熊治國(guó)，胡玉龍中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

美國(guó)艦船概念方案設(shè)計(jì)方法發(fā)展綜述

熊治國(guó)，胡玉龍
中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

艦船的主要總體特性和功能特征是在概念方案設(shè)計(jì)階段確定，該階段對(duì)艦船方案的綜合效能、研制風(fēng)險(xiǎn)和研制費(fèi)用具有重要影響。通過分析美國(guó)艦船概念方案設(shè)計(jì)體系和方法發(fā)展特點(diǎn)，將其分為艦船綜合模型開發(fā)、總體方案綜合效能評(píng)估和總體方案綜合優(yōu)化3個(gè)階段。針對(duì)艦船綜合模型，歸納整理基本原理和發(fā)展歷程，分析其不足；闡述基于效能、費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)的艦船總體方案綜合效能評(píng)價(jià)體系及方法；對(duì)基于綜合效能優(yōu)化的艦船概念方案設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)的梳理。美國(guó)艦船概念方案設(shè)計(jì)方法的發(fā)展特點(diǎn)與經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國(guó)艦船概念方案設(shè)計(jì)體系的研究和發(fā)展具有借鑒意義。

艦船設(shè)計(jì)；概念設(shè)計(jì)；艦船綜合模型；綜合效能評(píng)估；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0　引言

現(xiàn)代艦船功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜、系統(tǒng)與設(shè)備數(shù)量大幅增加，導(dǎo)致現(xiàn)代艦船的研制費(fèi)用和研制風(fēng)險(xiǎn)不斷增長(zhǎng)。艦船設(shè)計(jì)人員越來越認(rèn)識(shí)到在艦船設(shè)計(jì)早期對(duì)艦船的全系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化配置，對(duì)控制研制費(fèi)用與風(fēng)險(xiǎn)、避免后續(xù)設(shè)計(jì)階段出現(xiàn)重大技術(shù)狀態(tài)或指標(biāo)調(diào)整并最終得到總體綜合效能均衡的設(shè)計(jì)方案具有重要作用［1-2］。因此，世界主要海軍強(qiáng)國(guó)都致力于開展艦船概念方案設(shè)計(jì)體系和方法的研究，以得到總體效能、費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)均衡的設(shè)計(jì)方案并提高概念設(shè)計(jì)的效率與決策的科目名稱、Taylor標(biāo)準(zhǔn)系列的剩余阻力系數(shù)、所有負(fù)載明細(xì)清單。這些數(shù)據(jù)只需在開始時(shí)讀入1次，將會(huì)用于該設(shè)計(jì)船后續(xù)所有概念方案的開發(fā)計(jì)算。子程序DATA2用于對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化的存儲(chǔ)，便于程序調(diào)用。

2）如果方案的垂線間長(zhǎng)LBP沒有指定，子程序GEOM自動(dòng)計(jì)算水線下的形狀來得到LBP，子程序GEOM的輸入?yún)?shù)為L(zhǎng)/B，B/H，Cp和Cx；如果指定了LBP，則通過給子程序UWDIM提供自由液面修正，Cp，Cx，GM/B，估計(jì)的KG和滿載排水量等參數(shù)，程序自動(dòng)計(jì)算型寬B、吃水H和水線面系數(shù)Cwp。

3）子程序HPCALC用來估算方案的最大航速或者最大航速對(duì)應(yīng)的有效馬力，同時(shí)，也用來計(jì)算經(jīng)濟(jì)航速下的有效馬力。該子程序利用標(biāo)準(zhǔn)泰勒系列試驗(yàn)結(jié)果來進(jìn)行阻力和有效馬力的估算。

4）子程序EPLANT用來進(jìn)行巡航、戰(zhàn)斗工況下的電力負(fù)載和24 h平均電力負(fù)載估算，同時(shí)，在沒有指定發(fā)電機(jī)的情況下，該程序還用來決策需要的發(fā)電機(jī)數(shù)量和尺寸。學(xué)性。其中，以美國(guó)海軍組織研究的基于艦船綜合模型的艦船概念方案設(shè)計(jì)流程體系與方法最為完整、適用性最強(qiáng)，目前已應(yīng)用于美國(guó)海軍所有水面和水下艦艇的概念方案開發(fā)與探索中。本文擬按近50年來美國(guó)艦船概念方案設(shè)計(jì)歷經(jīng)的“艦船綜合模型—總體方案綜合效能評(píng)估—總體方案綜合優(yōu)化”3個(gè)階段對(duì)其艦船概念方案設(shè)計(jì)流程和方法進(jìn)行系統(tǒng)的跟蹤、整理與分析，以期對(duì)我國(guó)艦船概念方案設(shè)計(jì)體系的研究和發(fā)展提供借鑒。

