基于結構分解和效費分析的執(zhí)法船舶延壽問題研究

楊成斌，張魯君，陳海龍

（中國人民武裝警察部隊海警學院，浙江 寧波 315000）

船舶是各個國家海上力量履行職能使命的重要依托，具有技術含量高、系統(tǒng)功能高度集成的特點[1]。隨著船舶服役年限的不斷增加，船體、推進系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、電子設備、管路系統(tǒng)等的故障率會不斷升高，致使船舶維修間隔期越來越短，維修成本越來越高，導致船舶的綜合效能越來越低下。當前，海上執(zhí)法船舶的維修主要以定期維修和臨時搶修的方式進行，通常大的定期維修活動結合船舶的等級修理進行[2]，這種維修模式存在修復故障的靶向性不強，維修工程過度耗費人力、物力、財力等問題[3]。特別是對于老舊船舶，此類問題尤為突出。針對海上執(zhí)法各型船舶老舊和使命任務繁重這一矛盾問題，根據船舶結構特點，本文提出一種基于裝備結構分解和效費分析的執(zhí)法船舶延壽決策模型。對如何延長老舊船舶服役年限，保持船舶可靠性能具有重要借鑒意義。

1 船舶結構分解

船舶在海上有效完成各種使命任務的實際效果，即船舶的綜合效能，是影響船舶使用壽命的重要方面[4]。船舶是由船體平臺和多個分系統(tǒng)、設備構成的綜合體，船舶的綜合效能是這些組成部分的功能有序整合之后的結果。一艘高效能的海上執(zhí)法船舶，具有良好的適航性，船舶內部空間和設施能夠較好地滿足船上人員的工作、生活需要，推進、電力、導航等系統(tǒng)使得該船能在一定海況條件下安全航行，并提供滿足任務需要的航向、航速、機動性、續(xù)航力和自持力，還需要具備適當的探測能力、指揮通聯(lián)能力、告警拒止能力，以及必要的火力打擊能力。執(zhí)法船舶結構分解如圖1所示。

圖1 執(zhí)法船舶結構分解

1）船體平臺。船舶首先是一個能夠提供足夠浮力和空間的船體平臺，其本質上是由艏艉柱、龍骨、底板、外板、甲板、肋板等具有相應強度和外形尺寸的鋼材，按照設計要求牢固焊接在一起而形成的幾何體，構成船舶的所有設施、設備都安裝在能夠穩(wěn)定漂浮于水面的船體平臺上。按照空間布局的位置關系，又可以將船體平臺分為上層建筑和基本平臺。船體內部分隔為很多不同用途的艙室，上層建筑可設置駕駛室、會議室、機要室、廚房、餐廳等場所，而基本平臺內部要分隔布置成機艙、油艙、住艙等各種艙室。船體平臺結構分解如圖2所示。船體平臺的好壞直接決定船舶是否能夠安全航行，是生成船舶綜合效能的基礎。

圖2 船體平臺結構分解

2）推進系統(tǒng)。船舶是能夠在海上航行的機動平臺，必須要有一套可靠的推進系統(tǒng)。推進系統(tǒng)通常包括主動力裝置、軸系和推進器[5]。海上執(zhí)法船舶的動力裝置大多選用四沖程高速柴油機作為主發(fā)動機，而推進器則選用螺旋槳，為了實現(xiàn)主機和螺旋槳轉速的匹配并傳遞動力，需要在主機與螺旋槳之間設置減速齒輪箱和傳動軸系。推進系統(tǒng)結構分解如圖3所示。

圖3 推進系統(tǒng)結構分解

3）電力系統(tǒng)。電力是船舶上僅次于推進動力的重要動力源，船上所有的機械設備幾乎都需要利用到某種形式的電力或電源，因此一套完備的船舶電力系統(tǒng)不可或缺。電力系統(tǒng)由發(fā)電機組、配電設備、輸電網絡等組成，海上執(zhí)法船舶的發(fā)電機組通常為柴油發(fā)電機組，由柴油機（副機）和發(fā)電機組成。電力系統(tǒng)結構分解如圖4所示。

圖4 電力系統(tǒng)結構分解

4）舵系統(tǒng)。推進系統(tǒng)只能讓船舶克服阻力而前行，但不能實現(xiàn)航向的保持和調整。為了保持或調整航向，使船舶能夠按規(guī)定的航向航行，并獲得機動性，必須配置舵系統(tǒng)。舵系統(tǒng)主要由舵、舵機和操舵機構組成。

