超大型集裝箱船載重量的設(shè)計(jì)方法研究

鄧 愷，袁紅良，鄢慧敏

（1. 上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200030；2. 滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

0 引 言

進(jìn)入 21世紀(jì)以來(lái)，隨著貿(mào)易全球化的持續(xù)發(fā)展，全球貿(mào)易需求不斷擴(kuò)大，集裝箱船進(jìn)入了大型化的高速發(fā)展期。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，集裝箱船總運(yùn)力自1996年以來(lái)呈逐年遞增的趨勢(shì)，而集裝箱船隊(duì)總規(guī)模自2008年全球金融危機(jī)以來(lái)呈逐漸下降的趨勢(shì)，這意味著金融危機(jī)之后超大型集裝箱船在有限的新船訂單中所占的比例呈井噴式增長(zhǎng)。

回顧超大型集裝箱船近10a來(lái)的發(fā)展歷程可知，其發(fā)展并非簡(jiǎn)單的尺度擴(kuò)張，在不同的發(fā)展時(shí)期有著不同的市場(chǎng)特征。本文大致將超大型集裝箱船的發(fā)展歷程劃分為5個(gè)階段，即起步期（2006—2007年）、陣痛期（2008—2010年）、轉(zhuǎn)型期（2011—2012年）、高峰期（2013—2015年）和平緩期（2015年之后）。相較于傳統(tǒng)集裝箱船的設(shè)計(jì)，超大型集裝箱船具有尺度大、載重量大、載箱量大、航速低和油耗低等新技術(shù)特點(diǎn)。服務(wù)航速、功率、載重量和重箱數(shù)等主參數(shù)指標(biāo)相互交錯(cuò)、相互關(guān)聯(lián)，如何在研發(fā)之初確定這些主參數(shù)，從而在新造船合同談判中得到船東的青睞，是評(píng)判該設(shè)計(jì)方案是否成功的關(guān)鍵。若能通過(guò)分析已有典型超大型集裝箱船的船型參數(shù)，從而得到超大型集裝箱船載重量的設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)方法，不僅能為新船型初期的經(jīng)濟(jì)論證及研發(fā)設(shè)計(jì)提供有力依據(jù)，為新船型設(shè)計(jì)方案的產(chǎn)生提供可靠的方法和手段，還可為航運(yùn)部門及船東選擇最佳船型要素提供參考。

1 超大型集裝箱船船型數(shù)據(jù)庫(kù)及回歸分析方法

本文選取40艘具有代表性的9000～21000TEU新一代超大型集裝箱船建立船型分析數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)能基本涵蓋超大型集裝箱船市場(chǎng)上的所有系列船型。各船型數(shù)據(jù)主要來(lái)自英國(guó)造船工程學(xué)會(huì)出版的《世界船舶精英集》（Significant Ships）中2009—2015年間的超大型集裝箱船代表船型及部分公開(kāi)船型資料。

本文以載重量指標(biāo)為切入點(diǎn)，分別以船長(zhǎng)L，船寬B，名義總箱數(shù)Nc，14t均箱數(shù)n等船型要素[2]為x坐標(biāo)，以載重量為y坐標(biāo)，繪制各要素與載重量之間的散點(diǎn)分布圖，分析各要素與載重量之間的關(guān)聯(lián)性，得到適用于超大型集裝箱船載重量設(shè)計(jì)的回歸經(jīng)驗(yàn)公式。同時(shí)，以每箱每噸海里能耗指數(shù)J等指標(biāo)為載重量指標(biāo)合理性衡量因子，得到超大型集裝箱船載重量設(shè)計(jì)指標(biāo)評(píng)價(jià)方法。

本文采用回歸分析法研究數(shù)據(jù)庫(kù)中的船型要素組合與載重量的相關(guān)性，并將最常用的復(fù)相關(guān)系數(shù) R2作為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途_度的指標(biāo)[3]。R2越接近于1，回歸公式的擬合優(yōu)度就越好。

