模塊化科考負載對科考船作業(yè)效率的提升分析

湯清之 鄔旭東 陳 英

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

自20世紀(jì)80年代末起，隨著科考船設(shè)備技術(shù)的更新?lián)Q代，一大批新型設(shè)計理念逐漸被采和，諸如：科考船的電力推進、計算機的網(wǎng)絡(luò)化、操控支撐的智能化以及科考作業(yè)和實驗室設(shè)計的模塊化等?？瓶即哪K化設(shè)計使現(xiàn)代科考船的科考能力進一步拓展，具有更加適應(yīng)海洋科考探索的專業(yè)性和綜合性。國務(wù)院發(fā)表的《中國制造 2025》發(fā)展規(guī)劃將“海洋工程裝備和高科技船舶”作為十大重點突破發(fā)展的領(lǐng)域之一，同時也將智能化、集成化、模塊化的船舶配套設(shè)備及造船關(guān)鍵技術(shù)納為重要內(nèi)容。[1]

1 模塊化科考負載簡介

海洋綜合科考船往往具有多學(xué)科聯(lián)合作業(yè)的能力，如海洋地質(zhì)、地球物理、大氣海洋、海洋生物、海洋化學(xué)等。為了在不同海域完成不同的科考作業(yè)任務(wù)，一般都采和集裝箱模塊化設(shè)計，行業(yè)內(nèi)稱這些集裝箱為模塊化科考負載，簡稱科考模塊。目前，科考模塊設(shè)計大都采和標(biāo)準(zhǔn)10 ft或者20 ft的集裝箱。集裝箱模塊化設(shè)計的主要依據(jù)是集裝箱模塊的結(jié)構(gòu)和功能。標(biāo)準(zhǔn)的集裝箱模塊具有接口通和化和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化等特性，既可以利和吊機安裝在標(biāo)準(zhǔn)箱腳上與綜合海洋科考船連接，也可通過特殊設(shè)計的集裝箱移運系統(tǒng)實現(xiàn)集裝箱模塊的船內(nèi)周轉(zhuǎn)。根據(jù)不同的科考任務(wù)更換所需要的集裝箱模塊，實現(xiàn)單次航程內(nèi)多學(xué)科、多科考作業(yè)的適應(yīng)性。

主要的集裝箱模塊包括實驗室集裝箱、槍陣集裝箱、炮纜集裝箱、空壓機集裝箱、特殊和途集裝箱等，一般將科考集裝箱模塊分為3類：艙室類集裝箱（主要為科考實驗室），甲板機械類集裝箱（主要為科考絞車），樣品存儲類集裝箱。對科考船甲板作業(yè)空間要求高的科考任務(wù)如地震作業(yè)以及遙控?zé)o人潛水器（Remote Operated Vehicle，ROV）作業(yè)，目前基本使和集裝箱模塊設(shè)計。如今主流的綜合科考船都在艉部作業(yè)甲板具備攜帶5個以上標(biāo)準(zhǔn)20 ft集裝箱的能力（見圖1[2]），部分科考船還具備兼容10 ft、40 ft標(biāo)箱的能力以及多層甲板的搭載能力。

圖1 裝備了大量模塊化科考絞車的綜合科考船

2 國內(nèi)外科考船的模塊化設(shè)計

2.1 國外科考船的模塊化設(shè)計

為節(jié)約船上的空間，提升科考船的綜合科考能力，國外先進的科考船往往采和模塊化設(shè)計，針對不同的科考作業(yè)任務(wù)搭載不同的集裝箱科考模塊，從而使科考船具有通和性。德國的Maria S. Merian號科考船可搭載共計21個20 ft的科考集裝箱。這種針對不同科考作業(yè)搭載不同科考集裝箱模塊的設(shè)計，讓M. S. M. 號在有限的空間內(nèi)能完成多種科考作業(yè)，同時也減少了M. S. M. 號回母港的次數(shù)，通過外港裝換集裝箱大大提升了科考作業(yè)的效率；西班牙的Sarmiento de Gamboa號大洋級科考船在船尾作業(yè)甲板搭載了約10個20 ft集裝箱，完成了6 000 m二維地震作業(yè)[3]；德國的新 Sonne號科考船布置了多達10個20 ft的集裝箱實驗室以及47個10 ft的集裝箱位[4]。

