李 爽，田斌斌，徐 青，徐 斌，陳 立

1 海軍裝備部，北京100071

2 中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

0 引 言

武器系統(tǒng)的研制通常是一項系統(tǒng)工程。水面艦船作為武器系統(tǒng)的代表，在有限的空間內(nèi)集成了具有各種功能、性能而又相互影響的設施、系統(tǒng)和分系統(tǒng)，既組成有機的整體，也存在各種矛盾［1］。水面艦船的研制包括論證、設計、建造和試驗等一系列階段，其綜合作戰(zhàn)能力的發(fā)揮是上述各階段共同作用的結(jié)果，其中，方案論證及設計階段對艦船綜合作戰(zhàn)能力的影響最為顯著。

根據(jù)水面艦船所承擔的使命任務，其綜合作戰(zhàn)能力一般可分解為獲取及傳遞信息的能力、機動能力（包括快速性、操縱性、續(xù)航力及自給力等）、打擊能力和防御能力。在水面艦船論證及總體設計階段，艦船綜合作戰(zhàn)能力的最大化與艦船資源（包括空間、排水量、能量及信息等）的稀缺性是永恒的矛盾。對此，必須通過持續(xù)更新艦船設計理念、優(yōu)化艦船設計方法和提高艦船設計手段來予以解決。集成優(yōu)化設計正是在此背景下提出的解決艦船需求與現(xiàn)實之間矛盾的方案。

在歐、美發(fā)達國家的水面艦船設計中，普遍應用了集成優(yōu)化設計思想，主要體現(xiàn)在：

1）由自下而上的非集成系統(tǒng)設計方式轉(zhuǎn)化為自上而下的集成化系統(tǒng)設計方式［2］，增強了系統(tǒng)的整體性和關聯(lián)性；

2）注重提高系統(tǒng)、設備的自動化、智能化及標準化，加大了信息化技術的應用；

3）同時采取優(yōu)化作業(yè)流程、加大新技術的集成等技術手段與改革制度和政策、改進維修及保障體系等非技術手段［3］；

4）通過大量采用成熟商用技術及大力度的演示驗證，化解新的設計思想以及新技術、新材料的應用風險［4］；

5）在不影響艦船作戰(zhàn)效能的前提下提高艦船性能，減少人員編制，節(jié)約艦船全壽期費用。

近年來，隨著我國技術的進步和發(fā)展，新的材料和器件、新的工藝和流程、新的手段和途徑以及新的技術策略和信息化技術的開發(fā)，為艦船集成優(yōu)化設計提供了可能及強有力的支撐。在我國水面艦船的研制過程中，依據(jù)科學的觀點和方法，運用現(xiàn)代科技手段分析、處理復雜系統(tǒng)的各種問題和矛盾，不斷優(yōu)化艦船總體及艦載系統(tǒng)、設施的設計，是艦船綜合作戰(zhàn)能力提升的需要，也是技術進步推動的必然。

1 集成優(yōu)化設計的概念與原則

系統(tǒng)學定律指出：“在保證實現(xiàn)環(huán)境所允許的系統(tǒng)功能的前提下，使整個系統(tǒng)對時間、空間、物質(zhì)、能量和信息的利用率最高?！保?］該定律說明在艦船設計過程中，無論是系統(tǒng)和分系統(tǒng)的設計或艦船總體設計，其集成優(yōu)化設計的目標應向著“五最高”趨近。

1.1 艦船集成優(yōu)化設計的概念

在漢語百科詞典中，對集成的解釋是：“一些孤立的事物或元素通過某種方式集中在一起，產(chǎn)生聯(lián)系，從而構成一個有機整體的過程?！庇纱耍稍O計是一種思想和觀念，它的本質(zhì)是最優(yōu)化的綜合統(tǒng)籌設計，所要達到的目標是系統(tǒng)整體性能最優(yōu)。集成設計不僅包含技術成分，而且還包含管理成分。

優(yōu)化作為科學研究及工程技術等領域的重要研究工具，在艦船設計中的應用已非常成熟，如對設計參數(shù)進行分析和權衡，使艦船總體或系統(tǒng)方案滿足或優(yōu)于研制要求等，在此不再贅述。

