（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）西江集装箱船型论证及软件系统开发.pdf

中文摘要 摘要 西江是中国南方最大的天然河流，其径流量在内河中仅次于长江，素有“黄 金水道 美誉。西江中、上游分布着肇庆、梧州、贵港、南宁、柳州等主要港口。 随着西江流域经济发展，西江集装箱运输已经出现巨大需求和强劲发展潜力。本 文针对西江航道中长期发展规划和西江流域集装箱船型的标准化，通过调研西江 流域集装箱船船型、营运、船舶建造等方面的原始数据，对新一代西江干线集装 箱船型进行论证研究。 论文第l 章介绍了船型技术经济论证的发展概况，讨论了西江船型研究的必 要性和意义，并简要介绍了本文研究的主要内容；第2 章介绍了西江航运现状。 第3 章阐述了船舶技术经济论证原理和方法；第4 章介绍了船型技术经济综合评 判的两种方法，为船型评判排序提供理论依据；第5 章提出了西江干线集装箱船 型论证思想，采用分航段，分吨级的方法优化西江集装箱船型的吨级( 载箱量) 和主尺度要素，得到各航段的适航船型；第6 章介绍了应用m i c r o s o f te x c e l 办公 软件和v i s u a lb a s i c 编程语言开发的西江干线集装箱船型论证软件系统。最后， 总结全文工作，并提出对今后工作的展望。西江干线集装箱船型论证方法和结果， 可以为西江流域集装箱船型标准化、制定新一代集装箱船型发展规划提供参考。 关键词：船型论证；集装箱船；船型标准化；西江航运；软件系统 英文摘要 a b s t r a c t x i ji a n g sr u n o f fi ss e c o n dt oy a n g t z er i v e rw h i c hi st h el a r g e s tn a t u r a lr i v e ri n t h es o u t ho fc h i n aa n dk n o w na st h e ”g o l d e nw a t e r w a y ”r e p u t a t i o n t h em i d d l e a n du p p e rr e a c h e so ft h ex i j i a n gd i s t r i b u t ez h a o q i n g ，w u z h o u ，g u i g a n g ，n a n n i n g ， l i u z h o ua n do t h e rm a j o rp o r t s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fx i j i a n gd r a i n a g ea r e a e c o n o m y ，t h eg r e a tn e e df o rx i j i a n gc o n t a i n e rt r a n s p o r ti sa p p e a r e dw h i c hh a sa s t r o n gd e v e l o p m e n tp o t e n t i a l i na c c o r d a n c e 、析mt h el o n g - t e r md e v e l o p m e n tp l a n f o rt h ex i j i a n ga n dt h es t a n d a r d i z a t i o no ft h ex i j i a n gc o n t a i n e rs h i p ，t h i sp a p e ri s a b o u tt h er e s e a r c ho fe v a l u a t i o nf o ran e wg e n e r a t i o no fx i j i a n gc o n t a i n e rs h i p b a s e do nt h eo r i g i n a ld a t ao fc o n t a i n e rs h i pi n c l u d i n go p e r a t i n g ，s h i p b u i l d i n ga n d o t h e ra s p e c t s c h a p t e ro n eo ft h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to ft e c h n i c a la n d e c o n o m i ce v a l u a t i o nf o rs h i pt y p e ，d i s c u s s e st h en e c e s s i t ya n ds i g n i f i c a n c eo f r e s e a r c ho nx i j i a n gs h i pt y p e ，e x p l a i n st h em a i nw o r ko ft h i sp a p e rb r i e f l y ； c h