張 昊，高 迪

（煙臺(tái)派格船舶設(shè)計(jì)有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

0 引言

國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)船舶設(shè)計(jì)優(yōu)化做了大量的研究，基于此，本文將根據(jù)現(xiàn)有的調(diào)查和文獻(xiàn)，分析了現(xiàn)有船舶總體設(shè)計(jì)性能的相關(guān)特點(diǎn)，以及總體設(shè)計(jì)優(yōu)化中存在的問題、可以運(yùn)用哪些相關(guān)理論和方法來保證現(xiàn)有船舶的總體性能。最后，提出了在優(yōu)化船舶總體設(shè)計(jì)過程中必須注重理論研究和探索的一些關(guān)鍵問題，從而為我國(guó)船舶設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化的總體思路提供借鑒。

1 船舶總體性能和優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)

1.1 矛盾錯(cuò)綜復(fù)雜

由于各種船舶設(shè)計(jì)及其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了許多復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)矛盾，未來與各種船舶整體性能改進(jìn)設(shè)計(jì)相關(guān)的船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造設(shè)計(jì)技術(shù)將更加尖銳和復(fù)雜。例如，在堅(jiān)持總排水量基本控制原則確定的三個(gè)基本控制前提下，船舶重量水平的控制與滿足船速要求的能力之間的各種內(nèi)在矛盾，綜合考慮了船舶耐波性水平與船舶初始穩(wěn)性水平控制之間的內(nèi)在矛盾，船舶穩(wěn)性控制與船舶航向和操縱方向靈活機(jī)動(dòng)能力水平之間的內(nèi)在矛盾。在應(yīng)用現(xiàn)代內(nèi)河船舶總體性能參數(shù)的總體設(shè)計(jì)及其優(yōu)化配置的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究方法時(shí)，要認(rèn)真、妥善地分析和處理這些設(shè)計(jì)中的局部復(fù)雜因素之間的一系列內(nèi)在矛盾，我們不應(yīng)機(jī)械地研究和解決這種優(yōu)化問題，而應(yīng)采用有效的設(shè)計(jì)方法[1]。重點(diǎn)堅(jiān)持和遵循以下應(yīng)用原則：局部因素服從整體結(jié)構(gòu)要素；次主體的局部矛盾盡可能服從主體的內(nèi)部矛盾；船舶的總成本設(shè)計(jì)和能耗定額必須充分以船舶設(shè)計(jì)及其經(jīng)濟(jì)效益為準(zhǔn)，力求以盡可能計(jì)算成本獲得合理的效益。

1.2 問題具有多解性

對(duì)于新設(shè)計(jì)、研制成功的船舶，其各項(xiàng)總體性能方案也應(yīng)確保在設(shè)計(jì)其研發(fā)任務(wù)書時(shí)，能最大限度地有效滿足各項(xiàng)重要要求和各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)的具體要求。因此，對(duì)于追求相同總體設(shè)計(jì)目標(biāo)的方案，往往需要設(shè)計(jì)和篩選各種候選方案，這些方案可能不能完全滿足同一設(shè)計(jì)總體目標(biāo)的要求。因此，還需要反復(fù)比較、分析或評(píng)估這些多個(gè)備選方案。決策設(shè)計(jì)部門還可以根據(jù)工作任務(wù)的特點(diǎn)和項(xiàng)目的實(shí)際設(shè)計(jì)情況進(jìn)行決策，從待選方案的最終設(shè)計(jì)目標(biāo)方案中選擇最佳方案，并選出一個(gè)“最佳方案”項(xiàng)目。