1　艦船綜合模型及其發(fā)展

在20世紀(jì)60年代之前，美國(guó)艦船方案論證是設(shè)計(jì)者通過對(duì)每個(gè)方案進(jìn)行一系列復(fù)雜、耗時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算來完成，效率低、可選方案少。從1960年開始，美國(guó)海軍開始研究利用計(jì)算機(jī)建立艦船綜合模型，開發(fā)出了具有代表性的“驅(qū)逐艦綜合模型DD07”與“艦船概念設(shè)計(jì)模型CODESHIP”［3-4］。前者只針對(duì)驅(qū)逐艦這單一艦型，后者雖可用于不同主尺度和類型的艦船（從巡邏艇到航空母艦），但是由于過分強(qiáng)調(diào)通用性，導(dǎo)致該程序預(yù)報(bào)特定船型性能時(shí)精度受到限制；因而上述2種基于艦船綜合模型的艦船概念方案設(shè)計(jì)工具的適用性和精度較差。

基于對(duì)上述問題的考慮，美國(guó)海軍上尉軍官Reed于1976年發(fā)表了題為“水面艦船綜合模型”的碩士論文［5］，該文的目的是為水面艦船開發(fā)更為實(shí)用的綜合模型。該模型允許設(shè)計(jì)者針對(duì)設(shè)計(jì)艦船調(diào)整或選擇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)方法，相比于前述2種綜合模型，能夠得到更具功能化特性的艦船設(shè)計(jì)指標(biāo)。該模型基于標(biāo)準(zhǔn)艦船數(shù)據(jù)庫(kù)開展系列計(jì)算，同時(shí)能夠讓設(shè)計(jì)人員通過修改來反映不同的設(shè)計(jì)需求和標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)輸入從而得到不同的設(shè)計(jì)結(jié)果。該模型初步具備多方案探索研究能力。

艦船綜合模型應(yīng)該能夠滿足可行解所要求的條件：1）重量和艦船排水量的平衡；2）內(nèi)部可用空間必須大于或等于系統(tǒng)設(shè)備空間需求；3）可用能量必須滿足能源需求，包括推進(jìn)、輔機(jī)、電力需求等；4）重量和排水體積的分布必須滿足規(guī)范的要求，例如橫穩(wěn)性、總縱強(qiáng)度、耐波性等。滿足上述約束的可行方案需要通過綜合模型的反復(fù)迭代來獲得。該綜合模型程序的邏輯流程圖如圖1所示。

該綜合模型主要由主程序（Main）和16個(gè)子程序組成，由主程序按圖1所示的邏輯流程對(duì)子程序進(jìn)行調(diào)用。

其基本流程如下所示。

1）程序開始時(shí)，讀入的數(shù)據(jù)為：需要輸出的項(xiàng)

圖1　艦船綜合模型邏輯流程圖Fig.1　 Logical program flow of ship synthesis model

5）子程序MACHLQ用來估算飲用水、儲(chǔ)備供給水、潤(rùn)滑油、燃油和柴油等液體載荷的重量及對(duì)應(yīng)的液艙容積需求。

6）子程序MBSIZE用來估算船體的最小型深。

7）子程序VOLUME開始計(jì)算需求容積和可用容積，并通過調(diào)整船體主尺度要素來實(shí)現(xiàn)上述容積的平衡。

8）子程序WEIGHT用來估算空船重量和載荷重量，計(jì)算得到滿載排水量并與上次估算的排水量進(jìn)行比較。如果偏差在設(shè)定的范圍內(nèi)，程序進(jìn)行重心高的估算；如果偏差超出設(shè)定的范圍，則調(diào)用子程序GEOM和UWDIM對(duì)主尺度要素進(jìn)行調(diào)整迭代，直至偏差在設(shè)定的范圍內(nèi)。

9）子程序VRTCG用來估算全船重心高度（VCG），并與上次估算的結(jié)果進(jìn)行比較。如果偏差在設(shè)定的范圍，程序進(jìn)入下一個(gè)模塊；否則，調(diào)用子程序GEOM和UWDIM對(duì)主尺度要素進(jìn)行調(diào)整迭代直到偏差控制在設(shè)定的范圍內(nèi)。此時(shí)，程序會(huì)檢查增加的抬升甲板（艉部直升機(jī)起降平臺(tái)形成的結(jié)構(gòu)）的長(zhǎng)度是否超過了垂線間長(zhǎng)LBP。如果超過，主程序會(huì)調(diào)用子程序GEOM和UWDIM對(duì)主尺度要素進(jìn)行調(diào)整并重新迭代；如果沒有超過，便生成一個(gè)平衡可行的總體方案。