5）導航設備。為了使船舶能夠沿著一定的航線順利抵達目的地，并且能夠及時避開海面或水中的礙航物和附近其他船舶，航海部門一方面需要隨時掌握本船所處位置坐標，另一方面需要能夠及時發(fā)現(xiàn)和避讓周圍的障礙物，實時感知船舶周邊態(tài)勢。海上執(zhí)法船舶常用的導航設備包括航海雷達、電子海圖、船舶自動識別系統(tǒng)等，導航設備結構分解如圖5所示。

圖5 導航設備結構分解

6）通信設備。船舶在每一次出航前、航行中和航次結束之后，都需要與上級指揮機構保持高效暢通的通信聯(lián)絡，在編隊航行或友鄰單位協(xié)作、接洽時也需要能夠相互通信，在執(zhí)行應急救援等特殊任務時還需要與民用船舶或外國船舶進行通信。因此，執(zhí)法船舶需要有一套完備的通信設備。考慮到不同的通信手段在加密與否、便捷程度、通信距離、通信效率等方面各有其自身特點，海上執(zhí)法船舶的通信設備種類較多，確保有效應對各種情境下的通信聯(lián)絡需求。通信設備結構分解如圖6所示。

圖6 通信設備結構分解

7）執(zhí)法器械。在維權執(zhí)法過程中，為了有效應對來自敵對勢力船舶或違法船舶的挑釁、襲擾，在特殊情況下有力實施告警、拒止、驅離、抓捕等措施，海上執(zhí)法船舶需要配備一些常規(guī)武器和非致命武器，包括艦炮、機槍、水炮、定向聲波、強光拒止器等，執(zhí)法器械結構分解如圖7所示。

圖7 執(zhí)法器械結構分解

8）執(zhí)法設備。海上執(zhí)法船舶的執(zhí)法設備主要包括光電取證設備、執(zhí)法記錄儀和船載高速工作艇。

9）管路系統(tǒng)。船舶的管路系統(tǒng)很多，除了推進系統(tǒng)和電力系統(tǒng)中為主機和副機服務的燃油、滑油、冷卻水等附屬管路系統(tǒng)外，還有一些全船性的管路系統(tǒng)，例如消防系統(tǒng)、艙底水系統(tǒng)、壓載水系統(tǒng)、日用淡水系統(tǒng)、衛(wèi)生水系統(tǒng)、疏排水系統(tǒng)，以及生活污水系統(tǒng)等，是船舶安全穩(wěn)定航行的重要保障。

10）其他輔助機械。其他輔助機械包括鍋爐、冷庫、空調、減搖鰭、起貨機、空壓機、風機、各種船用泵等。輔助機械大多與改善居住條件、保障船員生活條件有關。雖然不一定直接影響船舶的動力和航行安全，但卻是船舶長期有效執(zhí)行任務不可缺少的。

2 執(zhí)法船舶綜合效能模型

執(zhí)法船舶整體的綜合效能是在船體平臺、分系統(tǒng)和設備各自充分發(fā)揮其效能的基礎上，經由物質、能量和信息維度的復雜關聯(lián)整合得到的。準確分析和評估船體平臺、分系統(tǒng)和設備的效能，是分析和評估船舶整體綜合效能的基礎。

根據對船舶結構分解的結果，可以分別對船舶各組成部分的效能進行分析和評估。設船體平臺效能評估結果為E1、推進系統(tǒng)效能評估結果為E2、……、其他輔助機械效能評估結果為E10，在這些組成部分效能評估結果的基礎上，通過適當的加權求和方式，便可得到船舶整體的綜合效能Eint，如式（1）所示：

式中，i為船舶的第i個組成部分，i=1，2，…，10；λi為船舶效能在整體綜合效能中的相對重要度；Ei為船舶效能評估結果。

3 執(zhí)法船舶延壽修理決策模型

以一艘已經達到設計使用年限的執(zhí)法船為例，從效費分析的角度考慮船舶的延壽修理問題。

1）假設1。某型船的設計使用年限為Nsj，經過對分解結構中的船體平臺、推進系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等各組成部分的技術狀態(tài)分析評估后認為，如果進行延壽修理，所需的修理時間為tys，修理費用為Cys。

2）假設2。在全新完好狀態(tài)下，船舶的綜合效能值為Eqx，經過延壽修理后，其所能達到的綜合效能值為αEqx。α為修理深度，0 <α< 1，其值越大，意味著修理效果越好，船舶修理后的綜合效能值越接近全新完好狀態(tài)時的綜合效能；反之，α值越小，則表示船舶修理效果越差，船舶修理后的綜合效能值越低下。

