海監(jiān)船與漁政船主尺度模型研究

劉 飛，林 焰，2，李 納，楊 蕖，王運龍，諶志新

(1．大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院船舶CAD工程中心，遼寧 大連，116024;2．工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116024;3．中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092)

海監(jiān)船與漁政船主尺度模型研究

劉 飛1，林 焰1，2，李 納1，楊 蕖1，王運龍1，諶志新3

(1．大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院船舶CAD工程中心，遼寧 大連，116024;2．工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116024;3．中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092)

分析了我國海監(jiān)船和漁政船發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。整理分析相關(guān)的船型數(shù)據(jù)資料，利用逐步回歸的數(shù)學(xué)方法，分別基于Excel回歸分析、MATLAB的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱，建立了海監(jiān)船和漁政船主尺度的數(shù)學(xué)模型，并對3種數(shù)學(xué)統(tǒng)計模型進行了實船驗證和誤差分析，結(jié)果顯示BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型誤差較小。數(shù)學(xué)模型的建立有利于分析和掌握海監(jiān)船與漁政船主尺度變化的規(guī)律，為報價設(shè)計和初步設(shè)計提供了科學(xué)依據(jù)。

海監(jiān)船;漁政船;主尺度;數(shù)學(xué)模型;回歸分析;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

0 引言

我國國土面積幅員遼闊，除擁有960萬km2的陸地面積外，還擁有近300萬km2的海洋面積，海岸線超過3.2萬km(含1.8萬km大陸海岸線和1.4萬 km 島嶼海岸線)［1］。

2010年，中國海洋生產(chǎn)總值達38 439億元，占國內(nèi)生產(chǎn)總值的9.7%［2］。根據(jù)對海洋經(jīng)濟發(fā)展的預(yù)測，到2020年我國海洋總產(chǎn)值將達到5.1萬億元，占當(dāng)年國內(nèi)生產(chǎn)總值的14%以上，成為國民經(jīng)濟的主要支柱產(chǎn)業(yè)［3］，海洋經(jīng)濟在國民經(jīng)濟發(fā)展中正在發(fā)揮越來越重要的作用。

隨著南海問題和釣魚島主權(quán)問題的不斷升級，我國海洋權(quán)益正受到越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，我們必須加強海洋權(quán)益的維護。除了強大我國海軍力量之外，還要加強正常的漁業(yè)執(zhí)法和海洋巡航監(jiān)視，加強對專屬經(jīng)濟區(qū)的巡航護漁和海洋權(quán)益維護能力。為此，國家海洋局和農(nóng)業(yè)部在近年批準(zhǔn)了多艘不同噸位的海監(jiān)船和漁政船的建造。海監(jiān)船和漁政船，尤其是大噸位和高航速的海監(jiān)船和漁政船的設(shè)計和建造進入一個高熱期。

1 海監(jiān)船和漁政船的設(shè)計特點

海監(jiān)船和漁政船主要職能是依照有關(guān)法律和規(guī)定，對國家管轄海域(包括海岸帶)和漁場實施巡航監(jiān)視，查處侵犯海洋權(quán)益、酷漁濫捕、違法使用海域、損害海洋環(huán)境與資源、破壞海上設(shè)施、擾亂海上秩序等違法違規(guī)行為，維護漁場生產(chǎn)秩序，處理漁業(yè)生產(chǎn)糾紛，并根據(jù)委托或授權(quán)進行漁業(yè)生產(chǎn)指揮、發(fā)布漁情和氣象通報以及海上醫(yī)療、海難救助等其他海上執(zhí)法工作及任務(wù)。

海監(jiān)船和漁政船因其執(zhí)行任務(wù)的特殊性，有別于常規(guī)漁業(yè)船舶設(shè)計，其中一些直接由軍船改造而成，如中國目前最大的“中國漁政311”船即由南海艦隊“南救503”船改造而成。