式(1)中：y?i為多項(xiàng)式在設(shè)計(jì)點(diǎn)i上的值；y?為響應(yīng)y的平均值。

2 超大型集裝箱船載重量與船型要素的關(guān)系

2.1 超大型集裝箱船載重量與長(zhǎng)寬比L/B的關(guān)系分析

促使集裝箱船大型化發(fā)展的外因是碼頭設(shè)施的升級(jí)及集裝箱綁扎技術(shù)的進(jìn)步，內(nèi)因是供需環(huán)境改變帶來(lái)的船型尺度的持續(xù)增大及載重量水平的持續(xù)提高。集裝箱船為布置型船舶，其長(zhǎng)和寬由集裝箱布置的行數(shù)及列數(shù)決定?，F(xiàn)以數(shù)據(jù)庫(kù)中各船型結(jié)構(gòu)吃水時(shí)的載重量為y坐標(biāo)，以長(zhǎng)寬比L/B為x坐標(biāo)，分析超大型集裝箱船載重量與主尺度之間的關(guān)聯(lián)性。圖1為載重量與長(zhǎng)寬比L/B的關(guān)系散點(diǎn)圖。

由圖1可知，超大型集裝箱船的載重量與長(zhǎng)寬比L/B的關(guān)系并非簡(jiǎn)單的線性相關(guān)性，僅相同型號(hào)的船型就具有趨于一致的長(zhǎng)寬比和載重量水平。具有最小長(zhǎng)寬比的船型為船長(zhǎng)300m，船寬48.2m的9000TEU級(jí)別集裝箱船；具有最大長(zhǎng)寬比的船型為船長(zhǎng) 335m，船寬 42.8m的8500TEU級(jí)別集裝箱船。值得注意的是，這兩型集裝箱船的載重量相當(dāng)。

圖1 載重量與長(zhǎng)寬比L/B的關(guān)系散點(diǎn)圖

DNV-GL最新發(fā)布的研究報(bào)告[4]表明：蘇伊士運(yùn)河的極限通航尺度限制（59m寬、17m深）是超大型集裝箱船大型化發(fā)展最大的制約因素；對(duì)船長(zhǎng)＞400m的情況進(jìn)行論證可知，增加現(xiàn)有船型的船寬及吃水是對(duì)設(shè)計(jì)改動(dòng)影響最小的可提升名義箱數(shù)的有效途徑；進(jìn)一步增加船長(zhǎng)雖然在理論上可一定程度地繼續(xù)降低單箱成本，但面臨著巨大的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改變及無(wú)港可停的尷尬局面。

本文預(yù)測(cè)，未來(lái)超大型集裝箱船不會(huì)輕易突破400m的船長(zhǎng)界限，同時(shí)隨著當(dāng)前超大型集裝箱船最大吃水已接近碼頭極限水平，市場(chǎng)上的新船型將會(huì)在9000TEU，10000TEU和14000TEU等現(xiàn)有船型的基礎(chǔ)上增加1～2列，即L/B將分布在5.9～6.2區(qū)間，B/T分布在3.3～3.8區(qū)間，而載重量分布在16萬(wàn)～20萬(wàn)t區(qū)間。

2.2 超大型集裝箱船載重量與名義總箱數(shù)的關(guān)系分析

集裝箱船大型化發(fā)展的最直觀表現(xiàn)是名義總箱數(shù)的持續(xù)增長(zhǎng)，現(xiàn)以各船型的名義總箱數(shù)為 x坐標(biāo)，以結(jié)構(gòu)吃水時(shí)的載重量為y坐標(biāo)，得到散點(diǎn)分布圖及趨勢(shì)線見(jiàn)圖2。由圖2可知，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為 0.9659，已非常接近于 1，表明超大型集裝箱船載重量與名義總箱數(shù)之間存在較好的線性關(guān)聯(lián)趨勢(shì)。

