美國大型海洋裝備運維現狀及對我國的啟示

王建村, 景春雷, 田 旭

美國大型海洋裝備運維現狀及對我國的啟示

王建村, 景春雷, 田 旭

(國家深海基地管理中心, 山東 青島 266237)

文中著重對美國大型海洋裝備的組織管理體系、國際資源共享共用平臺的組織情況和裝備研發經費的支持生態等運維現狀進行了深入剖析與研究。總結了我國在大型海洋裝備運維管理領域不斷探索獲得的寶貴經驗及存在的問題和瓶頸。最后提出了解決我國大型海洋裝備利用率低、共享困難、經費支持不穩定等問題的對策和建議。

大型海洋裝備; 運維管理; 啟示

海洋蘊藏著地球上遠未認知和開發的豐富資源和寶藏, 目前海洋中已發現可供開采的礦產資源包括多金屬結核、鈷介殼、硫化物、可燃冰、油氣等資源。而陸地上的礦產資源自工業革命以來, 經過200多年大規模的開發利用, 目前已近枯竭。向海洋要資源, 特別是向深海要資源已是目前人類大規模獲取能源資源的共識。隨著人類科學探索和資源開發向深海大洋挺進, 海洋強國紛紛加大了對大型海洋裝備研發的投入力度[1]。美國阿爾文(ALVIN)號、日本深海6 500等載人深潛器的出現極大地拓展了人類探索海洋的深度和廣度[2-3]。中國蛟龍號作業型載人潛水器研制成功并于2012年實現了7 000米級海試, 標志著我國已躋身于深海載人技術發達國家的俱樂部, 在深海領域實現了“彎道超車”[4]。

美國、日本等海洋強國在海洋裝備研發技術領域保持領先[5]的同時, 在大型海洋裝備的運維管理方面也處于全面領先狀態, 其標志就是在全國范圍內(繼而擴展到全球)通過運維管理體系的提升實現了對大型海洋裝備(包括船舶、海洋勘探與探測設備等)的高效利用。中國載人深潛雖然在下潛深度上實現了彎道超車, 但與美國、日本等海洋強國相比, 我國在大型海洋裝備的運維管理建設方面還存在不少差距。

本文首先分析了當今海洋強國-美國在大型海洋裝備運維管理方面的先進經驗, 以大型深潛裝備-蛟龍號的運維管理和基金委的共享航次計劃為例, 總結了中國在大型海洋裝備管理中獲得的寶貴經驗及存在問題, 最后結合中國實際, 提出了可進一步優化的對策建議, 以期對我國大型海洋裝備的運維管理體系升級有所借鑒。

1 美國大型海洋裝備運維現狀

美國是一個海洋大國, 其本土兩側擁有漫長的海岸線, 與其毗鄰的海上專屬經濟區和大陸架是世界上最大的, 這些區域蘊含著難以計數的動植物資源和礦產資源。社會各界對海洋神秘未知世界的探索、海洋資源勘探開發[6]及前沿海洋科學命題研究[7]的需求十分巨大。因此, 從19世紀60年代開始, 大型海洋裝備的開發和研制進入了快車道。經過十幾年的快速發展, 出現了以海洋深潛裝備、拖曳類設備、調查類設備、取樣類設備和觀測類設備等各類型設備不斷涌現、百花齊放的局面, 特別是, 1964年大型深潛裝備阿爾文(Alvin)號(如圖1)載人潛水器的出現引領了當時世界大型海洋裝備發展的一個新高潮[8-11]。

與此相應, 大型海洋裝備的管理也駛入了快速發展的深水區, 通過對大型海洋裝備及資源幾十年的管理經驗進行優化升級, 逐漸形成了美國對大型海洋裝備的即集中統一又開放共享的系統化綜合管理模式。