對艦船而言，集成優(yōu)化設計就是以提高艦船綜合作戰(zhàn)效能為目標，在保證艦船功能要求的前提下，通過運用系統(tǒng)工程思想及現(xiàn)代技術創(chuàng)新，將艦船分散的設施、功能和信息等集成到相互關聯(lián)的、統(tǒng)一和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)之中，并采用適當?shù)姆椒ā⒐ぞ呒皽蕜t對艦船系統(tǒng)進行綜合分析和權衡，使全艦裝備對艦船重量、空間、能源及信息等的利用率最高。

1.2 艦船集成優(yōu)化設計的原則

艦船集成優(yōu)化設計的對象是艦船總體綜合性能，表征為優(yōu)化裝艦系統(tǒng)規(guī)模、合理規(guī)劃總體布置、減少人員編制、提高艦船資源的利用率及降低艦船全壽期費用等。在水面艦船集成優(yōu)化設計過程中應遵循的基本原則包括：

1）集成優(yōu)化設計應以提升艦船的綜合作戰(zhàn)效能為出發(fā)點；任何情況下，集成優(yōu)化設計不能降低艦船的綜合作戰(zhàn)效能。

2）艦船總體應加強頂層設計，合理規(guī)劃和分解系統(tǒng)功能；艦船系統(tǒng)應優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構，保證系統(tǒng)結(jié)構高度有序。

3）集成優(yōu)化設計應確保提高系統(tǒng)整體性能，注重技術手段與非技術手段的綜合應用。

4）集成優(yōu)化設計過程中應處理好新技術應用與技術風險之間的關系，既要提高新技術在艦船系統(tǒng)中的集成力度，又要通過試驗驗證等方法化解相關技術風險。

5）應做好集成優(yōu)化設計過程的協(xié)調(diào)、控制及監(jiān)督和管理工作。

2 集成優(yōu)化設計面臨的問題

目前，我國艦船研制中的條塊分割現(xiàn)象依然存在，艦船總體及系統(tǒng)設計中的集成優(yōu)化力度不夠，存在以下主要問題。

2.1 艦船總體頂層設計力度不夠

根據(jù)艦船型號研制頂層設計的內(nèi)涵［6］，目前，艦船總體沒有體現(xiàn)出艦船“大系統(tǒng)”的概念及龍頭作用，主要表現(xiàn)在：

1）缺乏全面的艦船資源統(tǒng)計、分析、規(guī)劃及統(tǒng)籌；

2）缺乏對艦船系統(tǒng)功能定位、分配及耦合關系的綜合考慮；

3）缺乏自上而下的對艦船系統(tǒng)、設備研制的牽引及監(jiān)督機制。

上述頂層設計力度不足使艦船作戰(zhàn)能力需求與艦船資源之間的矛盾更加突出。

2.2 艦船系統(tǒng)設計理念落后

目前，艦船系統(tǒng)設計先進性的理念更新不夠，主要表現(xiàn)在：

1）系統(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)之間的功能統(tǒng)籌與集成力度低；

2）新材料、新工藝在艦船系統(tǒng)設計中的應用水平低；

3）系統(tǒng)的自動化、智能化、標準化及信息化程度低。

艦船系統(tǒng)設計理念的落后導致系統(tǒng)效率低、能耗大、臺（柜）多，需要的操作人員多，進而影響艦船資源的合理配置。

3 艦船集成優(yōu)化設計建議

針對艦船總體和系統(tǒng)在集成優(yōu)化設計中存在的主要問題，提出了艦船總體和系統(tǒng)集成優(yōu)化設計建議。

3.1 艦船總體集成優(yōu)化設計建議

艦船總體設計包括能力集成、相互作用集成和空間集成［7］，應從做好型號總體頂層設計、落實總體設計優(yōu)化工作及加強對總體和系統(tǒng)的監(jiān)督管理等方面加強集成優(yōu)化設計工作。