10）子程序FNCGPR將重量和體積分給對(duì)應(yīng)的功能組。

11）子程序SEASPD對(duì)平衡方案在北大西洋海浪環(huán)境下的經(jīng)濟(jì)航速和耐波性進(jìn)行估算，以作為不同可行方案比較的參考依據(jù)。

12）子程序OUTPUT輸出最后的平衡方案，主要包括主尺度及船型系數(shù)、功能組重量列表、功能組電力需求負(fù)荷等。

13）調(diào)整輸入，程序進(jìn)行下一個(gè)方案的迭代過程。

上述綜合模型解決了方案論證設(shè)計(jì)過程中需要大量人力反復(fù)迭代計(jì)算的問題，大大提高了方案論證的效率。

上世紀(jì)80年代末，美國(guó)海軍海上系統(tǒng)司令部在該綜合模型的基礎(chǔ)上通過進(jìn)一步拓展設(shè)計(jì)空間的約束集并增強(qiáng)適用性和預(yù)報(bào)程序的精度，開發(fā)出了基于圖形化操作界面的高級(jí)水面艦船評(píng)估工具（Advanced Surface Ship Evaluation Tool，ASSET）［6］，如圖2所示。

ASSET可以針對(duì)不同的艦船類型（普通水面艦船、航空母艦、兩棲攻擊艦等）進(jìn)行可行總體方案的迭代生成和評(píng)估。在ASSET中，設(shè)計(jì)方案以數(shù)據(jù)的形式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，每個(gè)數(shù)據(jù)包含艦船不同組件的信息。ASSET用多級(jí)樹狀結(jié)構(gòu)來組織數(shù)據(jù)，艦船的主要組件，如推進(jìn)設(shè)備、電力設(shè)備、船體設(shè)備等作為第1級(jí)，每個(gè)主要組件進(jìn)一步被分解為二級(jí)部件，如船體設(shè)備細(xì)分為船型、分艙和船體結(jié)構(gòu)，并作為第2級(jí)數(shù)據(jù)；同樣，第2級(jí)部件還可以進(jìn)一步細(xì)分為第3級(jí)部件，這種細(xì)化分解一直進(jìn)行到能用參數(shù)來表達(dá)該部件的物理特性，所有這些參數(shù)的列表稱為模型參數(shù)列表（MPL）［7］。同時(shí)，按照艦船工作分解結(jié)構(gòu)（SWBS）將艦船的不同組件分解為7個(gè)重量組，每個(gè)重量組分為3個(gè)層級(jí)，采用自下而上的方式來得到全船重量。7個(gè)重量組分別為船體結(jié)構(gòu)、推進(jìn)設(shè)備、電力設(shè)備、指揮和監(jiān)視系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、舾裝和家具、武備，用W 100，W 200，…，W 700來分別表示，儲(chǔ)備排水量與載荷裝載量分別用WM00和WF00表示，上述9個(gè)重量組求和便得到了艦船總重量。

ASSET分為計(jì)算模塊和輸入/輸出模塊，計(jì)算模塊又分為綜合模塊和分析模塊，綜合模塊起艦船綜合模型的作用，主要進(jìn)行可行總體方案的迭代生成。計(jì)算模塊主要用于可行總體方案的性能特征計(jì)算；輸入/輸出模塊履行人機(jī)交互數(shù)據(jù)輸入、結(jié)果圖形化顯示、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)等功能。隨后，相關(guān)學(xué)者通過引入進(jìn)化算法和設(shè)計(jì)公理（AAD）來不斷地對(duì)綜合模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解和優(yōu)化，減少了迭代次數(shù)，提高了總體方案論證生成的效率［8］。

美國(guó)海軍在其海上系統(tǒng)司令部的組織與領(lǐng)導(dǎo)下，依托科研機(jī)構(gòu)和院校，建立了基于艦船總體資源與功能需求迭代平衡思想的艦船綜合模型框架，在拓展設(shè)計(jì)空間的約束集并增強(qiáng)適用性和預(yù)報(bào)程序精度的基礎(chǔ)上，吸收當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的最新成果，研制出以ASSET為代表的實(shí)用化艦船總體概念方案論證軟件平臺(tái)，解決了傳統(tǒng)概念方案論證過程需要依靠大量人工開展耗時(shí)計(jì)算的問題，實(shí)現(xiàn)了概念設(shè)計(jì)論證流程的通用化與程序化。以ASSET為代表的實(shí)用化的艦船總體概念方案生成體系與方法，增強(qiáng)了總體方案論證的效率和科學(xué)性。但總的來說，基于迭代生成的總體概念方案論證還存在以下2個(gè)問題：