圖1 浮出水面的“阿爾文”號及其支持母船“阿特蘭蒂斯”號

1.1 組建了形式上集中統一的管理體系

美國的大型海洋裝備管理并不是從一開始就管理的井井有條、成熟完善。20世紀60年代大型海洋裝備獲得了快速發展, 但大型海洋裝備的管理還是采用各自為政的傳統管理模式[12]。隨著大型海洋裝備需求的不斷增加, 這種管理模式逐漸暴露其弊端。大型海洋裝備管理中凸顯出各行其是、重復建設、運行成本過大、海洋裝備使用效能低下等不良后果。

為了改變上述管理效率低下的不利局面, 17家美國大學和海洋實驗室聯合成立了UNOLS, UNOLS組織的出現解決了當時船舶用時管理混亂和大型裝備的管理分散化及使用效率低下問題[5]。由其負責協調組織的單位包括華盛頓大學、夏威夷大學、特拉華大學、伍茲霍爾研究所、美國海洋與大氣局以及美國海岸警備隊等61家相關涉海科研院所和聯邦政府機構[13]。介紹UNLOS的理事會機制及組織架構的文獻有很多, 這里不再贅述。作者認為美國大型裝備得以高效運營管理的真正原因并不在于創建一個類似地理事會機構, 世界各國成立的理事會機構有很多, 但運營效率達到或接近的類似機構屈指可數就是明證。

通過不斷地探索和實踐, 美國大型海洋裝備管理模式逐漸明朗起來。那就是在大型海洋裝備的管理體系構建中使用了互聯網思維[14](70~80年代也正是國際互聯網興起的時代), 參照互聯網中大型應用系統的三層體系架構[15], 實現了使用權、管理權和所有權的高度分離, 分離但不分散, 對外實現了高度的統一管理, 見圖2。

圖2是美國大型海洋裝備的三層架構管理體系。其大型海洋裝備的所有權一般歸屬于裝備的投資方, 即美國政府涉海類相關管理機構及組織。管理權分兩塊: UNOLS負責海洋考察船、船載設備、深潛裝備等的使用申請流程管理及用時調度與協調; 其理事單位則負責這些大型裝備的維護、維修等具體常規管理。當然, 對使用權的管理是該體系得以高效運營的關鍵, 其原則是, 無論是大型裝備的所有者、負責裝備具體管理的理事單位、還是其他使用者, 想要使用這些大型裝備都需經歷相同的使用申請流程。例如, 阿爾文號是由美國海軍投資建造, 但具體的如維護、維修等常規化管理則由理事單位伍茲霍爾海洋研究所負責。即使是伍茲霍爾海洋研究所要使用阿爾瓦號, 也需要先將申請表提交到UNOLS, 經審核協同后, 按計劃時間使用。

圖2 美國大型裝備管理體系

1.2 構建了會議協調下的國際開放共享平臺

共享平臺不是一個獨立系統, 它是美國大型海洋裝備管理體系的一部分, 如圖2中管理權所屬層左側框中所示。從剛參與申請使用者的角度看, 該平臺似乎是一個集使用審批、設備管理與維護的實體, 實際上它僅僅是一個聯絡機構或咨詢機構, 僅負責大型海洋裝備機時資源調配時的組織協調及儀器裝備在更換、改裝和調試時做出適當的咨詢建議。對大型海洋裝備的科學高效調度是通過組織各理事單位召開年度協調會議的形式來實現的。

截止到2019年6月, UNOLS公布的可用于申請使用的船舶船載設備就多達1 162項[16], 協調工作僅有一個委員來組織是不現實的, 因此其成立了多達9個專業委員會, 分別負責職責范圍內的組織協調工作。例如, 深潛科學委員會負責對大型深潛裝備阿爾文號下潛計劃進行組織協調, 其下潛計劃安排一般根據上一年度的申請使用情況, 召開年度下潛協調會, 經協商后統一制定并公布一下年度下潛計劃, 如阿爾文號無大型故障等特殊情況一般不做更改。