a p t e rt w op r e s e n t st h es t a r e so fx o i a n gt r a n s p o r t a t i o n ；c h a p t e rt h r e ed e s c r i b e s t h ep r i n c i p l e so ft e c h n i c a la n de c o n o m i ce v a l u a t i o n ；c h a p t e rf o u ri n t r o d u c e st w o m e t h o d so ft h et e c h n i c a la n de c o n o m i ce v a l u a t i o nf o rt h es h i p ，w h i c hp r o v i d ea t h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h es h i ps o r t ；c h a p t e rf i v ep r o p o s e st h ei d e o l o g yo fx i ji a n g c o n t a i n e rs h i pt y p ee v a l u a t i o n ，t h eb e s ts h i pp l a n sw h i c ha r es u i t a b l ef o rt h e t y p i c a lr o u t e sa r ea c h i e v e db ys u b s e c t i o no fr o u t e sa n dt o n n a g e sm e t h o d ；c h a p t e r s i xi l l u s t r a t e st h es o f t w a r es y s t e mo fe v a l u a t i o nf o rc o n t a i n e rs h i pi nx i j i a n gu s i n g m i c r o s o f te x c e la n dv i s u a lb a s i c f i n a l l y , t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ef u l lt a s ka n d p r o p o s e st h ef o r e c a s t t h em e t h o d sa n dt h er e s u l t so fe v a l u a t i o nf o rx i ji a n g c o n t a i n e rs h i pc a np r o v i d er e f e r e n c et ot h ec o n t a i n e rs h i ps t a n d a r d i z a t i o na n dt h e e n g a g e m e n to fan e wg e n e r a t i o no fx i ji a n gc o n t a i n e rs h i pd e v e l o p m e n tp l a n k e yw o r d s ：s h i p - t y p ed e m o n s t r a t i o n ：c o n t a i n e rs h i p ：s h i p - t y p es t a n d a r d i z a t i o n ；x i j i a n g t r a n s p o r t a t i o n ；s o f t w a r es y s t e m 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文：酉江塞筮笪墅型途垂壁鏊鲑丕缠匠蕉：。除论文中 已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开 发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：鱼蕉硒 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密耐( 请在以上方框内打“4 ，) 论文储虢余秀卟师繇毒p 下 日期：x 。l q 年占月1 j 日 西江集装箱船型论证及软件系统开发 第1 章绪论 1 1 船型技术经济论证综述 船舶设计方案的优劣是根据船型的技术性能、经济性能等多方面的指标综合 衡量的，因此，光靠设计者的经验来主观判断很难保证决策的科学性。多年来船 舶工作者陆续开展了对船型选优决策的理论和方法的研究工作，现综述如下： 1 ) 常规优化方法 1 9 8 0 年，曾广武提出船舶中剖面设计优化方法【1 1 。 1 9 8 0 ，1 9 8 2 ，1 9 8 4 年，纪卓尚等【2 】 【4 1 将单纯形法与坐标轮换法结合，形成了 一种分层序列混合整数规划法，用来求解多目标有约束带有混合型变量的船舶设 计优化问题，并编制了软件。 