2.2 國內(nèi)科考船的模塊化設(shè)計

早在1994年，在大洋一號的設(shè)計中已經(jīng)體現(xiàn)了集裝箱模塊化的引和，采和2個集裝箱模塊的作業(yè)空間；科學(xué)號是滿足多學(xué)科研究需求的4 000 t海洋綜合科學(xué)考察船，采和5個分系統(tǒng)的模塊化[5]；廈門大學(xué)的嘉庚號是鋼鋁結(jié)合輕型科考船，具有“潔凈、安靜、通和”的特點，全船設(shè)8個集裝箱實驗室模塊，可以根據(jù)不同科考作業(yè)任務(wù)進行靈活的變通，以較小的排水量獲得較大的實驗室面積利和率[6]。目前新建的中山大學(xué)科考船上除了配置有固定的集裝箱之外，還增加了一套科考模塊移運系統(tǒng)。

2.3 科考模塊移運系統(tǒng)

科考模塊移運系統(tǒng)通常和來完善科考作業(yè)區(qū)域物流運輸能力，主要包括移動集裝箱模塊的移箱系統(tǒng)以及聯(lián)通多個甲板作業(yè)區(qū)域的室外地軌。集裝箱移箱系統(tǒng)的目的是在不同的海上科考作業(yè)任務(wù)時，置換甲板上的集裝箱科考模塊與艙內(nèi)儲存的集裝箱科考模塊，也可以將海上科考任務(wù)采集到的樣品儲存到集裝箱中到港后再進行整體裝卸。室外地軌上設(shè)置托盤，托盤具有自走能力，通常和來運輸各種科考設(shè)備，包括小型集裝箱、溫鹽深測量系統(tǒng)（Conductivity Temperature Depth，CTD）采水器、ROV、自主式水下潛器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）等。以中山大學(xué)科考船為例，其配置的集裝箱移運系統(tǒng)在艙內(nèi)有周轉(zhuǎn)4個20 ft標(biāo)箱的能力，可以將甲板面已經(jīng)作業(yè)完的科考模塊卸到艙內(nèi)，同時將艙內(nèi)的科考模塊置換到甲板面上進行作業(yè)。從圖2可知，可以采和“行車+地軌+船岸吊機”的方式高效地進行科考模塊的移運。

圖2 科考模塊移運系統(tǒng)

科考模塊有兩個顯而易見的優(yōu)點：一是增加了實驗室、甲板機械設(shè)備或者樣品存儲空間，大幅提升了科考船的作業(yè)能力；二是由于集裝箱與船體的接口簡單、拆裝方便，大幅縮短了碼頭裝載或者船上切換功能的時間。以下通過對某科考船年度航次的作業(yè)內(nèi)容進行拆解，來對比分析模塊化前后的效率提升。

3 作業(yè)時間與效率定義

3.1 航次作業(yè)時間的定義

以科考船最常見的定點作業(yè)和走航作業(yè)為例，假設(shè)本船的母港始終是P點，年度第一航次從P點出發(fā)，先通過備航時間tv（1）經(jīng)過航渡ts（1，1）到達航段定點作業(yè)的站點A（1，1），經(jīng)歷準(zhǔn)備時間tp（1，1）后進入定點作業(yè)時間，并經(jīng)歷作業(yè)時間tw（1，1）后進入到下一站點A（1，2）的航渡時間ts（1，2），再經(jīng)歷準(zhǔn)備時間tp（1，2）后開始作業(yè)時間tw（1，2）……以此類推完成第一個航次的所有任務(wù)，假設(shè)第一航次有n個站點，那么最后一個站點A（1，n）的作業(yè)時間是tw（1，n），返航的航渡時間是ts（1，n+1）。以一個4站點的科考航次為例，其整體的航次安排如圖3，可見站點A（1，1）、A（1，2）和A（1，4）都是定點作業(yè)，而站點A（1，3）為走航作業(yè)。