目前，中國擁有最大噸位的漁政船為于2009年初裝備使用的“中國漁政311”，該船的總噸位為4 450 t，長113.5 m，寬15.5 m、續(xù)航力3 500 n mile，持航50個晝夜，最高航速20 kn。于2010年3月裝備使用的“中國漁政310”，是目前國內(nèi)最先進的海洋執(zhí)法船，總噸位為2 580 t，長108 m，寬14 m，續(xù)航力為6 000 n mile，持航60個晝夜，可駛往國際無限航區(qū)，最大航速可達22 kn。配備艦載Z－9A型直升機，配置現(xiàn)代化的水上寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)及光電跟蹤儀取證系統(tǒng)，設(shè)有海上紅外線映像儀和彩色魚探儀等特種設(shè)備，是目前我國漁政系統(tǒng)船舶中航速最快、總體性能最先進及特種設(shè)備配備最齊全的漁政船。

為適應(yīng)監(jiān)督、檢查并在必要時追捕、扣留違章的需要，漁政船的航速較高，大中型通常為14～20 kn，有的超過20 kn;穩(wěn)性和適航性也高于漁船;為了便于在漁船密集的漁場中巡航和在水上與漁船相靠，操縱性能較好，干舷較低。

2 海監(jiān)船、漁政船主尺度回歸分析

2.1 項目背景

大連理工大學(xué)船舶CAD工程中心從2009年底接連承接大連300噸級漁政船［4］、山東300噸級漁政船［5］、大連 400 噸級海監(jiān)船［6］和 45 m 海域看護船［7］等的技術(shù)設(shè)計工作，對海上執(zhí)法船的設(shè)計積累了寶貴的經(jīng)驗。為便于更好地進行相關(guān)方面的工作，對國內(nèi)外海監(jiān)船、漁政船及相似船型資料進行了搜集整理，通過統(tǒng)計回歸分析，得出了相關(guān)的規(guī)律，以便于更好地指導(dǎo)設(shè)計。

2.2 實船資料和建模方法

2.2.1 以總噸位或排水量為變量進行分析

近年來，世界各主要漁業(yè)國家漁政船的發(fā)展趨勢是監(jiān)測設(shè)備更加先進，遠洋和外海漁政船更加大型、多功能、多用途化。目前我國的漁政船多為中小型船，大型漁政船較少。

1)樣本分析

收集到國內(nèi)外相關(guān)船型共計136艘(主要包含1990年以后服役的船舶)，其中國內(nèi)28艘，國外108艘，在國外的樣本中，大多來自于日本、韓國和美國，樣本以中、大型為主(由于搜集的樣本資料不是很全，每艘船不能全部包含所要求的數(shù)據(jù)資料)。在132個有效樣本資料中，有71個提供了總噸位(GT)數(shù)據(jù)，67個提供了排水量數(shù)據(jù)，故在進行回歸分析時，對提供總噸位的樣本進行總噸位與其他主尺度的分析，對提供排水量的樣本進行排水量與其他主尺度的分析。

搜集到的樣本涵蓋了從100多總噸位的中小型船到幾千總噸位的大型船，噸位最大的為日本的漁業(yè)調(diào)查船NISSHIN MARU，總噸位為8 044 t，噸位最小的船為中國漁政44025/44163/44081系列船，總噸位為139 t。表1統(tǒng)計了各分段內(nèi)樣本數(shù)量分布情況。

表1 樣本船各噸位分布情況Tab．1 The tonnage distribution of the sample vessels

分析可知，總噸位和排水量處在300～1500之間的船舶數(shù)量較多，說明樣本中中型海監(jiān)船、漁政船數(shù)量相對較多，而小型和大型船數(shù)量則相對要少。

2)回歸結(jié)果

由于樣本數(shù)據(jù)量相對較少，為提高回歸公式相關(guān)度，故在進行分析時不進行噸位或排水量階段劃分，而對提供總噸位和提供排水量的船舶分別建立一套通用的數(shù)學(xué)模型。

建模時，先對樣本資料進行分析，剔除明顯不合理數(shù)據(jù)，分別利用Excel回歸分析、MATLAB的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱進行，進行數(shù)學(xué)模型的回歸，最后再進行數(shù)學(xué)模型的驗證。