1 9 8 5 年，叶恒奎用s u m t 混合罚因子优化方法对船舶型线作水动力优化1 5 1 。 2 ) 数据包络分析( d e a ) 方法 数据包络分析( d a t ae n v e l o p m e n ta n a l i s y s ，d e a ) 是美国著名的运筹学家 a c h a m e s 和经济管理学家w w c o o p e r 等人与2 0 世纪7 0 年代末首先以相对效率 概念为基础发展起来的一种效率评价方法。d e a 通过使用数学规划模型比较决策 单元( d e c i s i o nm a k i n gu n i t ，d m u ) 之间的相对效率，对每一个d m u 做出评价。 通过对输入、输出数据的综合分析，d e a 可以得出每个d m u 的综合效率数量指 标，据此将各d m u 定级排队，确定有效的d m u ，并指出其他d m u 非有效的原 因和程度，为决策者提供信息和决策支持。 1 9 9 5 年，刘寅东等6 1 ，应用d e a 的c 2 r ，c 2 g s 2 模型及确定前沿生产面原理， 提出了有限方案多缪奥船型选优决策等一类问题的解法，将船型决策问题定量化。 3 ) 层次分析( a h p ) 法1 7 】 由美国运筹学家s a a t y t l 于7 0 年代提出的层次分析法，可用于研究结构更 为复杂的多目标决策问题，它可以把定性问题定量化，使得评价结果更加趋于科 学和合理。但是由于该方法受到决策者的知识结构、个人偏好和评判水平等的限 制，使判断矩阵难以满足一致性。 许树柏等人于1 9 8 2 年底将其介绍到我国并得到广泛应用。在船舶设计领域， 第1 章绪论 我国的刘寅东、董一平、李劲松、陈宾康、夏丹、向溢等人采用a h p 法对船型方 案进行多准则决策分析； 1 9 9 6 年，刘寅东等应用a h p 原理和“1 叫 标度法，将定性分析与定量分 析相结合，提出了求解船型优选排序问题的方法，能反映决策者的偏好。 舒康等提出了“等距分级，等比赋值”的指数标度法，陈守煜提出了基于互 补性标度法( + 口，= 1 ) 的模糊决策法，且所给出的判断矩阵容易满足一致性条 件。 2 0 0 2 年，桑松等采用改进的a h p 方法进行船型方案的多目标优选决策。对 传统的a h p 方法进行改进时，采用构建三标度矩阵的方法，避免了采用九标度方 法构建判断矩阵时权重选择的模糊性，从而减少了决策过程中设计者的主观臆断 性。 2 0 0 4 年，张维英，纪卓尚，林焰提出多目标多层次船型方案模糊优选法，通 过提出模糊模式识别理论模型与模糊关系优选理论模型，以低层次的输出作为高 层次的输入，最后利用级别向量的特征值进行排序，对船型方案进行优选。 4 ) 模糊综合评判【8 1 - 1 l o l 根据模糊综合评判原理，多方案优选排序问题归结于求解评判向量b = a r ， 如何恰当的确定评判矩阵r 和指标重要度向量a 中元素的满意度和重要度，是进 行方案优选和排序的关键，目前采用的统计评定法、专家评定法和计算评定法都 避免不了主观随意性，需要改进。 1 9 8 7 年，曾广武、郝刚基于模糊数学原理，探讨了船舶设计中模糊因素和模 糊主管信息的解析化问题，提出模糊综合评判方法，用于船型、工艺方案、船舶 动力装置选优评判等问题。1 9 8 9 年，俞铭华运用多目标优化方法的最大最小法、 线性加权和法、理想点法和功效系数法，求解了多目标结构模糊优化设计问题。 1 9 9 1 年，刘应群等讨论了多目标模糊优化问题的两种解法；1 9 9 4 年，林焰探讨了 船舶主尺度的模糊多目标规划设计的方法；1 9 9 5 年，汤筱笙采用模糊数学规划方 法对船舶主尺度进行了技术经济分析。1 9 9 5 年，吴善勤等提出船舶方案的满意度 重要度综合评判法和二元对比综合评判法的选优方法。1 9 9 9 年，俞铭华等综述了 模糊分析设计理论在船舶工程中的应用现状，包括模糊综合评判、模糊可靠性分 西江集装箱船型论证及软件系统开发 析、模糊优化设计、模糊模式识别等方面的研究进展，并对今后的研究方向提出 了建议。该方法是在单因素评判的基础上，通过模糊运算，得到多因素的综合评 判，其优点是可对涉及模糊因素的系统进行综合评判，适用于评价因素多、结构 层次复杂的对象。其不足之处是隶属函数的确定还没有系统的方法，选用什么样 的模糊运算来进行综合评判还有待于进步探讨。 5 ) 模糊规划法 1 9 9 1 年，张克邦等提出了模糊规划问题的一种数值解法，并给出船舶结构设 计应用示例。 1 9 9 2 年，吴建国等提出了一种基于统计分析的内河驳船主尺度要素模糊优化 模型。 1 9 9 3 年，郝刚、俞明华、肖锦波等分别提出了船舶设计中将模糊因素和模糊 主观信息解析化的方法，并建立了多目标优化模型和解法，给出了船舶结构优化 算例。 6 ) 目标规划法 1 9 9 2 年，胡运昌等针对船舶优化设计及运输系统分析，提出一种交互多目标 约束规划方法【1 1 1 。 1 9 9 4 年，林焰阐述了应用模糊多目标规划设计来优化确定船舶主尺度的方 法，提出了船舶设计中主尺度设计中的模糊性，确定主尺度的模糊多目标规划的 数学模型并转化为一系列非模糊规划求解。 