1）做好艦船總體頂層設計。

從艦船總體集成與優(yōu)化設計角度，艦船總體頂層設計的主要內(nèi)容包括：

（1）完成全艦集成體系結(jié)構規(guī)劃。

艦船總體應從艦船具體使命任務分析出發(fā)，按照層次關系完成系統(tǒng)功能與性能、全艦系統(tǒng)集成、分系統(tǒng)集成直至具體設備的清理和分析，形成全艦集成體系結(jié)構規(guī)劃，如圖1 所示。

（2）開展系統(tǒng)功能分配及優(yōu)化。

艦船總體應依據(jù)任務剖面、能量及信息傳遞、控制流程等分析結(jié)果進行系統(tǒng)功能的分配和優(yōu)化，實現(xiàn)艦船總體性能指標，并使各組成系統(tǒng)對艦船資源的利用率最高。

圖1 全艦集成體系結(jié)構圖Fig.1 Naval ship integration architecture

（3）建立集成設計準則和約定。

艦船總體應從艦船分系統(tǒng)的集成設計保證系統(tǒng)的整體性能最優(yōu)、系統(tǒng)的集成設計保證艦船總體的性能最優(yōu)的原則和從分系統(tǒng)、系統(tǒng)、總體之間能量及信息傳遞的開放性、互聯(lián)性、可靠性、高效率、經(jīng)濟性及標準化等方面建立集成設計準則和約定，來指導和規(guī)范總體及系統(tǒng)的集成設計工作。

（4）權衡和分解艦船研制指標。

艦船總體應對艦作戰(zhàn)能力、可靠性、維修性、測試性、安全性、保障性及環(huán)境適應性等研制指標進行綜合分析和權衡，并對相關指標按照重要程度、使用頻率和技術成熟度等進行合理分解。

（5）權衡并決策艦船總體技術方案。

艦船總體應從艦船綜合作戰(zhàn)效能的內(nèi)涵及影響因素出發(fā)，開展平臺性能與作戰(zhàn)性能之間的權衡以及平臺和作戰(zhàn)效能內(nèi)部的權衡；設定決策準則，依照艦船綜合作戰(zhàn)效能最優(yōu)的原則進行艦船總體技術方案的決策。

2）落實總體設計優(yōu)化工作。

艦船總體在具體的型號總體設計過程中，應落實以下幾方面的優(yōu)化設計工作：

（1）艦船資源的統(tǒng)籌設計。

應分別從強化系統(tǒng)之間的統(tǒng)籌，優(yōu)化系統(tǒng)之間的資源配置、促進系統(tǒng)內(nèi)部統(tǒng)籌，優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)部資源配置及加強公共資源的統(tǒng)籌，做到艦船資源的充分利用等方面對艦船空間、排水量、能量及信息等資源進行統(tǒng)籌設計。

（2）主尺度與船型的優(yōu)化設計。

應選取合理的主尺度，控制艦船排水量；開展船型及附體的權衡及優(yōu)化設計，提高快速性及適航性；開展螺旋槳推進效率與螺旋槳噪聲之間的權衡及優(yōu)化設計；根據(jù)船型及附體優(yōu)化設計結(jié)果，結(jié)合推進主機特性曲線、螺旋槳優(yōu)化設計開展船-機-槳匹配優(yōu)化工作，正確、合理地確定主機運行點，以追求動力運行的高效率、低油耗，減少運行成本［8-9］。

（3）總布置的集成優(yōu)化設計。

應通過合理規(guī)劃各類艙室布局，確保艙室之間的相互干擾最?。慌撌铱臻g的分配應確保在對艦船性能影響最小的前提下具有最大的使用效率；優(yōu)化作業(yè)流程、縮短作業(yè)線路，減輕艦員勞動強度等方面開展總布置的集成優(yōu)化設計。

（4）船體結(jié)構的優(yōu)化設計。

通過開展直接計算及采用模型試驗等手段優(yōu)化各類板材及型材規(guī)格，減輕結(jié)構重量；合理選用結(jié)構材料，減小構架對艦船空間及重量的占用；優(yōu)化船體結(jié)構振動設計，減小振動對工作及生活的影響等方面開展船體結(jié)構的優(yōu)化設計。