3）假設3。隨著服役年限的增加，船舶故障率會越來越高，各組成部分會因腐蝕、疲勞、磨損、老化等原因而逐漸失效，其綜合效能值將逐年遞減，船舶綜合效能遞減因子為β，在設計服役年限內的第n年，船舶整體綜合效能退減為Eqx(1 -β)n-1。

4）假設4。船舶經過延壽修理后增加的使用壽命年限為Nys。

5）假設5。在已經服役的Nsj內，船舶的使用維護費用總和為Ctot，其中用于中修及以上等級修理的費用為Czx，用于中修及以上等級修理的時間為tzx。

6）假設6。經過延壽修理后，在船舶繼續(xù)服役的Nys年內，通常不再安排中修以上級別的修理。

根據上述假設，在完成船舶延壽修理之后的第n年，船舶的整體綜合效能將從初始狀態(tài)的Eqx變成αEqx(1 -β)n-1。

如果對船舶進行延壽修理，則在其后的服役期內發(fā)生的使用維護費·Nys可由式（3）得到：

定義船舶的效費比η為服役年限內船舶整體綜合效能總和與所需費用總和的比值，則對船舶進行延壽修理的費效比ηys為：

在船舶實際服役年限達到Nsj時，考慮重新建造一艘同型號的船，則所需的建造費用為Cjz，所需的建造時間為tjz，在同樣長的使用年限Nys內，新建造同型船的費效比ηjz為：

式中，ηys/ηjz為對船舶進行延壽修理的費效比與新建造同型船舶的效費比之比；ΔC為建造費用與延壽修理費用之差。

4 船舶延壽修理效費分析

分析式（6）的結構可知，在Cˉ和Nys基本保持不變的前提下，影響船舶延壽修理決策合理性的主要因素有3 個：①修理深度α。代表船廠的維修技術，即維修技術越好，船舶延壽修理的可能性越大。同時，船舶的使用情況和維護保養(yǎng)情況也會影響修理深度，因為在維修條件一定的情況下，船舶維護保養(yǎng)情況越好，越有利于恢復到接近于全新完好狀態(tài)。②建造費用與延壽修理費用之差ΔC。其值越大，則越有利于采取延壽修理，這個差值不僅取決于船舶建造成本，同時也取決于船舶延壽修理費用。③延壽修理費用Cys。該費用越低，越有利于采取延壽修理，在工時費一定的情況下，該費用受船舶維護保養(yǎng)情況的影響較大，因為船舶各組成部分維護得越好，則延壽修理的范圍和工作量就越少，從而延壽修理費用就越少。由以上分析可知，船舶服役期間的維護保養(yǎng)工作會直接或間接地從多方面影響到延壽修理的難度、效果和經濟性，這一點是值得船舶工作人員高度重視的。

顯然，在不需要考慮建造時間tjz與延壽修理時間tys的差別所造成影響的情況下，可以根據式（6）的計算結果來決定是否對船舶進行延壽修理。當延壽修理的效費比更高，也就是通過計算得到的ηys/ηjz大于1 時，應該采取延壽措施；否則，當重新建造一艘船的效費比更高，也即ηys/ηjz小于或等于1時，就不應該進行延壽修理，而是對船舶進行退役報廢處理并建造新的船舶，以獲得更高的殘值和效費比。

如果不得不考慮建造時間tjz與延壽修理時間tys的差別所造成的影響，例如短時間內無法補充足夠數量的新船可能對海上維權執(zhí)法任務的有效履行帶來困難，那么就必須綜合權衡時間差與效費比之差這2個方面的因素。假設延壽修理的效費比略低于重新建造的效費比，但延壽修理所需時間tys小于重新建造所需時間tjz，根據公式（4）、公式（5），這2種方案的效費比之差Δη為：

2種方案所需時間的差值Δt為：

在重新建造方案的效費比更高的情況下，如果仍然考慮進行延壽修理，那就意味著需要犧牲Δη的效費比來換取Δt的提前使用時間，這一決策是否合理，則主要取決于Δt的時間價值。

5 結束語

每一型船舶都有其設計使用年限，但船舶的實際使用壽命并不簡單決定于這一規(guī)定的年限。在綜合權衡船舶現(xiàn)有技術狀態(tài)、建造和修理成本、時間價值等多方面因素的基礎上，可以參考本文提出的決策模型，視情對船舶采取延壽修理措施，在效費比和時間價值占優(yōu)的條件下合理增加船舶使用壽命。另外，通過理論分析可知，船舶日常維護保養(yǎng)工作的落實情況將會從多個方面，直接或間接地影響延壽修理的可行性、合理性。