7 ) 模糊退火优化方法 1 9 9 3 年，林焰等奖模拟退火( s a ) 算法用于求解单目标船舶设计最优化问 题。 8 ) 谁交分析法【1 2 1 1 9 8 3 年，吴善勤提出了船型参数优选的正交分析法，1 9 9 3 年裘泳铭对该方法 做了一些改进。1 9 9 4 年薛茂、顾敏章和裘泳铭等提出了多目标萨交优化设计的模 糊分析法，解决了j 下交分析法存在的显著性检验水平问题，避免了大量的统计计 算和方差分析，使方法更加实用。 2 0 0 2 年，桑松等提出了基于交互式多目标决策的船型技术经济评价决策系 第1 章绪论 统。同年，汪敏等论述了交互式逐步折衷法i s t m 的数学模型及计算步骤，并将 此方法应用于船型优化中，验证了方法的可行性和有效性。 9 ) 其他方法 1 9 9 1 年，邵启一，席龙飞提出了船型论证的效用函数法【1 3 1 。 1 9 9 4 年，蔡薇，席龙飞提出分步筛选法【1 4 1 。 1 9 9 5 年，吴善勤等提出了满意度重要度综合评判法和二元对比综合评判方 法。 2 0 0 5 年，刘寅东，孙承猛提出了吃水随航道水深变化时的船型论证方法。当 航道水深变化对船舶吃水有影响时，可通过船舶年平均装载率和年货运量对船型 作技术经济论证的思想。 2 0 0 5 年，刘寅东在专著船舶设计决策支持理论及应用中系统介绍了其在 该领域的相关研究成果，并对我国船舶设计决策分析方法研究历程及现状作了综 述，介绍了船型论证问题的特征、决策支持系统思想和方法。阐述了层次分析模 型与方法的基本原理和多准则船型方案评判的数据包络分析模型的基本原理和方 法，人工神经网络模型与方法的基本原理，决策支持系统原理和方法等。 2 0 0 6 年，刘寅东，唐焕文编写的专著船舶设计决策理论与方法，围绕船 舶设计中的相关决策问题，从管理决策科学的角度，比较系统地介绍了决策支持 理论、方法及其在船型优化论证、船舶总体设计等领域的应用。 2 0 0 9 年，刘寅东，苏绍娟发表了“长江散货运输组织方式优化及船型论证 这篇文章，提出了基于典型航线和典型航段进行船型论证的思想。 综上所述，现有的关于船舶设计决策方法的研究成果，使船舶设计决策向定 量化，科学化方向发展，其中某些方法的解决在船舶设计中显示出良好的应用前 景，但应该看到，现有方法要有效地应用于船型论证实践中解决某些实际问题还 不够成熟，在方法和理论研究方面还需要进一步完善。 1 2 西江船型研究的必要性 1 ) 丌展船型研究，是社会经济发展的需要 广西船舶业经历了一个从木质船到钢木结构船再到钢质船、从小吨位向较大 吨位的发展过程，从早期的单船载重2 0 - 3 0 吨发展到目前的单船载重2 千吨。与 西江集装箱船型论证及软件系统开发 运输市场的发展和需求及航道条件的日益改善相比，内河船型的发展明显滞后， 开展船型研究，将使今后船舶的发展和运输市场和航道发展相适应，使船舶进入 良性发展的轨道。 广西贵港梧州界首2 9 6 k m 航段是广西水运最繁忙的主要水运线，年完成运 量占全广西内河的8 8 ，目前该航段新建的船舶吨位大多在8 0 0 1 5 0 0 吨之间，营 运中最大吨位的船舶为2 5 0 0 吨。平南、梧州新港等一批2 0 0 0 吨级以上码头泊位 纷纷开工或将要开工建设，并且随着南宁梧州三级航道的建成和三个枢纽船闸 ( 西津、贵港、桂平) 的建成运行，极大改善了航道条件，航道通过能力大大改 善，将使贵港梧州航道提升为二级航道，可通航2 0 0 0 吨级船舶，这将促使船型 发展趋向大型化，极大地促进西江水运事业的发展。为了充分发挥水运优势，提 高航道建设后的水运综合效益，尽快研究解决当前船舶科技含量低、船型复杂、 综合运输效益欠佳的问题亟为迫切。 2 ) 开展船型研究，是广西航运事业发展的需要 长期以来，由于缺乏必要的造船行业导向，船舶修造企业实施设备简陋，技 术人员缺乏，管理模式落后，并且广西船民对船型没有科学的认识，又没有统一 的船型标准，船舶建造时的选型完全凭船东的经验，片面追求大载货量，造成船 型五花 k l - j ，有些船舶因选型不好，影响了营运的经济性能，营运一段时间觉得 不经济，再进行重大改装，造成资源的严重浪费。开展船型研究，一方面规范船 舶的选型，另一方面也为船东提供更多、更好的船型来选择，使船舶向经济型、 规范性和标准化发展，进而促进西江航运事业的健康发展。 3 ) 开展船型研究，是水上交通安全管理的需要 由于广西经济发展相对落后，船民的素质普遍较低，特别是乡镇船舶的船东， 不了解船舶建造的相关知识，加上船厂管理不到位，建造的船舶随意性强，难以 满足国家有关规范的要求，有些甚至直接影响到船舶的航行安全，虽然船检部门 检验不合格后再进行多次整改，但始终是先天不足。这些船舶的出现，严重影响 了运输市场的行业管理，给船舶检验管理带来了混乱，给水上交通安全也带来了 隐患。开展船型研究，将从根本上解决船舶建造的无序状态，减少事故隐患。 第1 章绪论 1 3 西江船型研究的目的和意义 开展船型标准化研究的目的，就是通过研究选择技术上可行、经济上合理的 最优船型，指导西江船舶的发展，使西江运输船舶逐步向规范化迈进。