①以GT為自變量的統(tǒng)計公式

以總噸位GT為自變量，分別建立垂線間長LPP、型寬B、型深D和吃水d與GT之間的函數(shù)關(guān)系，回歸模型如圖1所示。

②以Δ為自變量的統(tǒng)計公式

以排水量Δ為自變量，分別建立垂線間長LPP、型寬B、型深D和吃水d與Δ之間的函數(shù)關(guān)系，回歸模型如圖2所示。

2．2．2 以船長作為變量進行分析

1)樣本分析

由于漁政船和海監(jiān)船等執(zhí)法船的特殊性，其設(shè)計和建造一般須按照《鋼質(zhì)海洋漁船建造規(guī)范》［8］(以下簡稱《規(guī)范》)進行，《規(guī)范》中對船長則有具體的要求，例如結(jié)構(gòu)方面在第一篇船體2.17.2.2中規(guī)定：當(dāng)船長L＜30 m時，艙口圍板厚度可按公式t=0.05L+6.5 mm所得之值減小2 mm;電氣方面，第三篇電氣裝置2.4.3.1規(guī)定在船長不小于45 m的船舶至少應(yīng)設(shè)置2臺變壓器;舾裝方面，第五篇消防第2章分別討論了船長不小于60 m的船舶、船長不小于45 m但小于60 m的船舶、船長不小于30 m但小于45 m的船舶，以及船長小于30 m的船舶的結(jié)構(gòu)防火要求?？梢?，船長對于漁政船和海監(jiān)船的重量(排水量)及性能有較大的影響，故在此以船長(垂線間長LPP)為變量進行回歸分析，結(jié)合漁政船和海監(jiān)船設(shè)計特點，以24 m，30 m，45 m，60 m，75 m和100 m作為分界點。

分別將以上2種情況下的船長分布情況列于表2中，通過分析可知，船長大部分布在30～75 m范圍內(nèi)，即中型船舶占較大比例，與總噸位和排水量分析一致。

圖1 主尺度與總噸位GT關(guān)系散點圖Fig.1 The relationship scatter of the principal dimensions and gross tonnage

圖2 主尺度與總噸位Δ關(guān)系散點圖Fig.2 The relationship scatter of the principal dimensions and displacement

表2 樣本船垂線間長LPP分布Tab．2 The LPPdistribution of the sample vessels

2)回歸結(jié)果

分析總噸位GT和排水量Δ與船長LPP的關(guān)系，得出回歸式(1)和式(2)，散點分布圖如圖3所示。

2.3 數(shù)學(xué)模型驗證

為了驗證所提出的數(shù)學(xué)模型的有效性，分析這些回歸公式的誤差范圍，分別選取樣本中的5艘船舶進行誤差分析，表3～表5分別是按GT、Δ和LPP回歸建立數(shù)學(xué)模型后的誤差分析結(jié)果?？梢钥闯觯ㄟ^回歸計算所得目標(biāo)值與實際值誤差較小，總的來說，以總噸位GT為自變量的數(shù)學(xué)模型誤差分析中，BP回歸模型的結(jié)果誤差較小，以排水量Δ為自變量的數(shù)學(xué)模型誤差分析中，RBF回歸模型的結(jié)果誤差較小，可作為經(jīng)濟論證和初步設(shè)計時參考。

表3 以總噸位GT為自變量的數(shù)學(xué)模型驗證Tab．3 The mathematical model validation based on the gross tonnage as the independent variable

表4 以排水量Δ為自變量的數(shù)學(xué)模型驗證Tab．4 The mathematical model validation based on the displacement as the independent variable

(續(xù)表)

表5 以垂線間長LPP為自變量的數(shù)學(xué)模型驗證Tab．5 The mathematical model validation based on the LPPas the independent variable

3 結(jié)語

本文通過對漁政船、海監(jiān)船主尺度進行回歸分析，建立一定的數(shù)學(xué)模型，分析了總噸位或排水量與主尺度之間的關(guān)系，并通過實船對回歸模型進行驗證，通過誤差分析，證實模型的可靠性和適用性。提供一定的漁政船和海監(jiān)船主尺度變化的規(guī)律，為漁政船、海監(jiān)船的初步設(shè)計提供了很好的參考依據(jù)。

