国外船舶提高使用效能的设计新思路

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1、维修理论 国外船舶提 高使 用效能的设计新思路 海军舰船维修研究所羡永宽张晓敏 提要j 本文主要介绍国际上船舶设计指导思想上出现的一些新思路。在经济不景气 、 船舶使 用维修费用上涨的形势下， 国际上船舶设计指导思想从“ 造大型船、 采用新技术” 转变为“ 船价要便 宜、 使用要方便、 燃料耗费和人工费用要少” 的经济实用性的设计思路。船舶研制部门和使用方在 设计中优先考虑提高船舶全寿命效益， 对船的价格、 维修方针及船员管理等影响全寿命总成本的 因素进行分别核算， 并提出了提高可用性、 重视软件、 实现人机交流、 改进管理等 一 系列贯彻设计 新思路的技术、 管理措施 1 、 新思路的基本出

2、 发点 当前， 国 际上经济不景气、 船舶使用维修 费用不断上涨。在这个形势下， 造船业比较 发达的国家在船舶的设计指导思想上 出现了 一些新思路。即从过去造船时尽量采用新技 术和造大型化船的指导思想转变为“ 在保证 一定的 使用可用 性的 前提下， 船价要便宜、 少 出故障、 使用方便、 耗费燃料少、 人工费要有 省” 的经济实用性的设计新思路。 为此， 各国在船舶设计中把提高船舶全 寿命效益放 在首位。 船舶的 研制部门和使用 方在设计中更加重视设计中的与人和管理有 关的软件问题。即在建造船舶时先分析影响 全寿命总成本的船的价格、 维修方针、 船员劳 务费用等因素， 以航运收人的最大值和费

3、用 的最小 值作为准则进行分别核算， 提出了 - 系列设计的新思路， 并在设计时采用 了 技术 和管理措施 予以保证。用 日本船舶建造专家 的话说: “ 船舶设计从 更快更大更深 发展到 更便宜更聪明 。 ” 可以说这个思路显示 了 2 1 世纪船舶的建造方向。本文以日本等国 商船和美国海军舰艇的设计为例刘当前设计 的新思路作一 简要介绍 。 2 、 新思路的基本设计思想 21提高可用性的新观念 随着科学技术的发展， 船舶上采用的高 科技装备日趋复杂， 发生故障后对船舶航运 的影响也在增大。同时， 新装备的使用人员 已从 专业人员扩大到一般非专业人员， 人与 装备可靠性的关系越来越密切。因此，

4、 新的 设计思想即从过去的以性能为中心的可靠性 设计思想转变到以效能及寿命周期费用为中 心的可用性设计思想。即要求产品具备较高 的使用完好性的同时， 尽量减少对人力和保 障费用的要求， 从而 达到最佳的费 效比。 对于决定系统可用性的两个重要指标平 均无故障工作时问( MTR F ) 和平均修复时间 ( MT T R) 按照新思路予以确立。 A、 平均无故障工作时间( MT R F)新的 设计思路认为， 人已经成为控制系统中的一 部份， 人 自身的故障也应看成系统的故障。 另外 ， 设备的安装、 保存方法和使用状态等因 素对平均无故障工作时问影响也 日趋加大， 因此影响平均无故障工作时间的主要

5、因素已 由船舶( 或设备) 本身的固有寿命( 硬件) 转为 管理科学和人素工程方面。如果仍从提高船 舶建造的固有技术( 工程学科) 来提高可靠性 1 5 7 维修理论 则不会有多大进展， 解决这个问题需要在设 计和管理活动中 树立新的 观念。如 不要求船 员有较高的操纵技术水平仍能对所 发生的事 故采取应急措施， 以确保系统有较高的可靠 性。 B 、 平均修复时间 Iv 1T T R)平均修复时 间主要取决于故障发生后到修复完了的时间 内的确定故障部位， 查明原因、 确定对策、 拆 装部件、 运行调试等 一 系 列工作的时问。新 的设计思想认为船员发现故障、 分析事故原 因的能力、 拆卸安装设

6、备的能力及备有方便 的维修工具等对于提高可用性起决定性的作 用。因此， 应该从提高固有技术和( 硬件) 人 素工程管理两个方面着手解决. 22船舶运行人员管理的新观念 由 于现代船舶的使用维修费用增长很 快， 因此在设计之前就要考虑如何降低使用 维修费用。为压缩使用维修人员经费， 在船 舶运行人员管理方面提出了以 下新观念， 并 采取了一系列的新措施、 22 . 1 . 采用新的 可进可出” 运行人员 管理措施为了高 效率地组成船员队 伍， 节省 人员费用， 对船员采取所谓“ 可进可出” 的管 理方式。即象飞行员那样 ， 只要取得了某一 型号的驾驶证就可以换 吃 同型号的 飞 机。船 员在取得