有利于船 舶向系列化、标准化发展，有利于航运市场整顿中促进运力技术结构调整，有利 于提高船闸的通航效率，有利于促使船舶具备安全航行的技术条件，有利于船舶 检验和管理，引导广西船舶逐步向性能优良、经济性好、造型美观、布置合理、 节能环保的方向发展。 1 4 本文研究的主要内容 船舶在营运中，涉及港口和航道，从而构成了船舶、港口和航道等有机组合 的大系统，因此，不论是设计建造新船还是规划一个大的运输系统，都应根据一 定的运输任务和使用条件，在现有同类营运船舶系统经验的基础上，建立不同的 船舶或运输系统方案。对于众多的方案，在技术上保证先进，性能上安全可靠， 生产上合理且科学的前提下，要寻求经济上合理的方案。这就要应用船舶工程经 济学的原理和方法，确定他们的经济指标，从而来比较选择经济性最好的方案， 以提高船舶或运输系统的经济效益，从而更好的服务于社会。 对于西江干线集装箱船舶运输来说，由于西江航道的限制，和集装箱船的特 点等条件的影响，无论是技术指标计算模型的选取，还是营运经济参数的选取和 现有船型论证都会有很大的变化。这就需要通过调研收集整理大量的船型资料和 各种客观条件，选择一种适合于西江干线集装箱船型选优的技术经济论证方法。 本文的目标是利用v i s u a lb a s i c 编程语言，开发西江干线集装箱船型论证系统， 得出西江干线最佳船型。 其主要内容包括： 1 ) 基础数据调研：西江航道的相关数据，西江营运数据，西江现有集装箱船 型数据。 2 ) 根据调研的数据，初步确定西江各典型航线各吨级的船型主尺度要素范围， 利用v i s u a lb a s i c 编程语言和m i c r o s o f te x c e l 相结合，按照全组合的方式组成若干 船型方案，对每个方案都进行技术经济性能计算。 西江集装箱船型论证及软件系统开发 3 ) 船舶设计方案的优劣是根据船型技术性能、经济性能等多方面的指标综合 衡量的，本文采用模糊综合评判方法和层次分析法进行船型方案的择优排序，在 排序的过程中也考虑了船闸利用率。综合考虑上述多方面的要数，得出技术先进， 经济合理的船型方案。 4 ) 对最优方案进行敏感性分析，绘制敏感性曲线，分析变化幅度及其规律， 对船型方案做出确切估计和评价。 5 ) 利用v b 编程，初步得出集装箱船型的纵向排箱图和横向排箱图。 6 ) 将最佳船型方案和现有集装箱船型数据进行对比分析。通过绘制散点图比 较得出最佳船型方案技术经济指标的改善程度。 7 ) 本文开发了西江干线集装箱船型论证系统。 第2 章西江航运现状 第2 章西江航运现状 2 1 西江流域概况 广西水运资源丰富，全区大小河流总长度约3 4 0 0 0 k m ，集雨面积在5 0 平方 千米以上的河流9 3 7 条，其中通航河流4 2 条，通航里程4 8 8 1 k m ，呈叶脉分布全 区，形成极为理想的天然河网。 广西河流分属西江水系、湘江水系和独立入海水系三大水系，其中西江水系 为广西的主要水系，西江水系流域面积3 5 3 1 2 0 平方千米，占全流域面积7 7 8 3 。 西江流域主要集中在广西，西江为珠江水系的主流，发源于云南省曲靖市乌蒙山 脉的马雄山，从上而下由南盘江、红水河、黔江、浔江、西江五个河段联接而成。 流经云南、贵州、广西、至广东省珠海市磨刀门汇入南海，全长2 2 1 4 k m 。 随着西江流域经济发展，西江航运出现了千帆竞发、百舸争流的繁荣景象， 给珠三角港口带来了活力，也给珠海港的发展带来了新的机遇。 2 2 航道建设规划 西江航运干线目前为三级航道，可通航10 0 0 吨级船舶，是广西内河最重要的 航道，目前西江航运干线船舶主要为3 0 卜1 0 0 0 吨级机动货船，以集体、个体船 舶为主。近年来，西江航运干线船舶通过更新改造及新增大吨位船舶，使运动结 构得到了较好的调整，能充分利用良好的航道通航条件，发挥船舶规模效益，减 低船舶营运成本，使云南、贵州与广东间货物铁水联运的良好格局逐步形成。 根据航道规划，2 0 3 0 年西江航运干线贵港至梧州段将建设为二级航道，可长 年通航2 0 0 0 吨级船舶。柳州至桂平段将建设为三级航道，可长年通航1 0 0 0 吨级 船舶。南宁至广州航道为常年可通航千吨级船队的三级航道。梧州至广州航道将 建设为一级航道。表2 1 为西江航道分月水深表。图2 1 为广西内河航道及港口分 层次布局规划图。 西江集装箱船型论证及软件系统开发 表21 西江航逍分月水深表 t a b2 1w m e rd e p t h o f x i j i a n gc h a n n e lp e r m o t l t h 分月航道水涤抽) 航段 + 二 一月 二月三月四月五月六月七月八月九月十月 月 月 ( 梧州) 桂汀河口 37 537 537 545 4 537 537 5 37 5 界首 贵港枢纽梧州 2 82 828282 8 南宁责港枢纽 z3 2 32323 23 摊州桂平 l7 5l _ 7 5l7 5262 62617 5l7 5l _ 7 5 剀21j 一内亍可航道及港 1 骨层次布局规划剖 f i g2 1t h ec h a n n e la n dp o r ta t l o c a t i o n i n g u a n g x i n v e r 第2 章西江航运现状 2 3 现有船舶技术现状 广西现有船舶1 1 9 9 0 艘，共1 1 3 0 3 7 3 总吨、1 3 6 6 8 7 8 载重吨、1 3 3 4 4 3 客位， 总功率为5 7 6 8 6 0 千瓦。