［1］聯(lián)合國．聯(lián)合國海洋法公約［EB/OL］．http：//www．un．org/zh/law/sea/los/index．shtml．1982 －12 －10．

［2］國家海洋局．2010年中國海洋經(jīng)濟統(tǒng)計公報［EB/OL］．http：//www．soa．gov．cn/soa/hygbml/jjgb/ten/webinfo/2011/03/1299461294189991．htm．2011－03－09．

［3］李百齊，等．海洋戰(zhàn)略與海洋管理研究［M］．北京：中國文史出版社，2005．32．

LI Bai-qi，et al．Marine strategy and marine management research［M］．Beijing：Wen Shi Express，2005．

［4］馬坤，林焰，等．大連300噸級漁政船技術(shù)設(shè)計［R］．大連：大連理工大學(xué)船舶CAD工程中心，2010．

MA Kun，LIN Yan，et al．The technical design of Dalian 300-tonnage fishery patrol［R］． Dalian： Ship CAD Engineering Center，School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Dalian University of Technology，2010．

［5］馬坤，林焰，等．山東300噸級漁政船技術(shù)設(shè)計［R］．大連：大連理工大學(xué)船舶CAD工程中心，2011．

MA Kun，LIN Yan，et al．The technical design of Shandong 300-tonnage fishery patrol［R］． Dalian： Ship CAD Engineering Center，School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Dalian University of Technology，2011．

［6］馬坤，林焰，等．大連400噸級海監(jiān)船技術(shù)設(shè)計［R］．大連：大連理工大學(xué)船舶CAD工程中心，2011．

MA Kun，LIN Yan，et al．The technical design of Dalian 400-tonnage fishery patrol［R］． Dalian： Ship CAD Engineering Center，School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Dalian University of Technology，2011．

［7］張明霞，林焰，等．大連45 m海域看護船技術(shù)設(shè)計［R］．大連：大連理工大學(xué)船舶CAD工程中心，2011．

ZHANG Ming-xia，LIN Yan，et al．The technical design of Dalian 45m guard ship［R］．Dalian：Ship CAD Engineering Center，School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Dalian University of Technology，2011．

［8］中華人民共和國農(nóng)業(yè)部漁船檢驗局．鋼質(zhì)海洋漁船建造規(guī)范(1998)［M］．北京：國防工業(yè)出版社，1998．

Register of Fishing Vessel of People's Republic of China．Steel marine fishing vessel construction rules(1998)［M］．Beijing：National Defence Industry Press，1998．

The regressive analysis of the principal dimensions of the fishery patrols based on single variable

LIU Fei1，LIN Yan1，2，LI Na1，YANG Qu1，WANG Yun-long1，SHEN Zhi-xin3
(1．Ship CAD Engineering Center，School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China;2．State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment，Dalian 116024，China;3．Fishery Machinery and Instrument Research Institute，Chinese Academy of Fishery Sciences，Shanghai 200092，China)

The present situation and tendency of the fishery patrols of our country are analyzed in this paper．Based on the statistics of the fishery patrols principal dimensions data，the mathematical models of the principal dimensions are established respectively using the stepwise regression method，the BP Neural Networks Toolbox and the RBF Neural Networks Toolbox of MATLAB．By analyzing the results of the comparative results，the result of RBF model is proved to be the best．The results indicate that the models are reliable and available by verifying the models on fishery patrols．The variation of the principal dimensions of the fishery patrols is helpful in guiding the quote design and the compact design．

fishery patrol;principal dimension;mathematical model;regressive analysis;neural networks

U662.2

A

1672－7649(2012)07－0049－06

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.07.010

2011－09－23;

2011－10－14

國家公益性行業(yè)科研專項：漁業(yè)節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)研究與重大裝備開發(fā)(201003024)

劉飛(1987－)，男，碩士研究生，主要研究方向為船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造。