析，获得高速柴油机质量与功率之间的关系，见图3.

根据式(4)确定主机功率后，可通过式(7)估算主机质量.

(7)

为验证主机质量与主机功率回归模型的合理性与有效性，分析回归模型的误差范围，选取高速柴油机样本中5种型号的数据进行误差分析，见表2.从表2可以看出,通过回归模型计算得到的主机质量估计值与实际值误差较小，说明该回归模型合理、有效.

表2 主机质量与主机功率的回归模型验证

1.1.4 各种负载质量的估算

船舶负载能力是保证船舶正常航行以及执行任务的承重能力，主要包括船员及其行李质量、食品质量、淡水质量、燃油质量、滑油质量、备品及供应品质量、执法装备质量等.这些分项质量可以在综合考虑对设计船的要求和实船相应部分的统计数据的基础上确定.如燃油质量可按式(8)估算：

(8)

式中：k3为考虑储备等因素的因数；g0为主机额定耗油率；R为续航力；vs为巡航速度.

1.2 船舶成本指标计算

1.2.1 造价估算

在方案论证阶段，按照空船质量的分解方式，可将船舶造价分为船体造价、舾装造价、机电造价等3部分进行估算:

(9)

式中：k4为考虑其他费用等因素的因数；ph为船体钢料单位质量造价；pM为机电设备单位功率造价；pf为舾装设备单位质量造价.

1.2.2 年使用总成本计算

在使用船舶过程中会产生各种费用，主要包括：船员费用S1,折旧费S2,年修理费S3,年保险费S4,年燃油费S5,润料费S6,物料费S7,管理费及其他费用S8.[13]这些分项的费用可以参照实船的统计数据或市场行情进行估算，如

(10)

式中：k5为包含其他油耗等因素的因数；Cf为燃油价格；t为年使用时间.因此,单船年使用总成本YC为

(11)

1.2.3 单位使用成本

为衡量船舶使用成本差异，以便对不同船型进行比较，引入单位使用成本评价指标Cper,用于表示单位排水量单位航行距离分摊的年使用总成本，即

(12)

采用单位排水量成本进行比较，是因为不同船舶排水量存在差异，进行单位化处理可以减小排水量差别造成的影响；采用单位使用时间成本进行比较，是因为不同船舶的实际使用时间不同，进行单位化处理可以减小使用时间差别带来的影响；采用航速(这里指设计航速)成本进行比较，是因为不同航速下船舶使用成本不同，高航速会对成本产生不利影响，毕竟在很多情况下海警船是追求高航速的.

1.3 船舶主尺度优化模型建立

基于上述分析，建立在满足任务要求的前提下使船舶单位使用成本最低的主尺度优化模型[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 实例计算

2.1 船舶技术参数及使用费用计算

设执法任务需要一型排水量4 500 t，续航能力12 000 n mile，设计航速25 kn的海警船，求能满足使用要求且使船舶单位使用成本最低的船舶主尺度方案.根据统计数据获得的海警船主尺度一般应满足如下经验比例关系[10]：L∈[138.275-4.865,138.275+4.865]，B∈[15.437-0.691,15.437+0.691]，FrV∈[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].

根据海警船和军舰的实船统计，一般情况下式(5)和(6)中的λ1=0.155 87，λ2=0.096 26，β=1.5，φ=0.61，φ=0.16.按照常规方法确定技术参数的取值后，取与成本有关的指标值为：ph=24 500元/t，pM=1.1×107元/MW，pf=29 400元/t；每名船员平均年费用9.72 万元；折旧期20 a，残值为原值的10%；年修理费取造价的1.5%；燃油价格取1 648元/t，年均航行时间取1 600 h；润料费取燃料费的8%；物料费取燃、润料费的10%；管理费及其他费用占总使用费的15%.

参考美国“传奇”级国家安全巡防舰WMSL750的数据(排水量Δ0=4 178 t,主机额定功率PM0=14.8 MW,设计航速v0=28 kn)，用式(4)计算得到设计船型的主机功率PM=11.07 MW.

综合以上数据，运用计算机编程求解船舶主尺度优化模型，得到最优解，见表3.

表3 船舶主尺度最优值

根据式(5)～(8)计算出空船质量和负载质量等其他技术参数,结合式(9)～(12)计算出船舶年使用总成本等指标，见表4.

2.2 对比分析

选取WMSL750和日本“敷岛”级PLH型巡视船作为对照船型进行分析.

从表5可以看出：设计船型与WMSL750巡防舰在排水量、船长、船宽和吃水上都比较接近，但设计船型的航速较低，所需的主机功率和年使用总成本均显著低于WMSL750巡防舰；设计船型与PLH型巡视船相比排水量较小，在航速相同的情况下，所需主机功率较低，年使用总成本也较低;设计船型Cper指标高于PLH型巡视船，其中一个原因是PLH型巡视船的排水量较大，船舶年使用总成本增长的幅度低于排水量增加的幅度.通过与国外船舶的对比可以看出,设计船型在技术参数方面是可行的，在成本指标上是合理的.

表4 其他技术参数和成本最优值

表5 设计船型与国外船舶的对比

3 结 论

针对海警船的特点，提出一种在满足任务要求前提下的海警船船型论证模型，较好地解决了海警船的船型论证问题，论证方法具有实用性和参考价值.在船舶技术参数方面，采用回归分析的方法计算出船舶主尺度的可行区间,估算出主机质量；在船舶投资使用费用指标方面，提出针对海警船的船舶造价和使用成本的计算方法，并定义一种衡量海警船单位使用成本的评价指标；利用船舶主要要素对投资与使用成本的影响，建立以船舶单位使用成本最低为目标的船舶主尺度优化模型，实现对船舶主尺度的优化.以一艘排水量为4 500 t的海警船为例进行船型论证，得到了船舶主尺度优化解，进而计算出船舶的其他技术参数和使用成本，并将结果与国外类似船舶进行了对比，分析了差异产生的原因，验证了该模型的正确性与可行性.

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(编辑 贾裙平)

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

中央高校基本科研业务费专项资金(3132016358)；高等学校博士学科点专项科研基金(20102125110002)

赵瑞嘉(1993—)，男，河南新乡人，硕士研究生，研究方向为交通运输规划与管理,(E-mail)jia9292@163.com; 谢新连(1956—)，男，辽宁大连人，教授，博导，博士，研究方向为交通运输规划与管理，(E-mail)xx-lian77@yahoo.com

U692.6;U674.242

A