其中货运船舶7 7 0 8 艘，占全区船舶总量的6 7 0 3 ，其中 跨省运输的货运船舶4 6 2 9 艘，占货运船舶总数的6 0 0 5 。由于广西船舶设计及 建造水平仍普遍处于较低水平，船舶的发展主要是船东之间的互相摹仿，船型设 计缺乏理论依托，一味追求大载货量，忽视了经济性能的综合考虑，导致船型五 花 k 、- j ，标准不一，能耗较大，不符合国家对经济性社会的要求，航道效率、船 闸效率也得不到提高。 在现阶段广西内河运输中，拖带船队已被淘汰，顶推船队尚未得到发展，主 要原因是货物( 包括回程货) 批量不大，货主对运输时间要求比较紧，项推船队 及拖带船队因航次时间比较长、灵活性较差，不适应市场需要。 西江航运干线整治为三级航道后，单船发展速度较快，船舶向大尺度、大吨 位方向发展的趋势更为明显，与1 9 9 9 年相比，2 0 0 3 年新建货船单船平均吨位增 长2 7 0 2 ，达3 8 5 总吨；单船平均载货量增长2 5 7 5 ，达4 6 4 9 载重吨；单船平 均功率增长18 9 6 ，达1 4 8 6 千瓦，目前单船的最大载重吨已发展到2 5 0 0 多吨， 发展前景可观。 西江集装箱船型论证及软件系统开发 第3 章船舶技术经济论证原理 3 1 概述 在现代船舶设计中，尤其是对于民用运输船舶而言，不仅要尽量使设计船满 足适用要求，具有良好的技术性能，还应该对船舶的经济性能给予充分的重视。 在设计建造一艘新船时，为完成给定的运输任务，从技术上说可以采用不同的船 型方案，但这些技术方案的经济效果是不相同的。通过对各个技术方案进行经济 效果评价，就可以选择出技术性能先进可靠、营运经济性能最佳的设计方案。反 之，如果在设计过程中片面追求技术经济指标的“先进性”，而忽略船舶的经济性， 将会导致设计方案的不合理，造成船舶营运中经济上的失策。这种船型设计失败 的教训在我国的船舶设计实践中是存在的。 船舶经济性包括单船经济性，船队经济性和运输系统经济性。船队经济性分 析包括船型、吨级、航速、船舶艘数、新船购置与旧船淘汰、船舶与港口航道的 关联等方面的论证与分析。船队中单船经济性和船队总投资效果是评价船队建设 方案最主要的依据。运输系统，如我国沿海煤炭港口海运系统，其经济性涉及港、 航、船、厂诸方面的经济问题，船舶在这个系统中只是一个环节。这时，单船经 济性的分析与论证应与水运系统的经济性协调配合。不过，对单船经济性的研究 和掌握是从事对船队经济性和运输系统经济性分析的基础。 船舶技术经济论证就是依据使用任务要求，从船型技术性能、经济性能、营 运环境、公约和规范、技术政策等方面，对设计方案进行论证分析、选优和试验 研究，从可行方案中，依据评价指标进行综合分析，选择在确保技术性能要求前 提下经济性能最佳的设计方案，使船舶获得良好的营运经济效益。 船型技术经济论证主要包括调查研究，论证方案的设立，船型方案技术、营 运及经济计算分析，船型选优决策和敏感性分析等内容【1 5 】。 3 2 船型技术经济论证的基本步骤和方法 在设计一艘新船时，通常可根据航运需求及营运条件，拟订出一系列可行的 船型方案，然后对这些方案进行技术、经济论证，及进行运输方式和营运情况的 分析研究，可行技术方案的探讨，造价、营运费及收入的估算，各方案的经济评 第3 章船舶技术经济论证原理 价等。进行船型技术经济论证的目的，是要改进船舶设计，选择技术上先进可行、 营运上经济合理的船型方案，以提高船舶的运输效率。可见，船舶技术经济论证 工作既是设计新船的前奏，又是船舶设计工作中一个重要组成部分，它涉及面广、 影响因素多、技术政策性强。从某种意义上说，它对船舶设计的质量及成功与否 起着决定性的作用。 船型技术经济论证的一般过程及内容包括： 港口、航线、货源调查与运量预测； 论证方案的设立； 船型方案技术、营运及经济性计算； 船型方案选优与排序； 敏感性分析和风险分析。 3 2 1 调查研究 原始资料中数据的准确性和分析判断的正确性是保证船型论证结果正确性的 必要条件，所以调查研究是论证工作的重要环节，也是论证的首要工作。通过调 查研究，应进一步弄清楚使用任务，了解客观环境的各种限制条件及今后发展变 化的趋势，并搜集供论证计算所需的有关基础数据。调查研究的主要范围是：货 ( 客) 流经济资料；航线资料；港口资料；船舶建造资料；现有营运船舶资料； 技术政策、国际法规和科技成果等。 3 2 2 论证方案的设立 船型技术经济论证的基本方法是方案比较法，通过原始资料的调查、运量预 测等工作之后，即可根据对船型选择的影响因素的分析，设立若干可行的技术方 案，以便进行技术经济分析论证、选择合理设计方案。 论证方案主要是根据使用任务要求，货( 客) 流、航线、装卸等营运条件， 并综合分析运距、港口装卸效率、造价、燃料价格等有关影响船型的因素，同时 也参照现有同类船舶的水平和发展动向后设立的。 