根據(jù)圖 2所示的趨勢(shì)線，超大型集裝箱船載重量DW與船型最大名義箱數(shù)Nc的關(guān)系可近似表示為

圖2 載重量與名義總箱數(shù)關(guān)系散點(diǎn)圖

利用式(2)，研發(fā)設(shè)計(jì)人員可根據(jù)目標(biāo)船型的最大箱數(shù)指標(biāo)快速估算出大致的載重量水平區(qū)間，實(shí)現(xiàn)新船型載重量指標(biāo)的初步定位。

2.3 超大型集裝箱船載重量與貨艙內(nèi)、甲板上箱數(shù)的關(guān)系分析

由于近年來(lái)綁扎技術(shù)持續(xù)進(jìn)步及碼頭設(shè)施不斷完善，綁扎橋由2層升級(jí)為3層，甲板上的堆箱高度由8層變?yōu)?層、10層或11層，使得近幾年交付的新船的甲板上堆箱數(shù)激增，出現(xiàn)許多船型相同但總箱數(shù)不同的情況。這使得單一采用名義總箱數(shù)進(jìn)行載重量預(yù)報(bào)的方法存在一定的片面性。結(jié)合本文采集的船型數(shù)據(jù)，下面3種9000TEU集裝箱船具有相同的主尺度和載重量水平，但總箱數(shù)及甲板箱數(shù)以2012年交付的“ATHENS”最小、2015年交付的“ARKANSAS”最大。就船型設(shè)計(jì)而言，三者并無(wú)大的區(qū)別，僅僅是各自空氣吃水及甲板上堆箱的層數(shù)不同。若直接套用式(2)，則計(jì)算載重量分別為115398t，108561t和105540t，所對(duì)應(yīng)的計(jì)算均值為109833t。表1為9000TEU代表船型要素對(duì)比。

表1 9000TEU代表船型要素對(duì)比

單獨(dú)采用名義總箱數(shù)進(jìn)行目標(biāo)船型的載重量估算無(wú)法體現(xiàn)新時(shí)期甲板箱數(shù)增多的最新技術(shù)趨勢(shì)，可能會(huì)使預(yù)報(bào)值相對(duì)失真。對(duì)此，將從數(shù)據(jù)庫(kù)中采集的名義總箱數(shù)Nc分為貨艙內(nèi)箱數(shù)Ni及甲板上箱數(shù)Nd，并

分別繪制Ni-載重量及Nd-載重量散點(diǎn)圖（見(jiàn)圖3和圖4），分別得到回歸公式

圖3 載重量與貨艙內(nèi)箱數(shù)Ni關(guān)系曲線

圖4 載重量與甲板上箱數(shù)Nd關(guān)系曲線

式(3)及式(4)的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2分別達(dá)到0.9629和0.9477，十分接近于1，是非常理想的。由圖4可知，載重量與甲板的堆箱數(shù)Nd并不呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，曲率隨著Nd的增加呈逐漸平緩的趨勢(shì)，這與圖3中曲線的走勢(shì)形成鮮明的對(duì)比。由圖3可知，隨著貨艙內(nèi)箱數(shù)Ni的增加，載重量呈快速上漲的趨勢(shì)，即上升曲率越來(lái)越大。從船型設(shè)計(jì)的角度看，貨艙內(nèi)堆箱數(shù)Ni屬于每種船型獨(dú)有的技術(shù)參數(shù)，其數(shù)值大小直接體現(xiàn)船舶結(jié)構(gòu)吃水以下的線型胖瘦及排水量大小。由于Nd和Ni的數(shù)值需要在研發(fā)方案初步成型之后才能量化，故可在研發(fā)設(shè)計(jì)初期根據(jù)研發(fā)方案的目標(biāo)總箱數(shù)Nc（式(2)）進(jìn)行載重量指標(biāo)的預(yù)估算，在完成初步線型開(kāi)發(fā)之后再根據(jù)貨艙內(nèi)箱數(shù)Ni（式(3)）和甲板堆箱數(shù)Nd（式(4)）對(duì)預(yù)估的載重量進(jìn)行驗(yàn)證，并快速判斷所研發(fā)船型的載重量是處于偏大風(fēng)格還是偏小風(fēng)格，以便在向船東及市場(chǎng)推介船型方案時(shí)具備快速響應(yīng)的技術(shù)基礎(chǔ)。

