總體者,集大成也

1 “總體”是什么？

舟船的歷史幾乎同人類的歷史一樣久遠，蒸汽機的發明譜寫了現代艦船的篇章，相應地艦船設計也成為經典成熟的技術門類。

艦船行業習慣將艦船劃分為“船、機、電”三大專業。為了強化總體在艦船設計中的地位，將船型、航行性能和總布置獨立于“船”之外稱為“總體”，就有了“總、船、機、電”的劃分，它是特殊歷史條件下的特殊產物，而我們沿用這樣的分類已有約半個世紀的歷史。在這種分類中，艦船“總體設計”包括幾何特性、重量和容積量度、艦船與水相互作用性能(浮性、穩性、不沉性、快速性、耐波性、操縱性等)[1]。

這樣稱謂“總體”，當然有以偏概全之嫌。為了適應艦船科技的發展，就有了“大總體”和“小總體”之說[2]。但是，對艦船總體的理解仍停留在以機械化為特征、以平臺為中心的時代。

“總體”到底是什么？

《高級漢語詞典》釋義：“總”的本義是聚束、系扎；總體是由若干個體組成的事物，或稱整體。《辭海》(1979年版)將總體定義為“事物的全部”。由此可知，艦船總體應是由艦船的全部個體組成的整體，通俗地說，裝在艦船上隨船一起走的一切東西構成艦船總體。

著名學者錢學森說：“我們把極其復雜的研制對象稱為系統，即由相互作用和相互依賴的若干組成部分結合而成的具有特定功能的有機整體，而且，這個系統本身又是它所從屬的一個更大系統的組成部分。”總體與個體是相對的，某個能作為總體的事物在一個更大的體系中就是個體。單艘艦船在交通體系中，在海軍作戰力量體系中就是個體。我們熟悉的移動通信手機，個頭雖小，但包含了外殼、鍵盤、顯示屏、射頻系統、處理器、存儲器、軟件等個體，也是一個個體豐富的總體，但是單個手機發揮不了通信功能，它是移動通信體系中的個體；雷達總體包含了天饋、伺服、發射、接收、信號處理、終端等個體，它是作戰系統中的個體；而載人飛船工程總體包含航天員系統、飛船應用系統、載人飛船系統、運載火箭系統、測控通信系統、著陸場系統[3]等規模龐大的個體。航空母艦的總體應是母艦上搭載的包括飛機在內的所有個體的集合。

從這個意義上講，總體就是集成，總體設計就是集成設計。任何一個工程“總體”都必須明確界定其涵蓋范圍，總體設計涉及的范圍應與工程任務范圍相對應。

至于占大部分設計工作量的船型、航行性能、總布置、船體等設計工作，只是艦船總體之中的特殊個體設計，是艦船設計的一部分,而不是艦船總體設計的全部。

2 “總體”干什么？

作為艦船總體設計工作者，我們極不情愿將艦船總體設計局限于安裝設計，但在實踐中，我們的工作卻往往帶有濃重的安裝設計的烙印。總體設計就是船體設計加上負載安裝設計的觀念仍然盛行：總體的任務就是設計一個好的船型，匹配一套好的動力系統，按用戶要求配設備，“總體”盡力而為，能裝多少就裝多少，并盡量滿足負載的環境和供給需求。比較有代表性的論述是：艦船的研制在限定條件下，應盡量為提高艦船作戰能力和生存能力創造條件，并權衡可用性、可靠性、維修性、保障性、安全性、隱蔽性、兼容性、居住性和經濟性之間的關系[4]。