圖2　 ASSET圖形用戶界面Fig.2 The graphicaluser interface of ASSET

1）綜合模型主要關(guān)注總體方案是否滿足總體資源與系統(tǒng)功能需求的平衡（容積、重量、重心、能源）以及主要平臺(tái)技術(shù)性能指標(biāo)，沒有系統(tǒng)考慮綜合效能、經(jīng)濟(jì)性、風(fēng)險(xiǎn)等因素，不能適應(yīng)現(xiàn)代艦船強(qiáng)調(diào)總體效能均衡優(yōu)化的設(shè)計(jì)理念；

2）綜合模型的基本思想是在設(shè)計(jì)人員提供輸入和選擇設(shè)計(jì)手段及標(biāo)準(zhǔn)的前提下，提供一組總體可行的總體方案作為設(shè)計(jì)基線，不能保證這些方案在方案解空間內(nèi)較其他可行解是較優(yōu)的。

上述基于迭代的艦船綜合模型已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代艦船概念方案論證和設(shè)計(jì)階段越來越注重艦船綜合效能均衡優(yōu)化設(shè)計(jì)的需求，為此，美國(guó)海軍研究機(jī)構(gòu)組織科研力量開展了艦船綜合效能評(píng)價(jià)體系和方法的研究。

2　艦船方案總體綜合效能評(píng)估

針對(duì)艦船總體多方案決策問題，美國(guó)海軍組織研究開發(fā)了基于綜合效能、費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)的艦船總體綜合效能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和方法，作為艦船概念方案量化評(píng)價(jià)的手段和方案之間比較的依據(jù)，其基本評(píng)估流程如圖3所示。

圖3　艦船效能與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程圖Fig.3 The assessment flowchart for OMOE and OMOR

2.1綜合效能評(píng)估

艦船綜合效能指標(biāo)（OMOE）被定義為系統(tǒng)滿足任務(wù)需求的程度，OMOE用0～1來表示艦船在特定任務(wù)中的效能［9-10］。艦船綜合效能評(píng)估流程為：

1）根據(jù)使命任務(wù)分析，確定作戰(zhàn)能力需求（ROC）列表，該工作在需求分析階段完成；

2）列舉出為滿足每項(xiàng)作戰(zhàn)能力需求而要求的性能指標(biāo)（MOP）及其取值范圍（由門限值和目標(biāo)值構(gòu)成）；

3）使用多屬性價(jià)值理論（MAVT）建立各性能指標(biāo)的性能值（VOP）函數(shù)（直線或S形曲線），并根據(jù)此函數(shù)計(jì)算性能指標(biāo)對(duì)應(yīng)的VOP值。例如：最大航速的基本值為20 kn，對(duì)應(yīng)的VOP值為0；最優(yōu)值為30 kn，對(duì)應(yīng)的VOP值為1；

4）用層次分析法（AHP）形成水面艦船效能評(píng)估指標(biāo)體系，并根據(jù)專家打分結(jié)果計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重；

5）使用如式（1）所示的效能評(píng)估數(shù)學(xué)公式計(jì)算水面艦船綜合效能。

式中：VOP（MOP）為性能指標(biāo)對(duì)應(yīng)的性能值；wi為性能指標(biāo)的權(quán)重。經(jīng)過加權(quán)相加計(jì)算得到方案的作戰(zhàn)效能。

2.2費(fèi)用評(píng)估

目前，美國(guó)海軍用于艦船概念方案設(shè)計(jì)論證時(shí)的裝備費(fèi)用估算由于涉及敏感信息，因此其估算方法和相關(guān)數(shù)據(jù)沒有向工業(yè)界和學(xué)術(shù)界公開。早期使用的費(fèi)用估算模型是建立在費(fèi)用—重量數(shù)據(jù)回歸統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)上［11］。該模型采用首艦采辦費(fèi)（Lead Ship Acquisition Cost，LCA）作為衡量艦船方案經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)，首艦采辦費(fèi)分為建造費(fèi)、管理費(fèi)和后期維護(hù)費(fèi)3部分。該費(fèi)用估算模型需要采用7個(gè)艦船工作分解結(jié)構(gòu)組的重量、內(nèi)部通信系統(tǒng)的重量、武器彈藥載荷的重量、航空保障設(shè)備和推進(jìn)系統(tǒng)需要的燃料重量作為估算的輸入，估算過程中，考慮相對(duì)參考年（如1981年）10%的年通脹率來計(jì)算基準(zhǔn)年的艦船費(fèi)用，通脹因子按式（2）計(jì)算。

