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）有限公司，上海 200129）

0 引 言

進入 21世紀以來，隨著貿(mào)易全球化的持續(xù)發(fā)展，全球貿(mào)易需求不斷擴大，集裝箱船進入了大型化的高速發(fā)展期。據(jù)統(tǒng)計[1]，集裝箱船總運力自1996年以來呈逐年遞增的趨勢，而集裝箱船隊總規(guī)模自2008年全球金融危機以來呈逐漸下降的趨勢，這意味著金融危機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。

回顧超大型集裝箱船近10a來的發(fā)展歷程可知，其發(fā)展并非簡單的尺度擴張，在不同的發(fā)展時期有著不同的市場特征。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，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。服務(wù)航速、功率、載重量和重箱數(shù)等主參數(shù)指標相互交錯、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，是評判該設(shè)計方案是否成功的關(guān)鍵。若能通過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)計及評價方法，不僅能為新船型初期的經(jīng)濟論證及研發(fā)設(shè)計提供有力依據(jù)，為新船型設(shè)計方案的產(chǎn)生提供可靠的方法和手段，還可為航運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，該數(shù)據(jù)庫能基本涵蓋超大型集裝箱船市場上的所有系列船型。各船型數(shù)據(jù)主要來自英國造船工程學(xué)會出版的《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船型資料。

本文以載重量指標為切入點，分別以船長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，以載重量為y坐標，繪制各要素與載重量之間的散點分布圖，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)計的回歸經(jīng)驗公式。同時，以每箱每噸海里能耗指數(shù)J等指標為載重量指標合理性衡量因子，得到超大型集裝箱船載重量設(shè)計指標評價方法。

本文采用回歸分析法研究數(shù)據(jù)庫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?zāi)Ｐ途_度的指標[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為多項式在設(shè)計點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)施的升級及集裝箱綁扎技術(shù)的進步，內(nèi)因是供需環(huán)境改變帶來的船型尺度的持續(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)庫中各船型結(jié)構(gòu)吃水時的載重量為y坐標，以長寬比L/B為x坐標，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為載重量與長寬比L/B的關(guān)系散點圖。

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

圖1 載重量與長寬比L/B的關(guān)系散點圖

DNV-GL最新發(fā)布的研究報告[4]表明：蘇伊士運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；對船長＞400m的情況進行論證可知，增加現(xiàn)有船型的船寬及吃水是對設(shè)計改動影響最小的可提升名義箱數(shù)的有效途徑；進一步增加船長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)計改變及無港可停的尷尬局面。

本文預(yù)測，未來超大型集裝箱船不會輕易突破400m的船長界限，同時隨著當前超大型集裝箱船最大吃水已接近碼頭極限水平，市場上的新船型將會在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16萬～20萬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，現(xiàn)以各船型的名義總箱數(shù)為 x坐標，以結(jié)構(gòu)吃水時的載重量為y坐標，得到散點分布圖及趨勢線見圖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。

根據(jù)圖 2所示的趨勢線，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)系散點圖

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

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

由于近年來綁扎技術(shù)持續(xù)進步及碼頭設(shè)施不斷完善，綁扎橋由2層升級為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)進行載重量預(yù)報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)計而言，三者并無大的區(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)，則計算載重量分別為115398t，108561t和105540t，所對應(yīng)的計算均值為109833t。表1為9000TEU代表船型要素對比。