2 船舶總體性能結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計(jì)方法

船舶總體性能和結(jié)構(gòu)的綜合優(yōu)化分析與試驗(yàn)設(shè)計(jì)與開發(fā)研究階段，是指綜合系統(tǒng)或復(fù)雜系統(tǒng)的工程開發(fā)和開發(fā)過程，需要經(jīng)過逐步的研究和設(shè)計(jì)，以近似優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和性能實(shí)現(xiàn)重復(fù)循環(huán)和迭代測(cè)試方案，技術(shù)研發(fā)和設(shè)計(jì)階段一般分為三個(gè)階段：綜合系統(tǒng)方案初步理論設(shè)計(jì)、初步測(cè)試方法設(shè)計(jì)和詳細(xì)實(shí)驗(yàn)研究設(shè)計(jì)。為了便于對(duì)船舶總體性能評(píng)估方案的整體系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)估，該評(píng)估方案針對(duì)具有多個(gè)總體系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)指標(biāo)的系統(tǒng)方案進(jìn)行，并得出了船舶總體系統(tǒng)評(píng)價(jià)方案設(shè)計(jì)的總體系統(tǒng)效率的最優(yōu)解，合理，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的最佳實(shí)踐是，在盡可能對(duì)整個(gè)船舶性能系統(tǒng)進(jìn)行初步和階段性設(shè)計(jì)和研究的同時(shí)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，并考慮各個(gè)系統(tǒng)的船型、推進(jìn)、布置和方案等多個(gè)綜合指標(biāo)因素，給出了各子系統(tǒng)相應(yīng)性能要素的設(shè)計(jì)，主要是指各影響系統(tǒng)變量的設(shè)計(jì)、約束或控制環(huán)境條件要素與各船舶系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的各子系統(tǒng)要素變量之間的約束關(guān)系，即認(rèn)為整個(gè)設(shè)計(jì)船的整體性能優(yōu)化評(píng)估和設(shè)計(jì)活動(dòng)應(yīng)視為類似于線性循環(huán)的連續(xù)或串行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模式的演化過程，由一個(gè)子系統(tǒng)持續(xù)進(jìn)行和深化，系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程的基本模式可用螺旋線性表示為：船舶的主尺度、排水量、浮性和穩(wěn)性、快速性、操控性、兼容性。下文對(duì)船舶總體性能結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了介紹。

2.1 逐步改進(jìn)方法

在現(xiàn)代船舶總體性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)的工作流程中，逐步研究和完善試驗(yàn)的基本方法是非常普遍的。同時(shí)，有必要將測(cè)試分析結(jié)果的估計(jì)方法作為重要的方法依據(jù)。其中，要注意在開發(fā)技術(shù)任務(wù)書中對(duì)各項(xiàng)任務(wù)內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)論證和分析，注意在所有備選項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)和方案優(yōu)化中合理選擇最佳技術(shù)方案，并對(duì)方案的可實(shí)施位移、不同受力部位的性能特點(diǎn)、主要幾何應(yīng)力比例系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行了科學(xué)估算。已多次進(jìn)行重復(fù)的系統(tǒng)驗(yàn)證研究，以確保試驗(yàn)?zāi)軌蛉缙讷@得理想和準(zhǔn)確的技術(shù)結(jié)果[2]。如果數(shù)據(jù)內(nèi)容相對(duì)豐富，這些逐步改進(jìn)的研究方法可以推廣和利用，以較少的工作量獲得優(yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化結(jié)果。然而，就具體應(yīng)用技術(shù)而言，這也是最困難的。主要問題是無法充分確認(rèn)設(shè)計(jì)和方案應(yīng)用的可行性。

2.2 變值方法

變值計(jì)算法又稱數(shù)值網(wǎng)格法和參數(shù)分析法。在我國(guó)船舶總體性能分析、設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中，往往采用兩種主要的計(jì)算方法來確定最優(yōu)系統(tǒng)方案的性能。根據(jù)對(duì)我國(guó)船舶總體設(shè)計(jì)優(yōu)化有重大影響的各種主要尺度參數(shù)組的系統(tǒng)設(shè)計(jì)變更方案理論，可在每個(gè)可能方案的范圍內(nèi)分別選擇相應(yīng)數(shù)量的性能數(shù)值組，并可編制一系列完整的系統(tǒng)方案，對(duì)上述各組方案的性能數(shù)值組合進(jìn)行各種必要功能的組合計(jì)算。當(dāng)通過計(jì)算得出相應(yīng)的設(shè)計(jì)結(jié)果時(shí)，可以首先完全放棄不適用的方案，在剩余的備選方案中，船舶主體結(jié)構(gòu)的尺度參數(shù)和影響船舶整體性能特性的相關(guān)基本數(shù)學(xué)規(guī)律可以進(jìn)行綜合分析和重新考慮。經(jīng)過必要的分析或比較計(jì)算，可以初步確定最佳方案，并直接作為最終設(shè)計(jì)結(jié)果的最終結(jié)果[3]。