該平臺是面向國際的, 意味著任何國家的科學家都可根據科學研究需要, 提交包含但不限于首席研究員(PI)、支持基金、用船類型及天數、所需儀器裝備、作業區域等信息的調查船舶、設備的申請。鑒于該平臺成立時間較早, 國際影響力非常強, 因此, 使用申請者特別多, 一般需要提前1—2年申請, 首席研究員申請頁面見圖3。我國第一批7 000米載人潛水器潛航員就是在美國4 500米級載人潛水器“阿爾文”號上接受培訓的[17], 從2003年申請到2005年8月周懷陽(PI)帶隊成行時, 已耗時2年多。

我們說該平臺是面向國際的, 不僅僅意味著它對所有國家開放共享, 其還制定并發布了對接海洋調查裝備/設備的一系列第三方工具開發指南與接口標準, 實現了儀器設備接口層面的國際化對接。如管理“阿爾文”號載人潛水器的伍茲霍爾海洋研究所相繼發布了潛水器使用申請指南、第三方工作開發指南、儀器接口和操縱指南[18]。作者認為, 對“阿爾文”號來說, 沒有實現儀器接口和第三方開發工具對接的國際化共享是不可能實現的。

圖3 首席研究員(PI)標準申請頁面

1.3 實現了有償服務的國家機構或非盈利組織經費支持生態

美國大部分的海洋科考船及其他海洋調查設備是由美國國家科學基金委、美國海軍和其他美國政府機構支持的基金投資制造的。但在國家經費支持之外, 非盈利組織對美國大型海洋裝備的投資與運營經費的支持也是其得以無障礙運營的關鍵環節。

2010年民政部民間組織管理局在赴美代表團學習考察報告[19]中指出, 美國非盈利組織發展迅速, 截止到2008年, 非盈利組織年度收入1.91萬億美元, 支出多達1.81萬億美元, 無償志愿服務達150億小時, 這一數字尚未包含因個人愛好產生的捐贈部分。可見美國非盈利性組織規模十分巨大, 已是美國經濟運行生態的重要組成部分。這其中, 就有認識到海洋研究價值及必要性的非盈利組織及愛好海洋研究但又無研究精力的個人的無償經費支持(具體支持金額尚未相關統計數據)。如, 2013年著名導演詹姆斯·卡梅隆將自己私人投資、價值1 000萬美元的單人潛水器“深海挑戰者”號(Deepsea Challenger)捐獻給了馬薩諸塞州非盈利性質海洋研究機構-伍茲霍爾海洋研究所[20], 該潛水器經測試的最大下潛深度為11 000米, 通過兩側吊臂的攝像頭可實現深海底3D高清攝像。

圖4 詹姆斯·卡梅隆捐贈的“挑戰者”號潛水器

海洋調查裝備和設備是有限的, 無償使用將導致調查設備不能得到科學合理的高效使用, 因此, 美國海洋科考船及海洋調查設備的申請使用服務是有償的。以美國“阿爾文”號為例, 載人潛水器的單次下潛收費為5萬美元, 一個美國普通基金項目可以提供3—5個下潛機會[21]。

2 我國大型海洋裝備運維現狀及存在問題

我國大型海洋裝備主要集中在自然資源部、中國科學院、沿海省份地方海洋廳局及其下屬研究機構等單位, 基本處于分散管理狀態, 尚未形成系統化、國際化的大型海洋裝備管理模式。但, 我國在大型海洋裝備的積極管理方面也進行了大量探索與實踐, 初步形成了中國特色的管理模式。本文以國家自然科學基金委船時共享航次計劃的管理實踐、載人潛水器組織實施體系的構建和我國海底觀測網的建設為例, 試圖描繪我國大型海洋裝備的管理現狀。不可否認, 我國大型海洋裝備的管理效率與系統化的管理模式還存在一定的差距。

2.1 開啟了海洋科考船船時共享航次計劃

海洋科考船是進行海洋考察與研究的必要載體[22], 而在2009年之前, 相對于不斷增長海洋考察需求, 我國可用于科學考察的船舶數量非常少, 即使是有船單位也多用于承擔國家指定的調查任務。由于缺乏有效的開放共享機制, 出現了有船單位長期閑置, 而無船單位即使有科學考察需求卻面臨無船可出的困境。