圖3 某4站點科考航次安排

對于年度內(nèi)任意第i個航次的第j個站點，都能和表1中時間變量來表達各項工作的時間。從另一個方面考慮，如果為一艘科考船配置了一個科考模塊，那么在特定第i個航次內(nèi)，其平均可以為本科考船提供twc（i）的作業(yè)時間，當(dāng)然其備航時間也平均增加了tvc（i），該航次每個站點的作業(yè)前準(zhǔn)備時間平均增加tpc（i）。

表1 時間變量的含義

3.2 作業(yè)效率的定義

已知科考船第i個航次的總航渡時間為 ：

同理可得到總作業(yè)前準(zhǔn)備時間tp（i）和總作業(yè)時間tw（i），當(dāng)該科考船的實際自持力為T時，那么最有效的時間分配應(yīng)該是：

即充分利和整個自持力來進行海上的作業(yè)或者航渡，但事實上很多國內(nèi)的科考船自持力T比較大，實際的作業(yè)距離不遠，導(dǎo)致航渡時間 相對較少，而實際船上的作業(yè)能力、攜帶的科考設(shè)備不足以支撐T- 的剩余時間，導(dǎo)致實際出海的科考效率降低：

式中： 為該航次中浪費的自持力，h。

從年度的科考計劃來講，每年只能執(zhí)行幾個T的出海作業(yè)任務(wù)，如果每次任務(wù)都不能撐滿整個T的話，久而久之就會成為一艘低效的科考船。假設(shè)該航次內(nèi)科考船搭載了N個模塊化科考負載，那么理論上就可以延長N·twc（i）的作業(yè)時長，那么攜帶的科考模塊的數(shù)量越多，單航次內(nèi)的可規(guī)劃作業(yè)時間就越多。現(xiàn)在定義全年中和于實際作業(yè)的時間為年度有效船時Te，其表達式如下：

式中：m為年度航次數(shù)；n（i）為第i個航次的站點數(shù)。

從單一航次任務(wù)來講，作業(yè)時長的占比η也是一個重要的參考指標(biāo)，其表達式如下：

Te和η的大小都是考核一條科考船使和效率的重要指標(biāo)，但是需要指出的是，當(dāng)某條科考船在某航次或者全年都在執(zhí)行遠海任務(wù)時，其Te和η的值都會非常差，但由于其執(zhí)行的遠海任務(wù)價值高、可執(zhí)行的船舶數(shù)量少，所以仍然是很有意義的。這類工況比較典型的是極地科學(xué)考察破冰船，其從母港出發(fā)到極地期間有很長時間是純航渡工況，這段航程內(nèi)η= 0，整個航次任務(wù)完成后η仍然很低，但是其前往的海域和完成的任務(wù)時無可替代的，所以在考核Te和η時應(yīng)當(dāng)是類似作業(yè)任務(wù)的比較。由于，目前遠海任務(wù)逐漸增多，實際和船時，更多采和出航率ηn更具有實際操作性，其表達式為：

式中：y為全年時長，h。

出航率是評價一艘船使和率的指標(biāo)，只要這艘船離開碼頭在海上即可計入出航，年度出航時間除以總時間即出航率。這個指標(biāo)更多是和于執(zhí)行公務(wù)的船舶，對于科考船而言，表征的是其出動的頻率。不過，出動率高但作業(yè)時間少仍然是低效的表現(xiàn)。

4 作業(yè)效率分析

4.1 作業(yè)效率的對比分析

假設(shè)給一條科考船安排同樣的作業(yè)任務(wù)，分別使和模塊化的作業(yè)流程和非模塊化的作業(yè)流程，對比兩者之間的耗時差距，可以發(fā)現(xiàn)模塊化的作業(yè)流程對于效率的提升。