（5）人員編制的優(yōu)化配置。

通過優(yōu)化艦員配置結(jié)構來整合戰(zhàn)位、分析任務剖面，以兼顧戰(zhàn)位、提高自動化和信息化程度并改變維修和保障策略以減少戰(zhàn)位等措施來進行人員編制的優(yōu)化配置。

3）加強對總體和系統(tǒng)的監(jiān)督管理。

加強對艦船總體和系統(tǒng)集成優(yōu)化設計的監(jiān)督和管理可促進總體和系統(tǒng)最優(yōu)方案的落實，保證艦船總體集成方案的最終實現(xiàn)，主要包括：

（1）對系統(tǒng)方案技術層面的監(jiān)督管理。

從系統(tǒng)論證開始，從其裝艦的必要性、設計原理、使用流程、集成優(yōu)化方案等方面參與系統(tǒng)設備的研制，責成系統(tǒng)責任單位要強化系統(tǒng)的頂層設計，對系統(tǒng)提出合理控制設計裕度的具體要求，加強在系統(tǒng)研制全過程中監(jiān)督執(zhí)行的力度。

（2）對系統(tǒng)方案風險控制層面的監(jiān)督管理。

對系統(tǒng)方案從技術、進度和經(jīng)費等風險控制角度責成系統(tǒng)責任單位開展充分的仿真計算和試驗驗證，并進行技術先進性與風險控制的綜合權衡和決策。

（3）對總體方案風險控制層面的監(jiān)督管理。

對總體方案從技術的可實現(xiàn)性、計劃和經(jīng)費的可控性等方面進行分析和權衡，并按研制階段開展研制周期內(nèi)的技術、進度和經(jīng)費風險識別、分析及控制活動。

3.2 艦船系統(tǒng)集成優(yōu)化設計建議

艦船系統(tǒng)應從優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構、提高“四化”（自動化、智能化、信息化及標準化）程度及提高系統(tǒng)效率等方面開展集成優(yōu)化設計工作。

1）優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構。

從建立系統(tǒng)集成體系結(jié)構開始，通過清理系統(tǒng)組成要素之間的相互關系，形成不同系統(tǒng)結(jié)構方案并進行比較和分析，最終實現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構的優(yōu)化。具體包括：

（1）建立艦船系統(tǒng)集成體系結(jié)構。

與全艦集成體系結(jié)構類似，艦船系統(tǒng)責任單位應從系統(tǒng)的具體功能和性能分析出發(fā)，按照層次關系進行細致的系統(tǒng)組成分析和分解，直至具體的元、器件單元，建立系統(tǒng)集成體系結(jié)構。

（2）清理系統(tǒng)組成之間的相互作用關系。

應開展艦船系統(tǒng)組成元素之間空間位置、時間序列、能量與信息、指揮與控制等方面的相互作用關系清理，建立艦船系統(tǒng)組成元素相互作用影響關系圖或表，以便于系統(tǒng)結(jié)構優(yōu)化工作的開展。

（3）優(yōu)化艦船系統(tǒng)結(jié)構。

通過對艦船系統(tǒng)內(nèi)各組成元素相互作用關系的分析，進行艦船系統(tǒng)組成元素的各種組合并形成各種可行的系統(tǒng)結(jié)構方案，從提高空間及時間利用率、提高能量與信息傳遞效率、簡化指揮與控制流程等方面對各種系統(tǒng)結(jié)構方案進行比較和分析，確定優(yōu)化的艦船系統(tǒng)結(jié)構。

2）提高“四化”程度。

提高艦船系統(tǒng)的“四化”程度是實現(xiàn)系統(tǒng)設計先進性，減輕艦員勞動強度，減少操作戰(zhàn)位的必要條件，具體包括：

（1）提高系統(tǒng)自動化、智能化程度。

應通過采取對艦船系統(tǒng)運行數(shù)字的監(jiān)控，自動采集、整理、分析、評估并顯示系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，自動調(diào)整系統(tǒng)運行工況或采取應對措施等方法提高系統(tǒng)的自動化程度；通過在艦船系統(tǒng)內(nèi)集成輔助決策系統(tǒng)、專家系統(tǒng)或人工智能技術等手段提高系統(tǒng)的智能化程度。