為解決我國海洋科學研究項目出海調查用船難的困境, 2009 年國家自然科學基金委啟動了海洋科考船船時共享航次計劃, 以“國家自然科學基金海洋科學考察船時費專款”項目的形式, 為需要出海調查的基金項目提供科學考察船船時共享經費支持(需申請審批)。

從2010至2014年, 基金委共收到“船時”申請1 120 項, 共出資1.4 億人民幣, 租用了9艘海洋科考船, 資助了40 個共享航次開展海洋科學考察[23]。

該項目的實施開創了我國海洋科考船開放共享的先河, 積累了海洋科考船協調管理的經驗, 探索了一種新的基金資助模式。當然, 也有不足之處: (1)影響范圍有限(僅限于基金委資助的項目); (2)共享內容有限(僅限于海洋科考船舶, 未涉及其他大型海洋裝備)。因此, 全國范圍內實現海洋科考船船時協調管理的長效機制尚未形成。

2.2 構建了載人潛水器組織實施體系

蛟龍號載人潛水器于2012年在馬里亞納海溝創造同類型載人潛水器歷史性7 062米記錄[24], 隨后結束海試, 正式交付給國家深海基地管理中心。鑒于蛟龍號日常保障維護基地—國家深海基地此時尚處于建設階段, 獲批的蛟龍號母船尚未建造下水, 專業的維護保障隊伍尚未建立等實際情況, 原國家海洋局在充分吸收國際同類載人潛水器從研制、海試、試驗性應用到業務化運行等經驗的基礎上, 提出了蛟龍號載人潛水器在步入業務化運行前開展試驗性應用的工作方案。

根據該方案, 原國家海洋局成立了以分管副局長為組長、各相關部委具體負責人為副組長、研制和參航單位領導為組員的蛟龍號載人潛水器試驗性應用領導小組。試驗性應用領導小組在總結多年來海試組織管理經驗的基礎上, 形成了一套相對完善的試驗性應用航次組織實施體系, 見圖5。

圖5 試驗性應用航次組織實施體系[25]

從2013年6月至2017年6月, 以蛟龍號試驗性應用航次組織實施體系為依托, 先后了組織34家單位, 在我國多金屬結核、結殼及硫化物勘探區和深淵海溝區等海區, 開展了101個潛次作業[26-29]。

試驗性應用航次的實施, 完善了蛟龍號海上作業技術體系, 進一步提高蛟龍號的深海調查與作業能力, 形成一支相對穩定的潛航員和潛水器技術保障隊伍, 建立一套開放、共享的潛水器應用機制, 為全面實現蛟龍號的業務化運行奠定基礎。

以蛟龍號載人潛水器為代表, 我國深海探測技術在國際上已屬于第一梯隊。但與國際同類型載人深潛器相比, 我國對大型載人深潛裝備的使用效率、管理和維護水平還很低, 以可比類型(設計下潛深度相同)載人深潛器的年均下潛次數統計情況(見表1)為例, 深海勇士號和蛟龍號載人深潛器的年均下潛次數明顯偏低, 有待進一步提高。我國想實現對大型海洋裝備的高效開放管理, 還有很長的路要走。

2.3 建設了我國有纜海底觀測的網絡系統

近年來, 有纜海底觀測網的發展建設方興未艾, 加拿大、美國等國家依據不同的科學觀測目標組建了多條區域性和國際性的有纜海底觀測網絡, 其中較為成熟的有加拿大的海王星海底觀測網(NEPTUNE)和美國的火星觀測網(MARS)[31]。

近十幾年來, 我國在國家“863”計劃的大力支持下, 我國海底觀測網絡建設獲得突破性進展: 如“十一五”期間, 同濟大學組建了包括接駁盒、海底化學和海底動力環境監測子系統等組網設備實現與美國MARS海底觀測網的接并, 并連續穩定實現半年以上的海試[32]; “十二五”期間, 由中國科學院聲學研究所牽頭, 聯合國內12家涉海研究機構, 在我國南海建設了一套光電復合纜長度達150 km的海底觀測網試驗系統, 在水深 1 800 m 處連接了多套海洋化學、地球物理和海底動力觀測平臺(見圖6)[33]。