2.4 超大型集裝箱船載重量與14t均箱數(shù)的關(guān)系分析

超大型集裝箱船屬于寬體類集裝箱船，具有良好的穩(wěn)性[5]，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中所需壓載水比較少，尤其是在承運(yùn)的貨物平均重量較大的工況下所需壓載水幾乎為零，重箱數(shù)的多少可代表載重量的大小。基于此，在集裝箱船設(shè)計(jì)及商務(wù)決策領(lǐng)域，習(xí)慣將14t均箱數(shù)作為船型設(shè)計(jì)的重要衡量指標(biāo)之一?，F(xiàn)以各船型14t均箱數(shù)為x坐標(biāo)，以結(jié)構(gòu)吃水時(shí)的載重量為y坐標(biāo)，得到對(duì)應(yīng)的散點(diǎn)圖及趨勢(shì)線見(jiàn)圖5。

根據(jù)圖5所示的趨勢(shì)線，超大型集裝箱船載重量DW與船型14t均箱數(shù)n的關(guān)系可近似表示為

圖5 結(jié)構(gòu)吃水時(shí)的載重量與14t均堆箱數(shù)關(guān)系曲線

圖5所示的趨勢(shì)線印證了14t均箱數(shù)越大船型載重量越大的技術(shù)特點(diǎn)，且復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為0.9190，表明式(5)的線性回歸效果良好。在應(yīng)用中，若在招投標(biāo)時(shí)已知船東對(duì)14t均箱數(shù)的要求，則可通過(guò)式(5)直接估算目標(biāo)船型的載重量水平，并與船東的目標(biāo)載重量相對(duì)比，以此快速判斷出船東的船型技術(shù)要求是屬于偏載貨量型還是偏快速性省油型，以便在較短的時(shí)間內(nèi)調(diào)整設(shè)計(jì)思路，使新船型設(shè)計(jì)方案滿足船東需求。

3 超大型集裝箱船載重量經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)方法

船型設(shè)計(jì)是系統(tǒng)工程，設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣并不僅僅取決于載重量的大小，更不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為載重量越大越好，或載重量的選取越接近利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的數(shù)值越好。

DNV-GL在其最新的研報(bào)[6]中強(qiáng)調(diào)，對(duì)超大型集裝箱船進(jìn)行優(yōu)化應(yīng)著力于有效降低船型單位貨品的實(shí)際油耗成本，并與載重量、穩(wěn)性、線型及輕重箱等指標(biāo)息息相關(guān)。

業(yè)界曾將每箱每海里能耗指數(shù)[7]的大小作為船型經(jīng)濟(jì)性能的評(píng)估依據(jù)，由于本文主要研究載重量與船型參數(shù)的關(guān)系，故在其基礎(chǔ)上引入載重量指標(biāo)，重新定義每箱每噸海里能耗指數(shù)J，并將其計(jì)算式表示為

式(6)中：sP為主機(jī)最大裝機(jī)功率 SMCR；Nc為最大名義箱數(shù)；Vs為設(shè)計(jì)吃水下的服務(wù)航速；DWs為結(jié)構(gòu)吃水時(shí)的載重量。

能耗指數(shù)J作為船型經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)工具之一，用來(lái)指導(dǎo)未來(lái)新的船型設(shè)計(jì)方案，需保證其先進(jìn)性。因此，所參照的船型不應(yīng)繼續(xù)按照數(shù)據(jù)庫(kù)中的全部船型取加權(quán)平均的方式選取，而應(yīng)當(dāng)剔除舊船型，篩選出 2012年以后交付的符合時(shí)代潮流的較先進(jìn)的船型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。按照此原則，以結(jié)構(gòu)吃水時(shí)的載重量DWs為x坐標(biāo)，以能耗指數(shù)J為y坐標(biāo)，繪制關(guān)系散點(diǎn)圖（見(jiàn)圖6），得到能耗指數(shù)J的冪函數(shù)回歸公式（見(jiàn)式(7)）為