（2）提高系統(tǒng)信息化程度。

應通過采用光纖通信技術、數(shù)字化網(wǎng)絡技術、集成化數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等技術提高艦船系統(tǒng)的信息化程度，同時，應注重信息化技術在系統(tǒng)中的開放性及可擴展性，以提高系統(tǒng)的互聯(lián)性及維護性能。

（3）提高系統(tǒng)標準化程度。

在艦船系統(tǒng)集成優(yōu)化設計過程中，應注重提高技術框架、接口（能量及信息）、協(xié)議、硬件、界面等方面的標準化程度，以提高系統(tǒng)的通用性及可替換性。

3）提高系統(tǒng)效率。

艦船系統(tǒng)效率取決于組成系統(tǒng)元器件的功耗、系統(tǒng)規(guī)模、系統(tǒng)流程及系統(tǒng)所用材料等方面。因此，提高艦船系統(tǒng)效率應開展的主要工作包括：

（1）控制系統(tǒng)規(guī)模，優(yōu)化系統(tǒng)流程。

應合理控制艦船系統(tǒng)的設計裕量，控制系統(tǒng)規(guī)模；研究系統(tǒng)硬件功能軟件化實施的可行性，避免因系統(tǒng)功能的擴展而帶來新的硬件；優(yōu)化系統(tǒng)作業(yè)流程及系統(tǒng)內(nèi)能量流和信息流的傳遞路線，以提高系統(tǒng)的整體效率。

（2）選用合適的材料和元器件。

應通過選用合適的材料和元器件，降低艦船系統(tǒng)組成要素的發(fā)熱量，減少能源的消耗；通過對系統(tǒng)內(nèi)設備外形的優(yōu)化及輕質(zhì)材料的選用等手段節(jié)省系統(tǒng)對空間和重量的占用等。

4 集成優(yōu)化設計效果展望

艦船集成優(yōu)化設計將帶來設計理念、能力提升及經(jīng)濟性等方面的收益。

1）設計理念方面。

通過開展艦船集成優(yōu)化設計，將促使艦船總體和系統(tǒng)設計人員轉(zhuǎn)變設計理念，建立艦船總體和艦船系統(tǒng)整體性能最優(yōu)的觀念，并將集成優(yōu)化設計作為對設計師的基本設計要求固化在艦船總體及系統(tǒng)設計工作中。

2）能力提升方面。

艦船總體與系統(tǒng)共同開展集成優(yōu)化設計，將使艦船資源的配置更加合理，從而化解或減少作戰(zhàn)能力需求與艦船資源現(xiàn)實性之間的矛盾。

對艦船組成系統(tǒng)功能及結(jié)構的集成優(yōu)化，將提高艦船總體性能，如提高電磁兼容性、減小全艦RCS 等［10］。

通過精簡設備，控制艦員編制，可使有限的艦船資源更好地服務于艦員生活，提高艦員生活保障水平。

3）經(jīng)濟性方面。

通過對艦船系統(tǒng)功能、性能及結(jié)構的優(yōu)化，將會帶來系統(tǒng)功能的高度融合、系統(tǒng)性能的顯著提升及系統(tǒng)結(jié)構的高度有序，從而節(jié)省采購費用。

艦船總體及系統(tǒng)通過各自的優(yōu)化設計，可提高艦船水動力性能，控制艦船排水量，從而有效減小艦船對燃油等的消耗，節(jié)省運行費用。

通過對全艦人力資源的統(tǒng)籌，優(yōu)化艦員構成，有效控制全艦的人員編制，從而可節(jié)省艦船全壽期的費用［11］。

5 結(jié) 語

開展艦船集成優(yōu)化設計是艦船設計的必然趨勢。在艦船的研制過程中，艦船總體和系統(tǒng)責任單位攜手共同推進艦船的集成優(yōu)化設計工作，全面提高我國軍用船舶在集成優(yōu)化設計方面的廣度和深度，必將共同開創(chuàng)先進艦船的新局面。

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