式中：FI為計(jì)算基準(zhǔn)年的通脹因子；RI為年通脹率；n為基準(zhǔn)年與1981年之間的時(shí)間間隔（以年為單位）。艦船工作分解結(jié)構(gòu)組的總費(fèi)用（ΣCLi）由7個(gè)分解結(jié)構(gòu)組重量費(fèi)用CLi求和得到，各分組費(fèi)用計(jì)算公式分別為：

系統(tǒng)集成費(fèi)用按式（10）計(jì)算。

總裝建造費(fèi)用按式（11）計(jì)算。

根據(jù)上述估算公式，首艦建造費(fèi)為上述9項(xiàng)之和，首艦價(jià)格在首艦建造費(fèi)的基礎(chǔ)上考慮10%的利潤(rùn)。首艦承制費(fèi)用還要在首艦建造費(fèi)的基礎(chǔ)上加上由于訂貨或計(jì)劃延誤等造成的成本增加部分，該部分費(fèi)用大約占首艦價(jià)格的12%。因此，首艦采辦費(fèi)中的首艦承制費(fèi)用為112%的首艦價(jià)格。首艦采辦費(fèi)中的管理費(fèi)主要包括武器彈藥、小艇采購(gòu)費(fèi)、舾裝費(fèi)和生產(chǎn)中的儲(chǔ)備費(fèi)用，該部分約占首艦價(jià)格的20%。后期維護(hù)費(fèi)約占首艦價(jià)格的5%。最后，首艦采辦費(fèi)由艦船承制費(fèi)、管理費(fèi)和后期維護(hù)費(fèi)求和得到。

上述基于重量的艦船費(fèi)用估算模型不能很好地反映費(fèi)用隨機(jī)械設(shè)備配置的變化而變化。事實(shí)上，艦船的很多裝備或系統(tǒng)的價(jià)格并不是由其重量而是由其功能決定。因此，上述費(fèi)用模型在實(shí)際應(yīng)用中還存在一定的局限性。

2.3風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

艦船綜合風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)（OMOR）通過量化函數(shù)表征全船研制的總體風(fēng)險(xiǎn)，美國(guó)在艦船方案評(píng)估過程中通常將其劃分為性能風(fēng)險(xiǎn)Wperf、費(fèi)用風(fēng)險(xiǎn)Wcost和進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)Wsched。每項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)由風(fēng)險(xiǎn)事件的發(fā)生概率Pi和預(yù)期后果Ci所組成：Ri=PiCi。計(jì)算綜合風(fēng)險(xiǎn)需要性能風(fēng)險(xiǎn)Wperf、費(fèi)用風(fēng)險(xiǎn)Wcost與進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)Wsched等各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)的權(quán)重，各風(fēng)險(xiǎn)事件的權(quán)重用wi，wj與wk表示。

在風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)這3個(gè)階段中，每個(gè)階段都有多種方法可供選擇，也可組合不同的方法用于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別常見的方法有專家調(diào)查法、歷史記錄統(tǒng)計(jì)法、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查法、故障樹分析法、流程圖法、聚類分析法、模糊識(shí)別法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等；風(fēng)險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)常見的方法有專家咨詢法、概率樹法、決策分析法、層次分析法、類推比較法、網(wǎng)絡(luò)分析法、矩陣分析法及分解估算法等。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估采用的方法要全面而科學(xué)，既要確保專家對(duì)每一項(xiàng)指標(biāo)能夠順利地給出量化評(píng)價(jià)，又要做到簡(jiǎn)便有效。

針對(duì)開展總體方案綜合效能評(píng)估，標(biāo)志著美國(guó)海軍艦船研制由只注重方案性能指標(biāo)向注重方案總體效能、經(jīng)濟(jì)性和研制風(fēng)險(xiǎn)均衡的設(shè)計(jì)理念的轉(zhuǎn)變，確立了以系統(tǒng)工程思想為指導(dǎo)的艦船裝備論證研制與管理體系。通過引入系統(tǒng)工程、管理和金融領(lǐng)域的相關(guān)理論與方法，美國(guó)海軍建立了完善的艦船總體方案總體效能、費(fèi)用和研制風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系；增強(qiáng)了艦船總體方案決策的全面性和科學(xué)性。通過與ASSET概念方案生成軟件的配合，在用戶提供需求輸入的前提下，實(shí)現(xiàn)了概念總體方案的自動(dòng)化生成與評(píng)估。