表1 國內外作業型載人深潛器年均下潛次數統計表

注: 深海勇士號年均下潛次數以截止到2018年底的新聞報道得出; 蛟龍號年均下潛次數為文獻[26]統計次數除所需年限得出; 其他深潛器的統計數據來自文獻[30]。

我國海底觀測網絡系統建設實現了從無到有的重大突破, 但與國際成熟的海底觀測網絡運維管理的模式相比, 仍然有需要進一步改進的空間: (1)分散在各處的觀測站、觀測網等數據標準不統一、協同作業能力差, 需要對其進行運維管理上的層次化和智能化改進; (2)尚未接入全球海洋觀測系統(GOOS),與之相關的信息傳輸、數據融合、故障處理、安全保密等運維管理能力有待大幅度提升。

圖6 南海海底觀測網試驗系統[34]

3 美國大型海洋裝備運維現狀對我國的啟示

美國對大型海洋裝備的管理能力被國際海洋界所公認, 與其強大的資源整合能力、清晰的國際資源共享發展方向和穩定的裝備研發投資支持生態有很大關系。

通過整合優勢資源形成了單個機構無法比擬的強大實體[35], 使其具備在全球范圍內執行超大型海洋研究計劃的實力; 清晰的國際資源共享發展方向, 使其在引領和組織世界性海洋科學計劃上占據領軍地位; 穩定的裝備研發投資支持生態, 使其新型裝備研發、裝備運維管理等環節有穩定的資金保障。

綜上所述, 其對我國的啟示分析如下:

3.1 強化以效率最大化為目標的制度體系設計

我國目前海洋科考船及其他大型海洋裝備已出現“產能過剩”的苗頭, 每年的船舶、裝備維修維護經費幾乎是固定的, 此時, 擺在決策者面前的是如何花同樣的錢辦更多的事, 唯一的可行辦法就是提高這些大型裝備的使用效率。

為實現對我國大型海洋裝備的高效管理, 當務之急是建立一整套行之有效的制度體系。該制度體系的頂層設計參照上述三層體系架構的設計理念, 對內實現使用權、管理權、所有權的高度分離, 對外實現資源整合后的集中統一管理實體。

針對所有權, 建議建立國家大型海洋裝備管理目錄及負面清單統計制度, 對國家投資研發、購置的大型海洋裝備納入目錄管理, 同時將大型裝備的運維管理情況納入負面清單管理, 對運維管理不當的受委托管理部門, 應杜絕其再次購置同類型大型裝備的情況; 針對管理權, 應成立與UNOLS類似的但又適合我國國情的組織機構, 負責全國范圍內海洋裝備的協調和監督管理, 受委托管理部門負責海洋裝備的具體運維管理; 針對使用權, 上述組織為統一對外窗口, 協調使用申請審核, 發布年度船時、裝備執行計劃。

3.2 探索建立國家層面的大型共享平臺

我國高等院校和地方政府建設的共享平臺數量眾多, 但共享情況卻不樂觀。以青島市大型科學儀器共享平臺為例, 據青島市科技研發服務中心王德強[36]統計, 高等院校、科研院所和企業研發機構擁有的儀器數量眾多, 但入網共享的比例卻很少, 并通過對共享單位補貼申請情況進行統計, 發現入網共享的儀器設備使用效率很低。