7、某型设备操纵证后， 就可以在不同 船上运行同类设备。这样可以充分发挥船员 的职业技能， 灵活组成船 员的班组 以减少管 理费用。 22 2采用轮机/ 甲板双重职责船员制 度 这个办法即是利用甲板船员工作量的间 断性让甲板船员担任轮机维护等多 种工 作来 减少船员数量， 以节省人员费用现在各国 都在试探采用这种制度 ， 希腊政府已经承认 轮机/ 甲 板双 重职责 船员制度， 一 艘大 型货船 仅有 1 4 名船员， 在世界1这是人数最少的。 223建立 无观察值守制度 由于船上 1 5 8 设计了综合推进系统， 即动力装置由机械系 统统一联接， 实现 了在船桥上用一个操纵杆 即可 操纵。 这样，

8、 船员在机舱可以只进行维 护保养工作， 不需要值班监视， 从而减轻了船 员的工作量和值班人数。 为了使船员的技术和知识水平适应上述 管理改 革的要求， 各国都加强了 人员培训工 作， 主 要采取短期培训和 讲座相结合的方式 对人员进行培训。在培训中已经开始采用机 舱模拟器这一现代化的培训工具。 2 . 3人与机器、 系统“ 交流” 的设计思路 在国际海运界， 注意到过去通过技术手 段努力提高了硬件( 装备) 的自动化水平和可 靠性， 但始终没有杜绝船舶装备事故的发生。 于是认为设计工作还是应当重视人的因素， 充分考虑人机结合的问题。这样才能在装备 自动化水平不断提高的形势下充分发挥人的 因素，

9、 使系统保持较高的 使用可用 性， 从而在 提高航运经济效益方 一 面有新的突破。另外 ， 为了适应采用新的人员管理制度， 新的设计 思路中重视人对机器的要求。这样就逐步形 成 了 人与机器、 系统“ 交流” 的概念。这个设 计思路创建完全新的设计观念， 其核心是软 件( 人员管理) 决定硬件( 船舶装备) ， 并将人 与固有技术( 硬件) 综合起来， 使之系统化。 首先， 在新的思路中强调船舶系统中人 和机器的联系。由于人的能力直接影响着系 统的可靠性， 因此人和机器之间建立反馈机 制对船舶安全航行有很大的作用。随着自动 化系统的发展， 设备自身有了判断能力 ， 在发 生异常时人反而很难采取

10、应急措施。现在的 思路是将人和机器系统并列， 系统可以与人 进行交流。 另外， 为了 使人能随时参加到系统中， 掌 握系统当时的状况， 现在将系 统状态作成形 象图， 使人一看就懂。这样人和机器共享同 样的信息、 在需要的时候人就可以及时采取 维修理 论 应急措施 ， 以防止事故的发生。另外， 在人采 取了一定的应急措施以后， 系统可以实时向 人通报人的操作结果， 即目前系统正向着安 全方向或者相反方向运行。 2 . 4 开发“ 傻瓜型系统”过去船的设计 指导思想是只有具备“ 船员” 资格的人才可以 上船， 他们能“ 自己发现问题， 并可以经过一 定的分析， 提出 解决问题的 办法， 从而采取

11、调 控措施。 ” 以动力装置为例， 过去“ 解决问题” 依靠轮机长的经验。 现在的指导思想是“ 在不影响安全的条 件下设计雇用船员尽量少、 且不依赖人的熟 练程度的系统。 ”“ 傻瓜型系统” 的设计指导 思想是把信息变成“ 知识” ， 将轮机长的判断 作为信息， 靠人与机器的联系提出“ 怎样去 做” 的要求。也就是说信息处理要“ 傻瓜化” 。 这样非专业人员不用繁杂的计算程序也可以 在计算机上方便地进行信息处理， 有的部位 还设计成船员自己可以修理的机械式的控制 方式。比如， 测定柴油机活塞环， 过去仅得到 厚度的信息。船员中有的人可以判断出是异 常状况， 有的人就不能作出判断。新的思路 要求

