王明豐

(中國艦船研究院，北京 100192)

艦船頂層設計指標最優(yōu)分配問題計算方法

王明豐

(中國艦船研究院，北京 100192)

基于大型復雜工程系統(tǒng)設計的多學科設計優(yōu)化算法，開展了艦船頂層設計指標最優(yōu)分配的計算方法研究，基于協(xié)同優(yōu)化算法提出了艦船頂層設計指標最優(yōu)分配的一種通用算法框架。

艦船;設計指標;最優(yōu)分配;計算方法

0 引言

現(xiàn)代艦船頂層設計是一項大型的復雜系統(tǒng)工程，涵蓋多個學科和專業(yè)，存在大量的設計變量和約束條件。隨著艦船工業(yè)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代水面作戰(zhàn)艦船對總體綜合性能的要求越來越高，采用傳統(tǒng)的指標分配方法越來越難以滿足現(xiàn)代艦船綜合優(yōu)化設計的需要。本文將基于大型復雜工程系統(tǒng)設計的多學科設計優(yōu)化算法思想，開展現(xiàn)代水面作戰(zhàn)艦船頂層設計指標最優(yōu)分配的計算方法分析研究。

1 艦船頂層設計指標最優(yōu)分配研究的意義

艦船頂層設計指標最優(yōu)分配問題本質上是一個最優(yōu)化問題，主要是將艦船研制總要求分解為各系統(tǒng)設備的研制要求，具體是在艦船總體或系統(tǒng)的方案設計中，將頂層的“設計要求”、“設計余量”等分配給各子系統(tǒng)或設備，以確定各子系統(tǒng)或設備設計優(yōu)化時的總體約束條件。

現(xiàn)代水面作戰(zhàn)艦船發(fā)展和更新速度快，通常有大量新研或改進的艦載武器裝備上艦，系統(tǒng)設備研制周期較短，技術狀態(tài)要求較高。如何根據我國艦船工業(yè)實際能力，提出滿足用戶作戰(zhàn)使用需求的頂層、總體以及各系統(tǒng)和設備級的技術指標體系，對于保證艦船的技術先進性以及研制的進度、質量都至關重要。

對用戶來說，往往都期望獲得技術更先進、作戰(zhàn)能力更強、使用維護更簡單、可靠性更高、造價更低的艦船。但對子系統(tǒng)或設備設計師來說，往往都期望獲得更寬松的指標要求以便獲得更多的設計余量，比如更低的精度指標、更大的重量指標、更低的可靠性指標、更高的造價指標，從而降低本系統(tǒng)或設備的設計難度。在這種情況下，總設計師和決策者都不得不面對頂層設計指標的最優(yōu)分配問題。

總設計師需要綜合各種約束條件，分層次進行綜合權衡，將頂層設計指標以及最優(yōu)方式分配到各系統(tǒng)和設備，建立起從艦船頂層到系統(tǒng)再到設備級的技術指標體系。盲目分配頂層設計指標將難以通過設計得到整體性能較好的系統(tǒng)，常常會導致產品在試制、試驗過程中出現(xiàn)嚴重的技術問題或質量問題，過于苛刻的指標要求可能造成整個艦船系統(tǒng)研制的瓶頸，過于寬松的指標約束可能直接導致裝備性能的落后，甚至在交付裝備中出現(xiàn)功能和性能上的缺陷，直接影響整個艦船的總體性能。

艦船頂層設計指標最優(yōu)分配問題的計算方法分析研究，即如何運用計算方法合理地將艦船總體或系統(tǒng)的設計指標分配給子系統(tǒng)或設備，以使艦船總體或系統(tǒng)的設計達到全局協(xié)調的總體優(yōu)化，對提高艦船總體綜合性能具有重要意義。

2 艦船頂層設計指標最優(yōu)分配方法分析

現(xiàn)代艦船頂層設計指標最優(yōu)分配問題是一個大型復雜工程系統(tǒng)優(yōu)化設計問題，各艦船設備之間通常只存在弱耦合關系，通?？紤]的電力、可靠性等指標常常按照艦船的結構和系統(tǒng)功能劃分進行分配，具有顯著的層次性和可分解性特征。而組成設備的部件間一般具有較強的相關性，很難進行頂層指標的進一步細分，因此現(xiàn)代艦船頂層設計指標分配后建立的指標體系應到設備級。對于大型現(xiàn)代艦船，根據實際工程經驗，采用“總體——一級系統(tǒng)——二級系統(tǒng)——三級系統(tǒng)——設備”這5層分配結構的計算分配方法，可適用于一般艦船頂層設計指標最優(yōu)分配問題。

為方便進行艦船指標體系多層次結構某一層次指標分配過程的數(shù)學描述，這里將上級系統(tǒng)或總體稱為主系統(tǒng)，主系統(tǒng)分解后各分布并行系統(tǒng)或設備稱為子系統(tǒng)。某一層次設計指標的分配過程可以看作主系統(tǒng)向子系統(tǒng)傳遞設計變量和狀態(tài)變量目標值，設計指標分配過程中總體與一級系統(tǒng)、上級系統(tǒng)與分系統(tǒng)或設備之間的反復協(xié)調相當于求解子系統(tǒng)間一致性約束以協(xié)調分配量的過程。