表1 9000TEU代表船型要素對比

單獨采用名義總箱數(shù)進行目標船型的載重量估算無法體現(xiàn)新時期甲板箱數(shù)增多的最新技術(shù)趨勢，可能會使預(yù)報值相對失真。對此，將從數(shù)據(jù)庫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-載重量散點圖（見圖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并不呈線性增長關(guān)系，曲率隨著Nd的增加呈逐漸平緩的趨勢，這與圖3中曲線的走勢形成鮮明的對比。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，即上升曲率越來越大。從船型設(shè)計的角度看，貨艙內(nèi)堆箱數(shù)Ni屬于每種船型獨有的技術(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)計初期根據(jù)研發(fā)方案的目標總箱數(shù)Nc（式(2)）進行載重量指標的預(yù)估算，在完成初步線型開發(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)）對預(yù)估的載重量進行驗證，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推介船型方案時具備快速響應(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]，在實際運營過程中所需壓載水比較少，尤其是在承運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?；诖?，在集裝箱船設(shè)計及商務(wù)決策領(lǐng)域，習(xí)慣將14t均箱數(shù)作為船型設(shè)計的重要衡量指標之一?，F(xiàn)以各船型14t均箱數(shù)為x坐標，以結(jié)構(gòu)吃水時的載重量為y坐標，得到對應(yīng)的散點圖及趨勢線見圖5。

根據(jù)圖5所示的趨勢線，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)吃水時的載重量與14t均堆箱數(shù)關(guān)系曲線

圖5所示的趨勢線印證了14t均箱數(shù)越大船型載重量越大的技術(shù)特點，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，若在招投標時已知船東對14t均箱數(shù)的要求，則可通過式(5)直接估算目標船型的載重量水平，并與船東的目標載重量相對比，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，以便在較短的時間內(nèi)調(diào)整設(shè)計思路，使新船型設(shè)計方案滿足船東需求。

3 超大型集裝箱船載重量經(jīng)濟性評價方法

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

DNV-GL在其最新的研報[6]中強調(diào)，對超大型集裝箱船進行優(yōu)化應(yīng)著力于有效降低船型單位貨品的實際油耗成本，并與載重量、穩(wěn)性、線型及輕重箱等指標息息相關(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)濟性能的評估依據(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，重新定義每箱每噸海里能耗指數(shù)J，并將其計算式表示為

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

能耗指數(shù)J作為船型經(jīng)濟性評價工具之一，用來指導(dǎo)未來新的船型設(shè)計方案，需保證其先進性。因此，所參照的船型不應(yīng)繼續(xù)按照數(shù)據(jù)庫中的全部船型取加權(quán)平均的方式選取，而應(yīng)當剔除舊船型，篩選出 2012年以后交付的符合時代潮流的較先進的船型進行數(shù)據(jù)分析。按照此原則，以結(jié)構(gòu)吃水時的載重量DWs為x坐標，以能耗指數(shù)J為y坐標，繪制關(guān)系散點圖（見圖6），得到能耗指數(shù)J的冪函數(shù)回歸公式（見式(7)）為

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

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達到0.9548，且圓弧型的趨勢更貼近于超大型集裝箱船的船型發(fā)展特點。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基本分布在趨勢線下方。船型越小，代表單位成本競爭力的能耗指數(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的走勢不僅證明了集裝箱船大型化確實能實現(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)計水平的持續(xù)進步，未來超大型集裝箱船市場勢必會呈現(xiàn)新老船型加速更替的趨勢。

由于Vs實際上是船型在設(shè)計吃水時載重量DW對應(yīng)的主機持續(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)計吃水時的載重量DW所對應(yīng)的每箱每海里能耗水平，其計算式為

圖7為修正能耗指數(shù)J1與設(shè)計吃水載重量DW關(guān)系數(shù)點圖。由圖7可得到超大型集裝箱船船型設(shè)計吃水時載重量對應(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，故數(shù)據(jù)庫中許多船型在設(shè)計吃水下的載重量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)濟性評價公式時，應(yīng)以評價指數(shù)J為主，將指數(shù)J1作為船型經(jīng)濟性判斷的雙重驗證和補充。

4 結(jié) 語

本文通過對超大型集裝箱船典型船型的數(shù)據(jù)進行整理分析，分別基于目標船型最大名義箱數(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估算的4個經(jīng)驗回歸公式。同時，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)濟性指標的評價因子之一。基于載重量的超大型集裝箱船設(shè)計評價流程圖見圖8，為超大型集裝箱船的研發(fā)設(shè)計提供參考。

圖8 基于載重量的超大型集裝箱船設(shè)計評價流程圖

【 參 考 文 獻 】

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