2.3 最優(yōu)化方法

重要的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要依靠數(shù)學(xué)方法和理論應(yīng)用，多目標(biāo)變量的求解和約束目標(biāo)函數(shù)最小值的求解，最終得到最簡(jiǎn)潔的，理想可行的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。在有限的優(yōu)化環(huán)境下，用一種比較容易找到最優(yōu)解和變步長(zhǎng)的優(yōu)化方法，可以有效地避免在有限的優(yōu)化環(huán)境下求解變步長(zhǎng)和變步長(zhǎng)的優(yōu)化問題。在這種復(fù)雜的環(huán)境下，它可以自動(dòng)獲得更快更接近實(shí)際需求變化的最優(yōu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，優(yōu)化并解決耗時(shí)較長(zhǎng)的瓶頸問題。一般來說，船舶總體性能設(shè)計(jì)優(yōu)化模型的設(shè)計(jì)方法屬于工程優(yōu)化數(shù)學(xué)問題的范疇。設(shè)計(jì)人員需要提前設(shè)計(jì)并使用優(yōu)化數(shù)學(xué)公式進(jìn)行數(shù)學(xué)表達(dá)，即設(shè)計(jì)并建立一個(gè)船舶整體性能數(shù)學(xué)模型，逐一準(zhǔn)確描述其設(shè)計(jì)中的變量、目標(biāo)函數(shù)值、設(shè)計(jì)約束和條件，最后，對(duì)各目標(biāo)函數(shù)的最小值進(jìn)行逐項(xiàng)分析求解，最終得到最成熟、最理想、最實(shí)用的船舶總體性能模型設(shè)計(jì)方案。

2.4 智能優(yōu)化算法

這種系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要是通過模擬自然界中特定的自然現(xiàn)象或社會(huì)過程而設(shè)計(jì)和構(gòu)建的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。在應(yīng)用和推廣全局智能優(yōu)化算法的實(shí)際過程中，可以有效地避免傳統(tǒng)的分步優(yōu)化求解難以直接找到全局算法最優(yōu)解的瓶頸問題[4]。就我國(guó)大型內(nèi)河船舶總體性能目標(biāo)耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)求解方法而言，其內(nèi)容主要屬于多船系統(tǒng)的耦合優(yōu)化總體性能。因此，耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的優(yōu)化計(jì)算過程將相對(duì)更加復(fù)雜，目標(biāo)之間將存在許多復(fù)雜程度不同的總體性能耦合或優(yōu)化關(guān)系。如果子系統(tǒng)只有一個(gè)目標(biāo)性能，且同時(shí)沒有顯著變化，則很容易導(dǎo)致系統(tǒng)（包括所有其他子系統(tǒng)）的總體目標(biāo)性能顯著下降。在中國(guó)船舶目前的特殊情況下，為了確保最終的選擇能夠最終得到最接近的相似方案的最優(yōu)解，我們應(yīng)該關(guān)注如何最終確定和選擇中國(guó)船舶現(xiàn)有的主航標(biāo)方案，同時(shí)，我們應(yīng)該進(jìn)一步考慮其他一些次目標(biāo)因素，在方案與方案的主要次導(dǎo)航目標(biāo)之間的關(guān)系趨于良好的理想條件下，確保每個(gè)次總體目標(biāo)與中國(guó)船舶沒有實(shí)際性能需求目標(biāo)的基本結(jié)論一致。現(xiàn)階段，船舶總體性能設(shè)計(jì)和智能優(yōu)化船體設(shè)計(jì)研究體系及其算法集成概率在現(xiàn)有船舶智能設(shè)計(jì)優(yōu)化算法平臺(tái)上的綜合應(yīng)用和集成設(shè)計(jì)不斷完善，集中優(yōu)化的成果主要體現(xiàn)在遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能優(yōu)化設(shè)計(jì)算法的集成及其應(yīng)用上。