根據上述分析，可以借鑒多學科設計優(yōu)化方法中的協(xié)同優(yōu)化算法來處理艦船頂層設計指標分配這類設計優(yōu)化問題，總設計師或系統(tǒng)設計師向子系統(tǒng)或設備設計師傳遞設計向量和相關狀態(tài)向量的期望信息，各子系統(tǒng)或設備設計師只考慮滿足本系統(tǒng)約束的情況下，使子系統(tǒng)優(yōu)化后得到的最優(yōu)解與主系統(tǒng)傳遞下來的對應期望值的差距最小，然后各子系統(tǒng)或設備設計師將子系統(tǒng)優(yōu)化得到的設計向量的最優(yōu)解及目標函數(shù)最優(yōu)值返回給主系統(tǒng)。

對于艦船指標體系某一層次結構，可以通過將所有的狀態(tài)向量當作設計向量，解除子系統(tǒng)間的耦合關系。在此基礎上采用具有2級優(yōu)化結構的協(xié)同優(yōu)化算法，使該層次設計優(yōu)化問題轉化為“一對多”模式的主系統(tǒng)優(yōu)化和子系統(tǒng)優(yōu)化，在該層次內各個子系統(tǒng)優(yōu)化獨立并行實現(xiàn)。在這一層次內，來自各子系統(tǒng)的設計向量最優(yōu)解不同，存在不一致，主系統(tǒng)設計師可根據子系統(tǒng)的返回信息，根據子系統(tǒng)最優(yōu)解與主系統(tǒng)期望值之間的差距，按照一定的規(guī)則協(xié)調子系統(tǒng)間的不一致，從而得到該層次主系統(tǒng)目標函數(shù)的最優(yōu)值以及有關狀態(tài)向量的最優(yōu)解。然后，將這一層次的主系統(tǒng)優(yōu)化結果返回給上一級系統(tǒng)，上一層次采用同樣方式對主系統(tǒng)優(yōu)化和子系統(tǒng)進行優(yōu)化，在該層次根據子系統(tǒng)最優(yōu)解與主系統(tǒng)期望值之間的差距進行子系統(tǒng)間的一致性協(xié)調。如此迭代完成頂層設計指標的分配，使得原問題目標函數(shù)最優(yōu)。

3 基于協(xié)同優(yōu)化算法的艦船頂層設計指標最優(yōu)分配通用算法框架

基于協(xié)同優(yōu)化算法思想，可以按設計指標分配關系將艦船頂層設計指標最優(yōu)分配問題轉化為層層迭代的2級優(yōu)化問題。在每1個層次的2級優(yōu)化結構相當于1個主系統(tǒng)優(yōu)化問題和若干個子系統(tǒng)優(yōu)化問題:子系統(tǒng)優(yōu)化以最小化子系統(tǒng)對應量與指標分配量的差距為目標，對子系統(tǒng)設計變量進行最優(yōu)設計，按系統(tǒng)組成劃分細化分配指標;子系統(tǒng)優(yōu)化結束后將最優(yōu)解信息返回主系統(tǒng)優(yōu)化，構成一致性約束;主系統(tǒng)優(yōu)化以主系統(tǒng)性能最優(yōu)為目標，在一致性約束條件下尋找各子系統(tǒng)協(xié)調的設計指標最優(yōu)分配方式;優(yōu)化后對各子系統(tǒng)重新分配設計指標;采用層層迭代的方式進行這個過程直到得到各層次子系統(tǒng)都基本滿意的設計指標最優(yōu)分配方案。

對于艦船指標體系某一層次，如果有N個子系統(tǒng)或設備，那么對于涉及N個子系統(tǒng)的設計優(yōu)化問題可用數(shù)學描述為:

式(1)中，Gi(X)≤0和Hi(X)=0分別為屬于第i個子系統(tǒng)的不等式約束和等式約束。

對于艦船指標體系某一層次設計指標分配問題的主系統(tǒng)優(yōu)化模型為:MinF(Z)，

式(2)中，原優(yōu)化問題的全局設計向量ZS和耦合狀態(tài)向量ZC共同構成系統(tǒng)級優(yōu)化設計向量，Ji(Z)=0為協(xié)調第i個子系統(tǒng)不一致性的一致性約束。

對于艦船指標體系某一層次設計指標分配問題的子系統(tǒng)優(yōu)化模型為:

按照式(1)～式(3)所述數(shù)學模型，根據艦船設計實際的指標體系層次結構劃分，對頂層設計指標的分配過程按層次結構進行主系統(tǒng)優(yōu)化和子系統(tǒng)優(yōu)化并進行層層迭代計算，可求解得到各個分系統(tǒng)和設備的設計指標最優(yōu)分配方案。

4 結語

基于協(xié)同優(yōu)化算法思想按本文通用算法框架建立艦船頂層設計指標分配數(shù)學模型可適用于求解艦船頂層設計指標的最優(yōu)分配問題。關于各類優(yōu)化算法移植到本文算法框架后的收斂性和魯棒性尚需要在后續(xù)實踐中通過實例計算研究進一步分析。

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Mathematical method of optimum allocation problem of integrated requirements in ship design

WANG Ming-feng
(China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China)

The paper analyses the mathematical method of optimum allocation problem of integrated requirements in ship design based on multidisciplinary design optimization method.Using collaborative optimization method as reference，a mathematical model is established to be applied to optimum allocation of ship design requirements.

ship;design requirements;optimum allocation;mathematical method

U662.2

A

1672－7649(2011)06－0031－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.008

2011－05－06

王明豐(1981－)，男，工程師，主要從事艦船科技管理。