基于结构分解和效费分析的执法船舶延寿问题研究

杨成斌，张鲁君，陈海龙

（中国人民武装警察部队海警学院，浙江 宁波 315000）

船舶是各个国家海上力量履行职能使命的重要依托，具有技术含量高、系统功能高度集成的特点[1]。随着船舶服役年限的不断增加，船体、推进系统、电力系统、电子设备、管路系统等的故障率会不断升高，致使船舶维修间隔期越来越短，维修成本越来越高，导致船舶的综合效能越来越低下。当前，海上执法船舶的维修主要以定期维修和临时抢修的方式进行，通常大的定期维修活动结合船舶的等级修理进行[2]，这种维修模式存在修复故障的靶向性不强，维修工程过度耗费人力、物力、财力等问题[3]。特别是对于老旧船舶，此类问题尤为突出。针对海上执法各型船舶老旧和使命任务繁重这一矛盾问题，根据船舶结构特点，本文提出一种基于装备结构分解和效费分析的执法船舶延寿决策模型。对如何延长老旧船舶服役年限，保持船舶可靠性能具有重要借鉴意义。

1 船舶结构分解

船舶在海上有效完成各种使命任务的实际效果，即船舶的综合效能，是影响船舶使用寿命的重要方面[4]。船舶是由船体平台和多个分系统、设备构成的综合体，船舶的综合效能是这些组成部分的功能有序整合之后的结果。一艘高效能的海上执法船舶，具有良好的适航性，船舶内部空间和设施能够较好地满足船上人员的工作、生活需要，推进、电力、导航等系统使得该船能在一定海况条件下安全航行，并提供满足任务需要的航向、航速、机动性、续航力和自持力，还需要具备适当的探测能力、指挥通联能力、告警拒止能力，以及必要的火力打击能力。执法船舶结构分解如图1所示。

图1 执法船舶结构分解

1）船体平台。船舶首先是一个能够提供足够浮力和空间的船体平台，其本质上是由艏艉柱、龙骨、底板、外板、甲板、肋板等具有相应强度和外形尺寸的钢材，按照设计要求牢固焊接在一起而形成的几何体，构成船舶的所有设施、设备都安装在能够稳定漂浮于水面的船体平台上。按照空间布局的位置关系，又可以将船体平台分为上层建筑和基本平台。船体内部分隔为很多不同用途的舱室，上层建筑可设置驾驶室、会议室、机要室、厨房、餐厅等场所，而基本平台内部要分隔布置成机舱、油舱、住舱等各种舱室。船体平台结构分解如图2所示。船体平台的好坏直接决定船舶是否能够安全航行，是生成船舶综合效能的基础。

图2 船体平台结构分解

2）推进系统。船舶是能够在海上航行的机动平台，必须要有一套可靠的推进系统。推进系统通常包括主动力装置、轴系和推进器[5]。海上执法船舶的动力装置大多选用四冲程高速柴油机作为主发动机，而推进器则选用螺旋桨，为了实现主机和螺旋桨转速的匹配并传递动力，需要在主机与螺旋桨之间设置减速齿轮箱和传动轴系。推进系统结构分解如图3所示。

图3 推进系统结构分解

3）电力系统。电力是船舶上仅次于推进动力的重要动力源，船上所有的机械设备几乎都需要利用到某种形式的电力或电源，因此一套完备的船舶电力系统不可或缺。电力系统由发电机组、配电设备、输电网络等组成，海上执法船舶的发电机组通常为柴油发电机组，由柴油机（副机）和发电机组成。电力系统结构分解如图4所示。

图4 电力系统结构分解

4）舵系统。推进系统只能让船舶克服阻力而前行，但不能实现航向的保持和调整。为了保持或调整航向，使船舶能够按规定的航向航行，并获得机动性，必须配置舵系统。舵系统主要由舵、舵机和操舵机构组成。