3 船舶總體性能和優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作要點(diǎn)闡釋

3.1 確定設(shè)計(jì)變量

參數(shù)變量應(yīng)用于提高大型內(nèi)河船舶整體性能和優(yōu)化設(shè)計(jì)中，要求我國(guó)船舶專業(yè)設(shè)計(jì)的專業(yè)技術(shù)人員，首先要保證能夠在充分明確優(yōu)化設(shè)計(jì)總體目標(biāo)和原則的前提下，選擇和研究一些真正達(dá)到最佳、合理、高效的指標(biāo)，直接或有效地反映了中國(guó)內(nèi)河船舶的特征參數(shù)，以及在最合理的范圍內(nèi)能夠獨(dú)立運(yùn)行的一些設(shè)計(jì)參數(shù)變量，設(shè)計(jì)能力評(píng)估和與設(shè)計(jì)參數(shù)相對(duì)應(yīng)的船舶優(yōu)化目標(biāo)要求之間的直接或有機(jī)關(guān)聯(lián)選擇數(shù)量并確定為幾個(gè)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)參數(shù)變量值，同時(shí)，經(jīng)過綜合計(jì)算比較處理和綜合分析計(jì)算驗(yàn)證處理，通過分析計(jì)算方法，對(duì)多個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)變量的值進(jìn)行了相應(yīng)、適當(dāng)?shù)膬?yōu)化處理和參數(shù)調(diào)整，通過變量與之前確定的幾個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系，以及設(shè)計(jì)參數(shù)力工況值，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶整體性能的分析、綜合優(yōu)化處理和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.2 構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)

在完成設(shè)計(jì)目標(biāo)變量函數(shù)的優(yōu)選和判斷后，設(shè)計(jì)實(shí)施者仍應(yīng)根據(jù)具體設(shè)計(jì)的目標(biāo)結(jié)構(gòu)仔細(xì)構(gòu)造最優(yōu)設(shè)計(jì)。建立了確定相應(yīng)優(yōu)化的設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)，從而可以更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)、選擇和判斷具體設(shè)計(jì)實(shí)施后提出的相應(yīng)優(yōu)化選擇方案。在構(gòu)建日標(biāo)準(zhǔn)功能體系時(shí)，還應(yīng)注意如何從以下幾個(gè)方面綜合考慮，使日常目標(biāo)函數(shù)體系能夠全面地評(píng)價(jià)技術(shù)經(jīng)濟(jì)，可行性，以及是否在許多綜合維度（如實(shí)用性）中對(duì)其進(jìn)行了更準(zhǔn)確的評(píng)估我們?nèi)匀恢饕源安倏v性指標(biāo)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)為例。在這個(gè)階段的設(shè)計(jì)中，作業(yè)指導(dǎo)人員將使用（×、L 和look（ω）分別表示與船舶操縱性能指標(biāo)相對(duì)應(yīng)的三個(gè)子性能指標(biāo)，并采用線性加權(quán)求和設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)到單目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)全船操縱性能的整體優(yōu)化性能控制只需要優(yōu)化某個(gè)目標(biāo)函數(shù)。最后得到目標(biāo)函數(shù)：H（f（W）a（×+a（2+ag（×），其中是隸屬度，a（k1，2.3.）它指的是目標(biāo)重量數(shù)。目標(biāo)函數(shù)的值越大，越有可能表示船舶具有更好的船舶操縱和控制性能。因此，在該目標(biāo)函數(shù)下，設(shè)計(jì)人員只需從眾多優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中選擇函數(shù)值范圍最大的優(yōu)化方案。