3　基于總體綜合效能優(yōu)化的艦船概念方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用

通過開展艦船綜合模型的研究，美國(guó)海軍可根據(jù)用戶使用需求，在提供相關(guān)系統(tǒng)輸入的前提下得到滿足戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)需求的方案設(shè)計(jì)基線；然而由于用戶使用需求在艦船的研制早期或后續(xù)階段會(huì)面臨部分調(diào)整，而且現(xiàn)代艦船可選用的功能系統(tǒng)選擇范圍也在進(jìn)一步擴(kuò)展，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)于使用需求的方案設(shè)計(jì)基線不唯一，也就是說綜合模型通過迭代調(diào)整得到的設(shè)計(jì)基線只是滿足設(shè)計(jì)需求和約束條件的解空間內(nèi)的一個(gè)可行解。艦船總體綜合效能評(píng)估體系和理論的建立使得美國(guó)海軍建立起了針對(duì)效能、費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)基線評(píng)價(jià)的能力，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)方案設(shè)計(jì)基線的比較優(yōu)選手段。借助人工智能領(lǐng)域不斷發(fā)展的智能優(yōu)化搜索技術(shù)，通過融合綜合模型和艦船綜合效能評(píng)價(jià)模型，美國(guó)海軍實(shí)現(xiàn)了從用戶使用需求到總體概念優(yōu)化方案的快速響應(yīng)能力，即基于總體綜合效能優(yōu)化的艦船概念方案設(shè)計(jì)體系及手段［1］。

美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)Brown教授等［12］于2003年提出了最新的基于綜合模型的艦船概念方案設(shè)計(jì)與論證評(píng)估（美國(guó)稱之為“方案探索”）體系，其流程如圖4所示，將效能、費(fèi)用、風(fēng)險(xiǎn)量化和軟件化，并納入艦船綜合模型，使決策者全面掌握各方案的效能、費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)，從而科學(xué)、合理地進(jìn)行決策。

圖4全面描述了艦船總體方案論證評(píng)估流程。首先，任務(wù)說明書敘述用戶對(duì)艦船任務(wù)及目標(biāo)圖像的需求。然后，確定任務(wù)所需的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)能力，整理出戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)體系，繼而確定出設(shè)計(jì)變量（包括主尺度及船型系數(shù)的允許范圍、船型和各裝備型號(hào)的選項(xiàng)等）。最后，進(jìn)入核心階段——艦船綜合模型，將反映艦船性能的物理模型與響應(yīng)曲面模型（推進(jìn)模塊、阻力模塊、船體模塊、電力模塊、重量模塊、可用空間模塊及液艙模塊等）、效能模塊、費(fèi)用模塊和風(fēng)險(xiǎn)模塊集成到艦船綜合模型中，輸出滿足可行性要求的一系列初始方案。美國(guó)海軍通常聯(lián)合使用ASSET、多目標(biāo)優(yōu)化程序Darwin Optimizer與模型集成程序ModelCenter來進(jìn)行艦船方案評(píng)估論證［13-14］。該論證過程包括：

1）Darwin產(chǎn)生系列初始方案集，形成優(yōu)化種群，然后按照ModelCenter過程集成環(huán)境中提供的方法輸入給ASSET，經(jīng)過ASSET迭代形成可行的方案集（方案數(shù)量和初始方案集保持一致），并得到這些可行方案集的主要性能指標(biāo)參數(shù)；

2）Model Center的內(nèi)部組件利用ASSET計(jì)算出的性能指標(biāo)確定該方案的綜合效能、首艦采辦費(fèi)和綜合風(fēng)險(xiǎn)；

3）將這些數(shù)值傳送回Darwin優(yōu)化算子作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，Darwin優(yōu)化算子根據(jù)目標(biāo)函數(shù)并利用進(jìn)化算子對(duì)方案集變量進(jìn)行修改更新形成新的方案集，進(jìn)入下一個(gè)優(yōu)化過程，這個(gè)過程將持續(xù)產(chǎn)生可行方案，直到迭代次數(shù)達(dá)到用戶要求為止。按照上述流程在ModelCenter中建立的概念設(shè)計(jì)程序集成環(huán)境如圖5所示。