5）导航设备。为了使船舶能够沿着一定的航线顺利抵达目的地，并且能够及时避开海面或水中的碍航物和附近其他船舶，航海部门一方面需要随时掌握本船所处位置坐标，另一方面需要能够及时发现和避让周围的障碍物，实时感知船舶周边态势。海上执法船舶常用的导航设备包括航海雷达、电子海图、船舶自动识别系统等，导航设备结构分解如图5所示。

图5 导航设备结构分解

6）通信设备。船舶在每一次出航前、航行中和航次结束之后，都需要与上级指挥机构保持高效畅通的通信联络，在编队航行或友邻单位协作、接洽时也需要能够相互通信，在执行应急救援等特殊任务时还需要与民用船舶或外国船舶进行通信。因此，执法船舶需要有一套完备的通信设备。考虑到不同的通信手段在加密与否、便捷程度、通信距离、通信效率等方面各有其自身特点，海上执法船舶的通信设备种类较多，确保有效应对各种情境下的通信联络需求。通信设备结构分解如图6所示。

图6 通信设备结构分解

7）执法器械。在维权执法过程中，为了有效应对来自敌对势力船舶或违法船舶的挑衅、袭扰，在特殊情况下有力实施告警、拒止、驱离、抓捕等措施，海上执法船舶需要配备一些常规武器和非致命武器，包括舰炮、机枪、水炮、定向声波、强光拒止器等，执法器械结构分解如图7所示。

图7 执法器械结构分解

8）执法设备。海上执法船舶的执法设备主要包括光电取证设备、执法记录仪和船载高速工作艇。

9）管路系统。船舶的管路系统很多，除了推进系统和电力系统中为主机和副机服务的燃油、滑油、冷却水等附属管路系统外，还有一些全船性的管路系统，例如消防系统、舱底水系统、压载水系统、日用淡水系统、卫生水系统、疏排水系统，以及生活污水系统等，是船舶安全稳定航行的重要保障。

10）其他辅助机械。其他辅助机械包括锅炉、冷库、空调、减摇鳍、起货机、空压机、风机、各种船用泵等。辅助机械大多与改善居住条件、保障船员生活条件有关。虽然不一定直接影响船舶的动力和航行安全，但却是船舶长期有效执行任务不可缺少的。

2 执法船舶综合效能模型

执法船舶整体的综合效能是在船体平台、分系统和设备各自充分发挥其效能的基础上，经由物质、能量和信息维度的复杂关联整合得到的。准确分析和评估船体平台、分系统和设备的效能，是分析和评估船舶整体综合效能的基础。

根据对船舶结构分解的结果，可以分别对船舶各组成部分的效能进行分析和评估。设船体平台效能评估结果为E1、推进系统效能评估结果为E2、……、其他辅助机械效能评估结果为E10，在这些组成部分效能评估结果的基础上，通过适当的加权求和方式，便可得到船舶整体的综合效能Eint，如式（1）所示：

式中，i为船舶的第i个组成部分，i=1，2，…，10；λi为船舶效能在整体综合效能中的相对重要度；Ei为船舶效能评估结果。

3 执法船舶延寿修理决策模型

以一艘已经达到设计使用年限的执法船为例，从效费分析的角度考虑船舶的延寿修理问题。

1）假设1。某型船的设计使用年限为Nsj，经过对分解结构中的船体平台、推进系统、电力系统等各组成部分的技术状态分析评估后认为，如果进行延寿修理，所需的修理时间为tys，修理费用为Cys。

2）假设2。在全新完好状态下，船舶的综合效能值为Eqx，经过延寿修理后，其所能达到的综合效能值为αEqx。α为修理深度，0 <α< 1，其值越大，意味着修理效果越好，船舶修理后的综合效能值越接近全新完好状态时的综合效能；反之，α值越小，则表示船舶修理效果越差，船舶修理后的综合效能值越低下。

3）假设3。随着服役年限的增加，船舶故障率会越来越高，各组成部分会因腐蚀、疲劳、磨损、老化等原因而逐渐失效，其综合效能值将逐年递减，船舶综合效能递减因子为β，在设计服役年限内的第n年，船舶整体综合效能退减为Eqx(1 -β)n-1。