圖6 每箱每噸海里能耗指數(shù)J與結(jié)構(gòu)吃水時(shí)的載重量關(guān)系散點(diǎn)圖

采用冪函數(shù)得到的能耗指數(shù)J回歸公式，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.9548，且圓弧型的趨勢(shì)更貼近于超大型集裝箱船的船型發(fā)展特點(diǎn)。從圖6中可看出，能耗指數(shù)J隨著載重量的增大而持續(xù)降低，且近幾年最新交付船舶的能耗指數(shù)J基本分布在趨勢(shì)線下方。船型越小，代表單位成本競(jìng)爭(zhēng)力的能耗指數(shù) J上漲越明顯；隨著船型尺度的持續(xù)增大，能耗指數(shù)J顯著下降；當(dāng)大型化發(fā)展到船型極限臨界區(qū)間以后，能耗指數(shù)J降速趨于平緩。能耗指數(shù)J的走勢(shì)不僅證明了集裝箱船大型化確實(shí)能實(shí)現(xiàn)單箱成本的有效降低，也體現(xiàn)著超大型集裝箱船研發(fā)設(shè)計(jì)水平的持續(xù)進(jìn)步，未來(lái)超大型集裝箱船市場(chǎng)勢(shì)必會(huì)呈現(xiàn)新老船型加速更替的趨勢(shì)。

由于Vs實(shí)際上是船型在設(shè)計(jì)吃水時(shí)載重量DW對(duì)應(yīng)的主機(jī)持續(xù)輸出功率PNCR下的服務(wù)航速，且貨艙內(nèi)堆箱數(shù) Ni與船型線型設(shè)計(jì)的關(guān)系比名義箱數(shù)Nc更加密切，可引入修正因子J1，用以分析船型設(shè)計(jì)吃水時(shí)的載重量DW所對(duì)應(yīng)的每箱每海里能耗水平，其計(jì)算式為

圖7為修正能耗指數(shù)J1與設(shè)計(jì)吃水載重量DW關(guān)系數(shù)點(diǎn)圖。由圖7可得到超大型集裝箱船船型設(shè)計(jì)吃水時(shí)載重量對(duì)應(yīng)的修正能耗指數(shù)J1的冪函數(shù)回歸公式為

由于以往習(xí)慣于將結(jié)構(gòu)吃水下的最大載重量DWs作為合同考核指標(biāo)，故數(shù)據(jù)庫(kù)中許多船型在設(shè)計(jì)吃水下的載重量DW信息較難收集，導(dǎo)致式(9)的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為0.9226，回歸效果略低于式(7)。因此，在應(yīng)用上述載重量經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)公式時(shí)，應(yīng)以評(píng)價(jià)指數(shù)J為主，將指數(shù)J1作為船型經(jīng)濟(jì)性判斷的雙重驗(yàn)證和補(bǔ)充。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)超大型集裝箱船典型船型的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，分別基于目標(biāo)船型最大名義箱數(shù)Nc，貨艙內(nèi)箱數(shù)Ni，甲板上堆箱數(shù)Nd和14t均箱數(shù)n得到適用于超大型集裝箱船載重量指標(biāo)估算的4個(gè)經(jīng)驗(yàn)回歸公式。同時(shí)，引入載重量的每箱每噸海里能耗指數(shù)J和修正因子J1，作為超大型集裝箱船的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的評(píng)價(jià)因子之一?；谳d重量的超大型集裝箱船設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)流程圖見(jiàn)圖8，為超大型集裝箱船的研發(fā)設(shè)計(jì)提供參考。

圖8 基于載重量的超大型集裝箱船設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)流程圖

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