通過構(gòu)建基于艦船綜合模型、綜合效能評(píng)估模型和集成工具的艦船概念方案設(shè)計(jì)體系和平臺(tái)，借助于多目標(biāo)智能優(yōu)化算法，美國(guó)海軍可以通過設(shè)定不同的使用需求、備選系統(tǒng)配置、設(shè)計(jì)規(guī)則和方法來完成艦船概念方案的優(yōu)化生成研究，在較大的方案空間內(nèi)進(jìn)行探索，得到一系列總體綜合效能（綜合效能、費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)）均衡的備選方案集，并以Pareto前沿解（圖6）的形式展示給決策者，使決策者通過效能—風(fēng)險(xiǎn)—費(fèi)用數(shù)據(jù)點(diǎn)圖進(jìn)行方案決策。圖6中的每一個(gè)點(diǎn)代表一種總體概念方案，設(shè)計(jì)人員根據(jù)每個(gè)方案的總體綜合效能，采用決策理論進(jìn)行方案決策，優(yōu)選出設(shè)計(jì)基線進(jìn)行深入設(shè)計(jì)。目前，美國(guó)海軍所有的水面艦船在概念開發(fā)階段都采用上述概念方案設(shè)計(jì)體系進(jìn)行方案的探索研究，其海軍論證機(jī)構(gòu)10個(gè)人、3個(gè)月可以完成數(shù)百個(gè)方案的論證與對(duì)比分析，大大提高了艦船概念方案探索的效率和科學(xué)性。

圖4　艦船概念方案優(yōu)化設(shè)計(jì)流程Fig.4 The optimal design flow for naval ship conceptual design

圖5　概念設(shè)計(jì)程序集成環(huán)境Fig.5 The integrated code environment for naval ship conceptual design

圖6　總體概念方案Pareto解Fig.6 The Pareto points for conceptual design

受美國(guó)海軍的委托，Brown教授及其團(tuán)隊(duì)根據(jù)上述艦船概念方案設(shè)計(jì)流程體系開展了31項(xiàng)艦船總體概念方案探索與開發(fā)工作［15-25］，其中包括：無人艦載機(jī)航空母艦2艘、導(dǎo)彈巡洋艦4艘、導(dǎo)彈驅(qū)逐艦1艘、護(hù)衛(wèi)艦1艘、常規(guī)動(dòng)力潛艇5艘、新概念瀕海作戰(zhàn)潛艇2艘、敏捷作戰(zhàn)艦船3艘、中型水面艦船3艘、小型水面艦船2艘、海洋考察船1艘、大型油輪4艘和后勤補(bǔ)給船3艘。另外于2006年，利用最新的艦船綜合模型與評(píng)估、優(yōu)化方法，對(duì)上世紀(jì)80年代研發(fā)并服役的DDG51導(dǎo)彈驅(qū)逐艦重新進(jìn)行了方案優(yōu)化探索，得到了效能與費(fèi)用均優(yōu)于原方案的優(yōu)化解。圖7按時(shí)間順序列出了典型艦船概念設(shè)計(jì)方案的效果圖。Brown教授開展的相關(guān)工作有力地支撐和推動(dòng)了美國(guó)海軍在艦船平臺(tái)及其裝備發(fā)展方面的原始創(chuàng)新。

圖7　主要艦船概念方案效果圖Fig.7 The design sketches of main conceptual projects

4　結(jié)語(yǔ)

美國(guó)海軍海上系統(tǒng)司令部自上世紀(jì)70年代以來組織領(lǐng)導(dǎo)其國(guó)內(nèi)科研院所和高校共同開展了艦船概念設(shè)計(jì)流程與方法的研究，形成了緊貼艦艇裝備論證、設(shè)計(jì)與使用保障需求的通用型艦船概念設(shè)計(jì)體系與設(shè)計(jì)手段，提升了其在艦艇裝備發(fā)展方面的原始創(chuàng)新能力?？偟膩碚f，美國(guó)艦船概念方案設(shè)計(jì)發(fā)展歷經(jīng)了“艦船綜合模型—總體方案綜合效能評(píng)估—總體方案綜合優(yōu)化”3個(gè)階段，通過對(duì)其發(fā)展歷程的綜述，可以總結(jié)以下發(fā)展特點(diǎn)與經(jīng)驗(yàn)：

1）重視技術(shù)發(fā)展的頂層規(guī)劃和多學(xué)科融合牽引。美國(guó)海軍海上系統(tǒng)司令部在不同的時(shí)期瞄準(zhǔn)未來10～20年艦艇發(fā)展需求，制定了艦船概念設(shè)計(jì)不同階段的發(fā)展目標(biāo)，即按照“論證流程程序化—論證體系通用化—論證目標(biāo)多元化—論證手段智能化、信息化”的發(fā)展思路，不斷調(diào)整和完善技術(shù)框架體系，積極引導(dǎo)國(guó)內(nèi)高校和研究機(jī)構(gòu)結(jié)合自身優(yōu)勢(shì)開展針對(duì)性研究，對(duì)研究成果進(jìn)行集成并積極應(yīng)用。同時(shí)，在設(shè)計(jì)流程體系建設(shè)過程中，逐步引入融合了系統(tǒng)工程、管理、金融和人工智能的最新成果，不斷創(chuàng)新和充實(shí)艦船概念設(shè)計(jì)流程與方法。