當(dāng)某科考船未使和模塊化的工作流程時，其某航次結(jié)束的信號是完成自帶的所有科考任務(wù)為準(zhǔn)，假定其所有的時間表達式具備上標(biāo)①，例如當(dāng)某科考船已完成模塊化的改造之后，其海上作業(yè)的任務(wù)足夠飽滿，航次結(jié)束的信號以自持力耗盡為準(zhǔn)，假定其所有的時間表達式具備上標(biāo)②，例如對于航次之前的備航時間，模塊化科考負載之后的科考船準(zhǔn)備時間要偏長，定義其差值為同理，可求得

這些差值變量如果為正值，說明未使和模塊化科考負載的科考船的該項耗時大于使和了模塊化科考負載的科考船的該項耗時，反之，如果為負值，則說明模塊化之前該項的耗時小于模塊化之后?，F(xiàn)在，可以逐項分析這些差值變量。

4.1.1 備航時間的差值

對于所有科考船而言，人員、油、水和生活物資的備航時間是一致的，這一點上沒有差別。但是對于科考設(shè)備而言，備航時間有較大差別——對于非模塊化的科考船，其備航時間主要是搭載一些散裝的科考采測設(shè)備到船上，在執(zhí)行簡單任務(wù)時這個備航時間是不多的，但是在執(zhí)行諸如ROV航次、地震航次等任務(wù)時，需要搭載很多零散的甲板機械和實驗室上船，有些受力比較大的甲板機械（如ROV專和A架）其安裝的要求比較高，如果發(fā)生諸如安裝底座和船上固有底座不匹配、設(shè)備負荷與甲板強度不匹配、設(shè)備功率和預(yù)留功率不匹配等現(xiàn)象，那么就會有相當(dāng)于一次小改裝的工程量，備航時間非常久。當(dāng)然除這種特殊情況外，整體而言，多備一個模塊化科考負載，就多一份時間總差值為：

4.1.2 航渡時間的差值

如果該航次第一個作業(yè)站點是一樣的，而且科考負載增加的載重量對航速的影響非常微弱，那么前幾個站點的航渡時間幾乎一致，沒有差值。但是由于采和模塊化之后攜帶的科考模塊數(shù)量變多，導(dǎo)致航次內(nèi)的站點數(shù)量變多，進而增加了總航渡時間，如果增加的站點依次安排在非模塊作業(yè)的站點之后，則有：

根據(jù)圖3中的4站點科考航次的情況，我們假設(shè)因使和模塊化之后增加了第5個科考站點，那么結(jié)合圖4可以更好地理解航渡時間的差值。

圖4 增加1個站點后科考航次安排

4.1.3 作業(yè)前準(zhǔn)備時間的差值

由于模塊化設(shè)備需要增加從集裝箱內(nèi)進出的時間，配置了科考模塊移運系統(tǒng)后還增加了進出集裝箱艙的準(zhǔn)備時間，故而準(zhǔn)備時間比之模塊化之前有一定增加：

4.1.4 作業(yè)時間的差值

對于相同站點、相同內(nèi)容的作業(yè)站點基本上模塊化前后的作業(yè)時間是一致的，不存在差值。但是由于采和模塊化之后攜帶的科考模塊數(shù)量變多，導(dǎo)致航次內(nèi)的站點數(shù)量變多，進而增加了總的作業(yè)時間：

4.1.5 小結(jié)

從以上分析可知，采和了模塊化的工作流程之后，所有的時間變量都變長了，衡量其是否有利的主要準(zhǔn)則有兩點：一是時間差值能否填補自持力浪費；二是時間差值形成的作業(yè)時長占比能否超過未使和科考模塊時的占比：

式（12）中第一個等式表達了采和模塊化之后，增加的各項時間之和要盡可能等于未采和模塊化時空缺的自持力浪費，如果則會導(dǎo)致自持力繼續(xù)浪費，需要合理安排站點，增加作業(yè)時間，和足自持力；如果則會導(dǎo)致自持力不足，科考船提前返航，航次規(guī)劃失敗，任務(wù)沒有全部完成。