4）假设4。船舶经过延寿修理后增加的使用寿命年限为Nys。

5）假设5。在已经服役的Nsj内，船舶的使用维护费用总和为Ctot，其中用于中修及以上等级修理的费用为Czx，用于中修及以上等级修理的时间为tzx。

6）假设6。经过延寿修理后，在船舶继续服役的Nys年内，通常不再安排中修以上级别的修理。

根据上述假设，在完成船舶延寿修理之后的第n年，船舶的整体综合效能将从初始状态的Eqx变成αEqx(1 -β)n-1。

如果对船舶进行延寿修理，则在其后的服役期内发生的使用维护费·Nys可由式（3）得到：

定义船舶的效费比η为服役年限内船舶整体综合效能总和与所需费用总和的比值，则对船舶进行延寿修理的费效比ηys为：

在船舶实际服役年限达到Nsj时，考虑重新建造一艘同型号的船，则所需的建造费用为Cjz，所需的建造时间为tjz，在同样长的使用年限Nys内，新建造同型船的费效比ηjz为：

式中，ηys/ηjz为对船舶进行延寿修理的费效比与新建造同型船舶的效费比之比；ΔC为建造费用与延寿修理费用之差。

4 船舶延寿修理效费分析

分析式（6）的结构可知，在Cˉ和Nys基本保持不变的前提下，影响船舶延寿修理决策合理性的主要因素有3 个：①修理深度α。代表船厂的维修技术，即维修技术越好，船舶延寿修理的可能性越大。同时，船舶的使用情况和维护保养情况也会影响修理深度，因为在维修条件一定的情况下，船舶维护保养情况越好，越有利于恢复到接近于全新完好状态。②建造费用与延寿修理费用之差ΔC。其值越大，则越有利于采取延寿修理，这个差值不仅取决于船舶建造成本，同时也取决于船舶延寿修理费用。③延寿修理费用Cys。该费用越低，越有利于采取延寿修理，在工时费一定的情况下，该费用受船舶维护保养情况的影响较大，因为船舶各组成部分维护得越好，则延寿修理的范围和工作量就越少，从而延寿修理费用就越少。由以上分析可知，船舶服役期间的维护保养工作会直接或间接地从多方面影响到延寿修理的难度、效果和经济性，这一点是值得船舶工作人员高度重视的。

显然，在不需要考虑建造时间tjz与延寿修理时间tys的差别所造成影响的情况下，可以根据式（6）的计算结果来决定是否对船舶进行延寿修理。当延寿修理的效费比更高，也就是通过计算得到的ηys/ηjz大于1 时，应该采取延寿措施；否则，当重新建造一艘船的效费比更高，也即ηys/ηjz小于或等于1时，就不应该进行延寿修理，而是对船舶进行退役报废处理并建造新的船舶，以获得更高的残值和效费比。

如果不得不考虑建造时间tjz与延寿修理时间tys的差别所造成的影响，例如短时间内无法补充足够数量的新船可能对海上维权执法任务的有效履行带来困难，那么就必须综合权衡时间差与效费比之差这2个方面的因素。假设延寿修理的效费比略低于重新建造的效费比，但延寿修理所需时间tys小于重新建造所需时间tjz，根据公式（4）、公式（5），这2种方案的效费比之差Δη为：

2种方案所需时间的差值Δt为：

在重新建造方案的效费比更高的情况下，如果仍然考虑进行延寿修理，那就意味着需要牺牲Δη的效费比来换取Δt的提前使用时间，这一决策是否合理，则主要取决于Δt的时间价值。

5 结束语

每一型船舶都有其设计使用年限，但船舶的实际使用寿命并不简单决定于这一规定的年限。在综合权衡船舶现有技术状态、建造和修理成本、时间价值等多方面因素的基础上，可以参考本文提出的决策模型，视情对船舶采取延寿修理措施，在效费比和时间价值占优的条件下合理增加船舶使用寿命。另外，通过理论分析可知，船舶日常维护保养工作的落实情况将会从多个方面，直接或间接地影响延寿修理的可行性、合理性。