12、“ 傻瓜型系统” 提供“ 厚度和时间之间” 的 信 息后， 并对信息进行处理， 指示“ 活塞环发 生了 异常摩损， 增加注油量， 如果气缸壁面的 温度还不下降请停机检查。 ” 这样， 具有一般 技术水平的船员也会象轮机长那样做出正确 的处理 。 3、 具体实施的管理和技术措施 为了实现仁述的设计思想， 采取 了一系 列具体的管理和技术措施。 31船舶总体设计采用的新措施 3 . 1 . 1 系列化船舶。首先， 从设计角度， 系列化船 舶也可以把 长期沿用的设计 方法及 成熟的安装技术都用在新船的设计工作中， 以利于降低船的造价。另外、 系列化船舶可 以把第一艘船上的维修工作经验用在后续船 _

13、L， 即在故障发生之前采取积极对策， 以防止 类似故障的发生。从管理体制上也有利于实 现船员的“ 可进可出” 管理制度。 3 . 12冷备份系统 日 本专家认为， 在 人为因素造成设备故障比例逐步增大的形势 下， 采用冷备份系统可以实现1 0 0 %的可用 性。这是由于冷备份系统上只有正在使用的 设备， 没有多余部件。备用机组保存在仓库 中， 不象在热备份系统那样需要对备用机组 进行维护工作， 这样就可以防止出现不必要 的误操作。由 J “ 现在的备用部件都设计成可 以迅速更换的单元体部件， 这样就克服了冷 备份系统不能瞬时切换而影响可用性的弊 端。总之， 冷备份系统非常适于大量雇用非 专业船

14、员或采用轮机/ 甲板双重职能船员制 度的船舶。日本现在采用冷备份系统的船舶 近 1 0 0 艘， 一直在正常航行。 3 . 1 . 3模块化设计 模块化设计是一项 船舶设计 上的革命， 当前许多国家已经在船 体建造时采用。这种方法利于在船体上进行 现代化改装， 同时也可以大幅度节约设计费 用。美国海军潜艇设计中在船体上采用了大 规模模块的设计， 船体不同 模块的设计由多 个工厂分别完成。为 保证设计好的模 块相互 连接时不发生连接部位对不上的差错， 要求 工 厂之间 加强管理协调， 按设计进度及时通 报各自模块的设计数据。 3 . 2具体技术措施和新工艺 3川主机燃 烧保障系统 劣质燃料会影响

15、主机零部件的使用寿 命、为J 延长零部件的平均无故障工作时间 ( MT B F ) ， 在船上设置了燃料质量检验系统。 这个系统可以随时提供燃料数据， 明确地将 喷射时问、 掺加水量、 进气温度等运行参数指 示出来， 指导运行人员操作。还可以对燃料 采取一定的前处理措施， 使之符合规定的燃 1 5 9 . 维修理论 烧条件。 3 . 2 , 2无法兰系统 在船上， 各类管系 法兰的漏泄使管系维修工作耗费大量维修时 间， 成为降低可用竹的一个突出问题。现在 美国、 日 本等国家在船舶的各类管系上采用 焊接连接的无法兰系统， 在实际使用中已经 取得了很好的效果。过去认为在润滑油或压 缩空气管系不宜

16、采用焊接连接 现在这个问 题也解决了。这样就大幅度地减少了许多相 关的零部件和维护检查的工作量， 从而降低 了建造和使用维修费用。 3 . 2 . 3运行状态 监测和故障诊断系统 当前国际上比较先进的船舶， 在船 上普 遍建立先进的状态监测和故障诊断系统。这 个系统的突出特点是把动力系统的性能参数 矩阵作为知识库， 可以实现对照正常状态参 数分析主机实时的运行状态， 以诊断异常现 象。另外， 这个系统还具有故障隔离和报警 功能。 33建立新的修理制度 3 3I建立“ 轮换修理” 维修方式。为 缩短修理时间， 对一些在船上比较难进行的、 花费时间比较长的修理工作及主机的排气 阀、 燃料阀、 轴承等可以回收部件的修理工作 采用定期更换， 送陆地修理的“ 轮换修理” 的 维修方式 3 . 32 . 建立新的计划维修系统 现在货 船的航行时间( 主机运行) 约占全部时间的 7 0 4 6 ， 停泊时间( 主机停止) 约占 3 0 4 6 ; 其他 设备也有相应的停机时间 。建立科学合理的 计划维修系统， 利用这些空闲时间， 在各设备 停机时进行维护保养， 实现“