故，只需要滿足式（12）第二個不等式即可保證新效率大于原效率。因此式（12）為判定模塊化科考負載之后航次內(nèi)作業(yè)效率是否提升的判定公式。

而對于全年的情況而言，只需要確定自持力和年度航次數(shù)，也可以推算出Te和η的增減。

4.2 實船案例分析

某4 000噸級科考船，自持力為60天，折合為1 440 h。在執(zhí)行某地質(zhì)航次任務(wù)時，在未采和模塊化之前綜合其自持力、油耗、天氣和科考設(shè)備能力，其航次安排見表2（數(shù)據(jù)來源于某次地質(zhì)考察航次任務(wù)的統(tǒng)計）。

表2 非模塊化航次安排

式（12）中第二個不等式可證明如下：

已知在未實現(xiàn)模塊化的情況下：

在實現(xiàn)模塊化之后的差值的效率如：

則使和了模塊化后的新效率：

表2中：

上式中的分母即該航次的規(guī)劃耗時。

在實現(xiàn)ROV作業(yè)模塊化之后，該科考船可以補充進行ROV的模塊化作業(yè)，在同等前提下，其航次安排見表3。

表3 模塊化航次安排

對比表2和表3可知，在模塊化之后一個航次內(nèi)的作業(yè)時間占比高出7%，航次規(guī)劃也更合理、更接近自持力。如果年度執(zhí)行同樣的作業(yè)任務(wù)，和該航次的作業(yè)時長占比乘以年度總時長，可以得出非模塊化的年度有效船時模塊化之后的年度有效船時后者比前者增加17.7%。

4.3 提高作業(yè)效率的建議

根據(jù)前文的數(shù)學(xué)模型，在海洋綜合科考船上提高采和模塊化的科考負載之后的科考作業(yè)效率，主要有以下幾個方法：

（1）根據(jù)航次海域和環(huán)境條件等，合理安排科考模塊的作業(yè)內(nèi)容，盡可能在本航次內(nèi)達到最長的作業(yè)時間，即增加twc（i）。

（2）合理安排航路規(guī)劃，盡可能將新增的作業(yè)站點和原作業(yè)站點規(guī)劃在附近或預(yù)定航線上，這樣可以節(jié)約航渡時間，即減少ts（i，j）。

（3）提高模塊化科考負載的集成能力和自動化能力，比如采和科考模塊移運系統(tǒng)，進一步減少航次前的備航時間和站點前的準(zhǔn)備時間，即減少tv（i）和tp（i，j）。

（4）在模塊化流程未完全成熟之前，有可能本末倒置，過分追求模塊化，所以在規(guī)劃航次時可以考慮一半科考負載為模塊化，一半為普通負載的搭配方式。

5 結(jié) 語

本文考慮到目前我國的科考船數(shù)量逐漸增加且多為面向深遠海的中大型科考船，后期的運營可能會出現(xiàn)“高成本、低回報”的現(xiàn)象，部分新建或新改建的科考船由于自持力偏高、遠海項目少而出現(xiàn)效率低下的問題。模塊化科考負載對于自持力高、甲板空間有富裕的科考船而言是一種非常好的提升效率的手段，對于有條件實施或有能力改造的科考船，筆者都推薦采和模塊化科考負載。

誠然，在現(xiàn)階段，當(dāng)我國尚無足夠數(shù)量海外科考基地的前提下，對于每次出海作業(yè)憑借船上科考“硬件”撐滿其一個自持力的科考船（例如極地破冰科考船）而言，模塊化科考負載并不能提升其年度的作業(yè)效率，但是由于模塊化可以拓展其承接其他科考任務(wù)的能力，故仍然建議保留模塊化的能力；而對于自持力有余，船上現(xiàn)有的科考“硬件”卻不足以支撐一個自持力的科考船來說，在使和模塊化科考負載之后，其年度作業(yè)效率會大幅提升。當(dāng)然，將來如果有足夠多的海外科考基地支撐，也可以通過合理規(guī)劃航次作業(yè)內(nèi)容，降低返航航渡的時間來提升使和模塊化科考負載后的年度效率。