總體設計不只是安裝設計，總體到底干什么？

總結傳統的設計理論和設計實踐，結合現代系統工程理論和方法，艦船總體設計應包括能力集成、相互作用集成和空間集成，這些方面的集成內容也是相互關聯的。

2.1 能力集成

艦船能力集成包括功能和性能兩個方面，反應目標系統(艦船)完成使命任務的能力度量。一般從定性分析和定量分析兩方面進行能力集成分析。

能力集成是艦船總體設計最核心的工作內容。總體能力不是個體能力的簡單相加或疊合，若干個體集成后的綜合能力是否最優，是總體設計者首要關心的問題，個體能力能否在總體集成后得到最充分的發揮，也是體現總體設計水平的重要標志。我們都知道，艦船總體集成后的個體性能是不可能全部等同于其在自由空間的性能。聲納的性能受艦船輻射噪聲的影響；電子對抗系統性能受艦船雷達波散射面積(RCS)影響；船、機、槳匹配不好也不能充分發揮每個個體的能力。同樣的例子不勝枚舉。

能力集成是在規定的限制條件下追求規定的目標。基于不同的總體觀，會有不同的表述：

1) 在配置了數量眾多性能先進的電子武器裝備之后，能達到航速、穩性等總體要求；

2) 在滿足航速、穩性的前提下，配置的電子武器裝備達到了最佳的總體使用效能；

3) 以有限的可選裝備集成綜合性能兼優的艦船。

第二條表述較第一條更直接地反映艦船的軍事用途，第三條表述更能被大多數人接受。在經濟和科技都處在發展中的特殊歷史階段，可供總體設計選用的動力裝置、機電設備、電子武器裝備確實非常有限，艦船總體設計常面臨巧婦難為無米之炊的窘境。所以，以有限的可選裝備集成綜合性能兼優的艦船，就成為總設計師的追求。

但是，什么是艦船的綜合性能呢？我們已經有了部分能反映集成后能力的指標，如航行性能就是船體與推進系統能力的綜合，但是，我們還未建立能反映艦船完成其使命任務能力的頂層指標體系。我們要幫用戶回答：“我買這艘船干什么?”或者我們向用戶推薦產品時告訴他“這艘船能干什么”。雖然航速指標很重要，但是，艦船絕不是用來比賽速度的。艦船不同于貨船或客船，不能僅僅以航行性能和裝載能力來表征總體能力，而應將其搭載的軍事用途的特種裝置和艦員一起，將整體所表現出的能力作為總體能力。

因此，如何建立反應艦船總體能力的指標體系，成為總體集成設計的關鍵。

為滿足海軍履行新世紀新階段使命任務所面臨的轉型要求，艦船的總體能力應從如下幾個方面描述：

1) 單艘艦船在海軍作戰力量體系中的地位和作用；

2) 兵力投送范圍、速度和強度；

3) 對抗各種威脅的空間范圍和強度。

艦船的總體性能應是艦船能力的最頂層描述，它決不是各個分系統性能的簡單疊加，不能將艦船平臺及其搭載的任務系統完全隔離開來討論艦船總體頂層性能。例如：對導彈或魚雷的防御能力，反導或防魚雷的軟硬武器只是主動防御，艦船的抗打擊能力是被動防御，主動防御和被動防御共同構成艦船總體的防御能力，艦船總體設計者就要綜合權衡主動防御與被動防御的效果及其代價,以取得最佳效費比。再者，防御武器的對抗效能與艦船平臺的特性密切相關，船越大目標特性越明顯，越難防；但是，船越大，可供裝載主動防御武器的空間就越多，裝甲越堅固。因此，作為總體設計的一項重要內容，就是描述各個裝備集成到艦船后所形成的綜合能力。

2.2 相互作用集成

在集成環境中，每個個體都不是孤立的，都是相互關聯的。它們之間存在大量的相互作用關系，有直接的機械力作用，能量轉換與傳遞作用、場作用、信息傳遞作用，這些相互作用的集成設計是能力集成的物質基礎。如果將艦員也作為基本集成單元——特殊的個體，那么，還應包括人與設備及其工作和生活環境的相互作用，相互作用集成的內涵就更豐富、更準確。概括起來，相互作用包括力、能、場、信、人等方面。