3.3 表達(dá)約束條件

在設(shè)計(jì)和研究過程中，船舶總體性能指標(biāo)優(yōu)化中常用的各種設(shè)計(jì)和研究參數(shù)變量之間的相對(duì)獨(dú)立性通常不強(qiáng)，但其自由度之間的獨(dú)立性較小。小，通常還需要考慮一些其他條件下的特定條件下的動(dòng)作，如其他船舶的各種特殊技術(shù)特性的約束。例如，我們剛才說，在船體長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度比和船體寬度的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度比方面，我們需要考慮盡可能多地控制7 和11 之間的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度寬度比，或者說我們需要盡可能多地考慮CNC 04到05G 之間的設(shè)計(jì)力系統(tǒng)。設(shè)計(jì)從兩個(gè)方面避免設(shè)計(jì)變量超過設(shè)計(jì)長(zhǎng)度比，從而嚴(yán)重影響設(shè)計(jì)優(yōu)化和設(shè)計(jì)的整體性能。此外，在一些關(guān)鍵技術(shù)方面，大多數(shù)在最優(yōu)設(shè)計(jì)性能狀態(tài)模式下設(shè)計(jì)開發(fā)的船舶總體性能方案也需要同時(shí)滿足船舶各種具體技術(shù)指標(biāo)的船舶最優(yōu)設(shè)計(jì)工況要求，如最高設(shè)計(jì)速度要求、初始穩(wěn)定性要求等，如果優(yōu)化設(shè)計(jì)的整體性能方案能夠充分、有效、合理地同時(shí)滿足上述所有技術(shù)設(shè)計(jì)條件約束和設(shè)計(jì)條件，這意味著其方案設(shè)計(jì)具有一定的優(yōu)化性和高度的工程可行性。相反，這只能意味著其優(yōu)化設(shè)計(jì)方案難以實(shí)施只有這樣，我們才能真正了解項(xiàng)目的真實(shí)情況。

3.4 建模仿真優(yōu)化

為了最終能夠在實(shí)踐中進(jìn)一步分析驗(yàn)證船舶總體性能與優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化方案結(jié)合的整體真實(shí)性，可行性以及實(shí)現(xiàn)最終預(yù)期的船舶優(yōu)化方案效果，還得需要人們通過學(xué)習(xí)充分利用一些當(dāng)前較先進(jìn)實(shí)用的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，模擬傷真技術(shù)軟件等，通過計(jì)算根據(jù)船舶之前已選擇確定的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案參數(shù)、目標(biāo)函數(shù)值等信息建立歸起相原模型的整體優(yōu)化方案設(shè)計(jì)優(yōu)化模型。隨后可在整個(gè)系統(tǒng)界面當(dāng)中自動(dòng)依次的將各種數(shù)據(jù)信息自動(dòng)鍵入其中，利用本系統(tǒng)提供的自動(dòng)模擬與仿真檢測(cè)功能就可以快速對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案數(shù)據(jù)進(jìn)行最全面與立體全方位的自動(dòng)模擬或仿真結(jié)果檢驗(yàn)，并將直觀且清晰準(zhǔn)確地展示出設(shè)計(jì)方案中最終方案的設(shè)計(jì)優(yōu)化整體效果，以及每個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量數(shù)據(jù)之間的相互耦合關(guān)度等等，為優(yōu)化設(shè)計(jì)分析人員對(duì)方案性能的結(jié)果進(jìn)一步作出評(píng)估推理和價(jià)值判斷時(shí)提供的相應(yīng)幫助[5]。

4 結(jié)語

在現(xiàn)代造船業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展之下，船舶總體性能面臨著優(yōu)化設(shè)計(jì)的。現(xiàn)實(shí)問題。而其中涉及大量的錯(cuò)綜復(fù)雜的矛盾問題和解決方案的多樣性也在很大程度上增加了優(yōu)化設(shè)計(jì)難度。近些年來國(guó)內(nèi)外的人量研究學(xué)者先后投入了船舶總體性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究當(dāng)中，并取得了一定的研究成果。在此基礎(chǔ)上，未來來設(shè)計(jì)人員還將通過使用更多的智能技術(shù)和先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，以有效提升船舶總體性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的成效。