那么, 如何解決共享平臺共享效益與質量不高的局面呢？作者認為應探索建立國家層面的大型海洋裝備共享共用平臺。參照美國大型海洋裝備管理的先進經驗, 該平臺的構建分為以下幾個步驟: (1)整合國內海洋領域的優勢資源, 首先組建以三層架構(詳見1.1節)為內核的統一管理體系, 聯合不同部委、科研院所、高校構建單個機構無法比擬的強大資源聯合體。以潛水器為例, 成立水下運載裝備協調委員會, 負責國家范圍內水下運載裝備共享共用規則的制定與協調, 明確體系內層級間的權利與責任。(2)在管理體系框架下, 搭建國家大型海洋裝備的共享平臺。規定共享范圍: 所有由國家投資研發/購置且原值在50萬(視情調整)以上的大型海洋裝備均需入網共享。以載人潛水器為例, 可將自然資源部的蛟龍號、科學院的勇士號及正在設計開發的全海深載人潛水器納入該平臺統一協調管理, 共享單位、其他使用單位及個人欲使用該載人潛水器均需申請, 說明使用理由及合理性、使用時間、實驗內容、支撐項目等關鍵要素, 由水下運載裝備協調委員會負責協調制定下一年度下潛計劃, 待時機成熟后可向國際上推廣。(3)堅持共享共用的有償服務原則。初期可成立共享單位運維管理補償基金[33], 短期內可采取國家補貼等形式予以相應的資金扶持, 長期來看, 將有償服務的經費歸集到基金管理可實現運維管理和服務收費的自我循環。以載人潛水器為例, 人力成本國際頂尖的美國實現了5萬美元/潛次的成本控制, 相信我國引入該管理體系必將大幅降低載人潛水器的單潛次下潛成本。(4)物盡其用, 避免重復購置[37]。堅持共享共用的有償服務就不能允許重復購置和閑置浪費, 應根據地域分區, 制定區域內現有的共享儀器、裝備的閑置管理辦法, 閑置機時多于XX小時予以暫停購置同類型設備的處罰。(5)平臺還可交由共享單位制定并發布大型裝備的第三方工具開發指南與接口標準(如適用), 制作規范的使用操作規程及使用說明書, 必要時共享單位可安排技術支持人員對使用人員進行培訓。

3.3 積極引導設立非盈利社會組織

我國非盈利組織數量不多, 社會組織申請設立捐獻、援助性的非盈利組織十分困難。從美國等國家非盈利組織的發展情況來看, 社會組織成立非盈利組織的需求巨大, 建議國家相關部委積極推動放寬簡化非盈利組織申請程序, 鼓勵社會上的企事業單位為國家基礎科學研究、大型裝備運維等活動提供資金支持。

3.4 制定鼓勵企事業單位捐助導向性的相關政策

美國等國非盈利組織發展迅速、規模十分龐大, 與政府制定的對非盈利組織的優惠政策是分不開的, 我國應積極探索制定為國家提倡的基礎科學研究、大型裝備運維等社會活動提供資金支持的企事業單位予以稅收優惠的政策。引導鼓勵非盈利組織和企事業單位在提高國家的基礎能力建設和國家重要資產運維等方面發揮他們的積極作用。

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Current status of the operation and maintenance of large-scale marine equipment in the United States and its enlighten-ment to China

WANG Jian-cun, JING Chun-lei, TIAN Xu

(National Deep Sea Center, Qingdao 266237, China)

In this study, I analyze the operation and maintenance status of the organizational structure and management system of large-scale marine equipment in the United States, the organization of international resource sharing platform, and the management of equipment and support for the R&D ecology. I also summarize the valuable experiences, existing problems, and bottlenecks in the field of operation and maintenance management of large-scale marine equipment in China. Finally, I propose the countermeasures and solutions to solve the problems of low utilization rate, difficulty in resource sharing, and unstable financial support of large-scale marine equipment in China.

large-scale marine equipment, operation and maintenance management, enlightenment

Sep. 23, 2019

[National Key Research and Development Project, No.2017YFC0307404-01]

P711

A

1000-3096(2020)02-0171-09

10.11759/hykx20190923001

2019-09-23;

2019-10-31

國家重點研發計劃(2017YFC0307404-01)

王建村(1982-), 男, 山東省巨野縣人, 工程師, 碩士, 主要從事深海裝備的研發與管理, E-mail: cun@ndsc. org.cn

(本文編輯: 趙衛紅)