實際上，艦船與外界的相互作用構成了艦船總體性能。航速就是船與水的相互作用結果，對抗能力反映了艦船與典型威脅目標的相互作用的結果。當然，艦船與自然環境的相互作用有更多的不確定性，與威脅目標的相互作用具有明顯的博弈性質，而艦船內部的相互作用的可控性，完全掌握在艦船總體設計者手中。

2.3 空間集成

艦船是水上活動建筑物，在有限空間范圍內完成能力的集成和相互作用集成，基礎的工作就是空間集成，也就是傳統的安裝設計。空間集成應服從于能力集成和相互作用集成。

空間集成的關鍵是船型和總布置。船型設計除了考慮水動力特性、隱蔽性、堅固性以外，還必須為空間集成奠定容積基礎。空間集成的對象實體是硬件。

空間集成受艦船總容積和重量重心制約，空間集成的目標應有利于個體之間高效、穩定、可靠地進行有益的相互作用，最大限度地減少有害的相互作用，最終體現在總體能力最優。

3 “總體”怎么干？

總體由若干個體集成而得，某個總體又是更上一層總體的個體，某個個體還可劃分成更小的個體。總體設計應將個體視為整體，重點關注個體與個體之間的關系，至于個體中各子個體之間的關系，則由該個體的設計者重點負責。艦船總體設計應該在能力集成、相互作用集成、空間集成等方面描述組成艦船的各個個體之間的關系、個體與總體之間的關系以及艦船總體與環境的關系(水、電磁場、聲場、敵我目標等等)。

那么，艦船總體到底由哪些基本的個體組成？或者說，艦船總體集成的基本個體單元“粒度”(所含事物數量、規模)多大合適？以什么為準則將艦船劃分成若干個“粒度”合適的個體？這是我們在工程設計中必須解決的問題，這也是如何發揮總體設計龍頭牽引作用的關鍵所在。

如何將艦船總體劃分成若干個體，最重要的準則是有利于分析研究解決問題，有利于總體設計。

3.1 “粒度”適度

集成設計所涉及的個體“粒度”越小，其工作量越大，反之亦然。個體“粒度”越小，越有利于優化資源配置效益，總體設計發揮的作用越顯著。我們的目標是找到一個平衡點，在充分發揮總體設計作用，達到最優集成效果的前提下，“粒度”適中。信息化能力的提高，使扁平化管理成為可能，同樣，隨著設計手段的信息化水平提高，使小“粒度”總體設計成為可能。

3.2 “內聚”性強

一切事物都是互相聯系的,但事物之間聯系的緊密程度是有差異的,我們把少依賴其它事物的性質稱為“內聚”。內聚性強弱確實是我們分析事物的基本依據。例如：為了科學研究的方便，高級生物體被劃分成運動系統、神經系統、呼吸系統、消化系統、循環系統、內分泌系統、泌尿系統、生殖系統等系統，這是使各個系統之間關聯度最小、系統功能內聚性最好的劃分結果。與此相仿，構成艦船的基本要素包括船體、推進系統(帆、櫓、槳……)、操控機械(舵、錨、系纜……)、任務系統(觀察、通信、指控、武器……)、能源系統(供、配電)、生活保障系統等。按相互關聯緊密程度，可以將船體、推進系統、機械和能源系統劃并為“平臺系統”，相應地艦船可大致分為“平臺系統”和“任務系統”兩大部分，這是我們熟知的按功能劃分系統的辦法，簡單易行。

在能力集成時，我們強調總體的綜合性，即描述艦船綜合性能，而不能將艦船總體性能簡單地分為平臺性能和任務系統性能。但是，以“高內聚”、“低耦合”原則，將艦船總體劃分成若干相對獨立的“個體”有利于簡化分析問題。這也是科學研究常用的綜合與分析相結合的方法。