3 2 3 船型方案的技术、营运及经济性计算 船舶吨位、航速以及机型分析确定后，接下去的可行性研究属于运输船最佳 西江集装箱船型论证及软件系统开发 设计方案选择的分析论证工作。首先根据运输需要和营运条件拟定一系列船型方 案，对诸方案进行技术性能和经济性能计算；然后从技术性能、经济性能以及使 用方面对诸方案进行评价，最后选择出技术上可行并先进，营运经济效果好的船 型方案。 1 ) 船型方案的技术参数和技术性能计算 计算的主要内容包括排水量，主要尺度和主要船型系数l p p ，b ，d ，d ， c b 等，空船重量l w ，载重量d w ，载货量w 。，主机功率b h p ，试航速度v 。， 横摇周期瓦等。 在具体计算之前首先要确定设计变量，约束条件，建立或选择论证所需有关 数学模型。 设计变量：通常取主要尺度l p p ，b ，d 和方形系数c b 作设计变量。 有关联的变量：例如各项重量与船舶主要尺度、船型系数和主机功率的关系； 船舶造价与船体钢料、舾装设备和机电设备重量的关系；船舶航速与主要尺度、 船型系数、主机功率和转速等参数的关系。 建立或选择有关数学模型：载重量系数、空船重量、航速、主机功率、舱容 等的计算式。 2 ) 船型方案的营运及经济性计算 营运计算的目的，是预估各船型方案在实际营运时所能达到的运输能力指标， 即年货( 客) 运量q t 或年货( 客) 运周转量q r m 。为此，需要计算航次货( 客) 运量、航次时间、年航次数等。 经济性计算的主要内容，是估算各船型方案的造价和实际营运时年度总成本， 据此可以进一步计算评价船型方案的经济指标并为最佳船型方案的选择提供依 据。 3 2 4 船型方案选优与排序 船舶设计方案的优劣是根据船型的技术性能、经济性能等多方面的指标综合 衡量的，即这是一个多参数、多目标的设计方案选优和排序问题。由于其中既包 含定量的分析和计算又包含定性和不确定因素，因此仅仅依靠定量分析手段或仅 凭设计者经验来主观判断很难保证决策的科学性。因此，找到一种能够将定性分 第3 章船舶技术经济论证原理 析和定量分析有机地结合起来支持决策的有效的理论和方法，已称为开展船型选 优决策的理论和方法研究的重要课题。经过多年的努力，已提出一些在船型技术 经济论证领域行之有效的理论和方法。 1 ) 参数分析法 参数分析法也叫变值法或网格法。其做法是根据对船舶使用要求和对船舶主 尺度要素限制条件的分析，在船舶主尺度要素允许变化范围内系列变化各设计变 量，按照全组合的方式组成若干船型方案，对每个方案都进行技术经济性能计算， 然后根据设计者选定的船型评价指标，在比较的基础上进行船型方案的排序择优。 参数分析法的优点是方法简单、直观，当变量少时，便于对诸方案进行对比 分析，且只要网格划分得合理，所构造的船型方案中必有与最佳方案接近的方案； 其缺点是当设计变量较多时，全组合后产生的方案数可能很多，如当设计变量数 n = 2 ，每个变量取值数目m = 5 时，可组成m n = 5 2 = 2 5 个方案，而当n = 3 ，m - - 5 时可 组成m n = 5 3 = 1 2 5 个方案。方案数目过多，一方面有利于对船型方案进行细化分析， 但同时也给最佳方案的选择带来不便。 2 ) 船型排序评判方法【1 6 】【1 7 】 在船舶设计中，按照同一设计要求，不同设计者可能做出不同的方案，同一 设计者从不同的角度考虑，也会得出不同的方案。为了获得一个较理想的方案， 设计者通常设计多个方案( 例如用参数分析法产生系列方案) ，然后采用某种评判 方法对这些方案进行考评、排优择序。船型排序中用的比较多的是模糊综合评判 方法和层次分析法。下章将对这两种方法做些简要介绍。 3 2 5 船型论证中的敏感性分析 前面介绍的船舶的技术经济分析，都是假定对所需设计、建造及营运信息有 确切了解，因此可称之为确定性分析方法。但是在船舶的设计、建造和营运过程 中，由于各种各样的原因，许多因素都可能发生变化，如船舶重量、造船成本、 燃料价格、装卸定额、货运费率、船员工资等。j 下是由于上述经济参数的不确定 性，有可能使所做出的决策变得不尽合理，这就给投资带来一定的风险。敏感性 分析的目的就在于，在船型方案决策时考虑到一些可变因素对某些目标函数( 某 些投资效果指标等) 的影响，从而对所选的船型方案做出更为确定的估计和评价。 西江集装箱船型论证及软件系统开发 1 ) 敏感性分析的基本步骤 首先，选定欲进行敏感性分析的经济指标，它应与“确定性 决策时相一致； 然后是确定实际变化可能的某些原始变量；其次是计算自变量向不利方向变化的 因变量值( 即欲分析的经济指标值) ；最后，根据计算结果绘制曲线，分析变化幅 度及其规律，对船型方案做出确切估计和评价并选出最优方案。 2 ) 敏感性分析的基本内容和方法 计算各自变量在一定范围变动时，对因变量( 各经济指标) 产生影响的敏 感度s 。 占：坠型1 0 0 ( 1 x 。 其中x 一自变量向不利方向变动某一百分数后的因变量值； x 一自变量未变化的因变量值。 