2）重視艦船經(jīng)濟(jì)性、研制風(fēng)險(xiǎn)在裝備論證研制過程中的重要作用。艦船裝備研制具有周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)高的特點(diǎn)，在美國(guó)海軍裝備發(fā)展投資中占有很大的比例，因此，為了提高裝備研制效費(fèi)比并有效管控研制風(fēng)險(xiǎn)，在本世紀(jì)初，美國(guó)海軍將艦船概念方案的研制費(fèi)用、研制風(fēng)險(xiǎn)與其綜合效能一起作為方案論證決策的依據(jù)，并針對(duì)研制費(fèi)用和研制風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評(píng)估開展了系統(tǒng)研究，建立了艦船概念方案經(jīng)濟(jì)性和研制風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系與評(píng)估手段。

3）重視對(duì)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和歷史數(shù)據(jù)的整理、挖掘與應(yīng)用。艦船概念方案設(shè)計(jì)一方面面對(duì)許多不確定的因素，另一方面又要盡可能對(duì)方案開展全面和較為準(zhǔn)確的評(píng)估。針對(duì)這一矛盾，美國(guó)海軍在艦船概念設(shè)計(jì)體系建設(shè)過程中非常重視對(duì)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、已有型號(hào)數(shù)據(jù)和作戰(zhàn)使用維護(hù)數(shù)據(jù)的整理、挖掘與應(yīng)用。針對(duì)艦船概念設(shè)計(jì)需求特點(diǎn)，建立了動(dòng)態(tài)化的裝備總體數(shù)據(jù)庫(kù)，并引入統(tǒng)計(jì)學(xué)、知識(shí)工程和智能推理的相關(guān)理論與手段對(duì)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)進(jìn)行處理以便于知識(shí)的直接應(yīng)用。艦船總體知識(shí)庫(kù)的建設(shè)有力支撐了艦船概念設(shè)計(jì)體系的發(fā)展。

4）重視智能化與信息化技術(shù)的應(yīng)用。隨著艦船概念設(shè)計(jì)變量與設(shè)計(jì)約束范圍的不斷擴(kuò)展，在高維、強(qiáng)非線性的艦船概念方案解空間中確定最優(yōu)化的艦船概念方案變得越來越困難，設(shè)計(jì)效率提升也受到制約。針對(duì)該問題，美國(guó)軍方和學(xué)術(shù)界通過研究，積極引入人工智能優(yōu)化與分布式協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)，建立了集方案生成、評(píng)估和方案搜索于一體的艦船概念方案自動(dòng)化設(shè)計(jì)集成環(huán)境與設(shè)計(jì)工具，大大提高了設(shè)計(jì)決策的科學(xué)性和效率，利用目前建立的艦船概念集成設(shè)計(jì)環(huán)境與工具，美國(guó)海軍論證機(jī)構(gòu)10個(gè)人、3個(gè)月就可以完成幾百個(gè)方案的論證研究。

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［責(zé)任編輯：易基圣］

Review on the development of naval ship conceptual design methods of USA

XIONG Zhiguo，HU Yulong China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The conceptual design of naval ships is of vital significance to the overall effectiveness，development risk，and cost of ships，since the main characteristics and functions of the ship are all determ ined during this phase.By analyzing the conceptual design progress of US naval ships，three stages can be observed：the development of the ship synthesis model，the research on overall effectiveness，and the general optimization of the conceptual plan.Firstly，the basic principles and drawbacks of the ship synthesis model are analyzed.Secondly，the systematical framework and methods for evaluating the total effectiveness，which are represented by overall effectiveness，development risk，and cost，are presented.Lastly，the optimization of the scheme and its applications are proposed.In brief，certain lessons can be drawn from the progress of US naval ship conceptual exploration methods，which could in turn help us to perfect our own conceptual design systems.

ship design；conceptual design；ship synthesis model；overall measure of effectiveness；op timal design

U662.2

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.04.002

2014-10-09網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2015-7-28 17:25:04

熊治國(guó)，男，1974年生，碩士，高級(jí)工程師。研究方向：艦船總體研究與設(shè)計(jì)胡玉龍（通信作者），男，1985年生，博士，工程師。研究方向：艦船總體研究與設(shè)計(jì)。E-mail：huyulong1986@163.com