决策者按敏感度s 大小对自变量进行排列，找出影响方案经济性的最关键因 素( 敏感度最大的自变量) ，以便做更深入的分析判断。 分析各自变量的允许变化范围，并据以判断方案的优劣程度。最好通过绘 制因变量随自变量变化的曲线图进行分析。 分析各个方案的敏感度值，区别敏感度大或小的方案，选取敏感度小的， 即受不确定性影响小的方案；而敏感度大的方案表明它容易受自变量不确定性的 影响，所以可靠性差。 在多方案比较中，分析自变量变化到什么程度，其投资效果指标将发生重 大变化，以致使原来的最优方案失去优势地位，最终被其他方案所代替。例如， 当燃料价格上涨到一定程度，高航速方案将会被稍低的航速方案所取代。 第4 章多目标、多准则船型方案评判方法 第4 章多目标、多准则船型方案评判方法 经过网格法构造出多个船型方案后，需要选择一个或多个较好的船型方案。 最佳船型选择问题是一个多参数、多目标的设计方案选优和排序问题。由于其中 包含许多定性和不确定因素，仅仅依靠定性分析或定量分析手段很难找到其“最 佳方案”。因此，找到一种能够将定性分析和定量分析有机地结合起来支持决策的 有效的理论和方法，已成为船舶设计决策领域多年来的重要研究课题。 船舶设计方案的优劣是根据船型的技术性能、经济性能、营运性能等多方面 的多个指标经过综合分析、比较后决定的。这正是多指标决策分析方法解决的问 题。船型方案的选优和排序决策方法有很多，本文主要介绍模糊综合评判方法和 层次分析( a h p ) 方法。下面对这两种方法的理论分别进行阐述。 4 1 模糊综合评判方法 4 1 1 模糊综合评判方法概述 在船舶设计中，按照同一设计要求，不同的设计者可能做出不同的设计方案， 同一设计者不同的角度考虑，也会得出不同的方案。为了获得一个较理想的方案， 设计者通常需要设计多个方案，然后采用某种评判方法对这些方案进行考评、排 序择优。在这一过程中，设计者的经验和观点、船主的要求和意愿等起着重要的 作用，而这些因素往往具有迷糊性。在船型方案的选优中，如何把这种模糊性加 以解析化和定量化，是船型评判中将定性分析和定量分析方法有效结合的关键。 1 ) 综合评判方法简介 设评价对象a 有n 个因素，每个因素评定的得分为a i ，i = 1 ，2 ，1 3 ，则可 求出a 的总得分为 s = q t = l ( 4 1 ) 取s 作为该对象a 的评价标准。 另一种常用的综合评判方法是如下的加权求和法( 或称加权平均法) 。 设对象a 有n 个因素，每个因素评定的得分为a i ，i = l ，2 ，1 1 。对每个因 西江集装箱船型论证及软件系统开发 素按其重要性给定不同的权系数，五，i = l ，2 ，1 1 ，然后进行加权平均得 n s ：y 五饵 一 if f 宅i ( 4 2 ) 式中，五o ；i = 1 ，2 ，n ；丑= 1 。 i = l 2 ) 模糊综合评判方法的概念和步烈1 8 】【2 3 】 模糊综合评判方法包含三个要素：备选的方案集，简称备选集或方案集；由 影响评价对象的因素或指标构成的集合u = ( u l ，u 2 ，u 。) ，简称因素集或指标 集；单因素评价。在单因素评价的基础上，在进行多因素的模糊综合评价。下面 将对上诉三要素做进一步介绍。 定义方案集 由若干个被评判的船型方案( 或设计方案) 构成方案集v = ( v 1 ，v 2 ，v m ) 。 确定评价指标( 因素) ，形成指标集 选取表征船型方案( 或设计方案) 质量优劣的指标( 因素) ，作为评判依据， 组成指标集( 或称因素集) ，记为u _ ( u l ，u 2 ，l l f i ) 。 对评价指标( 因素) 进行考评 船型方案( 或设计方案) 的每项指标，总是存在一个期望值q i 和允许值m i 。 设在该区间上定义一个相应于最优值的模糊子集a i ，即 4 = 掣 ( 4 3 ) 式中，心( “，) 是一的满意度函数，它表征着对相应评价指标的满意程度。 满意度随评价指标单调增加时，纵( 坼) 的形式为 段( “，) = o ，材，鸭l 厶( “，) ，肌， 材， g ， ( 4 4 ) 1 ，材，9 ， j 满意度随评价指标单调下降时，心( z f ，) 的形式为 第4 章多目标、多准则船型方案评判方法 酏，= 麓q i u iq 5 ， 心( q ) = 厶( ) ， 0 ，i = 1 ，2 ，n ，令万= q ， i = l a i ：堕，i 1 ，2 ，n ，即将缈归一化得到一个模糊子集a = ( a l ，a 2 ，a n ) ，其 万 中a i 表示第i 个指标的重要程度。 在确定了权重向量a 和单因素的评价矩阵r 之后，模糊综合评判问题归结为 计算如下的模糊综合评判向量b ，计算公式为 b = ( b l ，b j ，b 。) = a r i 2 r 2 ir 2 2 l2 ( 4 7 ) 式中 b j 兰n ( a 人毛) ，j = l ，2 ，m ( 4 8 ) 晰 m m 气 一 一 一 西江集装箱船型论证及软件系统开发 4 1 2 几种模糊综合评判模型 上一节讲的模糊综合评判向量b 是通过式( 4 8 ) 即取大取小运算( ，v ) 求得 的】。这种运算的优点是突出主要因素，计算简单；缺点是：对某些实际问题，会