但是，隨著科技進步，一方面專業越來越細，另一方面，各專業的融合產生新的集成系統，各個層面的一體化趨勢越來越明顯。當前，我們已經面臨著電力推進帶來的動力系統與電力系統之間重新劃界問題；集成射頻技術帶來的雷達、對抗、通信等系統之間的界面問題；多功能垂直發射裝置帶來的各種導彈、魚雷傳統界面劃分問題。傳統的功能系統正面臨著挑戰，艦船總體“進化”的需求越來越強烈。

3.3 二維架構

既然傳統的功能系統劃分面臨挑戰，總體集成能否另辟蹊徑呢？借鑒信息系統、管理系統矩陣式的思想，艦船總體設計也可突破傳統的一維系統劃分模式，分別以相互作用形式和功能系統為正交軸的二維矩陣式方式劃分系統，以適應不斷變化、發展的技術潮流。

艦船總體設計所涉及的基礎學科范圍涉及力(水動力學、結構力學)、能(動力及能源裝置、制冷、熱輻射控制)、場(無線電設備、電磁輻射特性控制、聲吶、聲場特性控制)及信(信號、信息、知識智能)等，這些基礎學科類別與艦船總體集成所涉及的個體間相互作用類別相對應。以相互作用形式為基礎，可以建立水動力系統、結構系統、機電系統、信息系統、電磁場系統、聲學系統等，其它所有派生出來的技術門類都可以作為它們的子系統。這樣，我們完成了橫向系統構建。

傳統的功能系統作為與相互作用形式正交的垂直系統，每個功能系統都是由若干個橫向系統個體組成。例如：船體系統包括了水動力、結構、電磁場、聲學等系統；動力系統包括了水動力、結構、機電、信息、電磁場、聲學等系統；艦炮系統包括了結構、機電、信息、電磁場、聲學等系統，以此類推，可以分析其它所有功能系統。

這樣的系統劃分模式兼顧了功能內聚性和專業的內聚性，具有良好的可擴充性和重組特性，適應專業細分的“擴容”和一體化的功能“融合”，而且非常有利于研發、設計資源的優化配置。

4 以能力為本

艦船總體設計應以提升艦船能力為根本出發點。艦船是典型的多任務系統，在強調體系對抗的時代，我們不再追求單個平臺面面俱到，而是突出主要能力，突出協同攻防，兼顧自身防御。

艦船總體設計應以提升艦船能力為根本出發點，提升艦船能力不是簡單地增加設備。在不可能無休止地增加設備的情況下，如何取舍，體現總體設計者對主要任務能力的把握。可以舍棄對總體主要任務能力指標不敏感的部分設備，重點確保對總體主要任務能力貢獻巨大的系統設備。因此，建立評價總體能力的頂層指標體系至關重要。

艦船總體設計應以提升艦船能力為根本出發點。單靠增加設備提升能力是會出現拐點的。為了騰出更多的空間，減輕重量，減少有害相互作用，必須想方設法剔除掉“冗余”的、無貢獻的“個體”。只有做好“減法”，才有可能做“加法”。減少設備的種類、數量、體積、重量，對艦船總體能力的提升帶來的益處不言而喻。總體層面一體化是“做減法”的唯一有效手段，小“粒度”的總體設計就是一體化的高端體現。

“一體化”的本質是在更高的層面實現資源整合。“總體”與“個體”的一體化是矛盾的對立統一體。一體化的前提是將既有的個體分解成“粒度”更小的個體，進而將功能相同或相似的小“粒度”個體在總體層面進行資源整合。一體化是針對特殊用途的特定封裝，絕不是封閉，絕不意味著總體對“一體化的分系統”必須照單全收。開放的小“粒度”設計可支持各層次的一體化封裝。

由于大型相控陣天線、多功能垂直發射裝置等大構件上艦，艦船結構加強帶來的增重等惡性循環越來越制約艦船總體能力的提高。如果艦船結構一體化設計，將大構件拆分成小安裝單元，結構減重帶來的積極效應非同小可。初步估算，相控陣雷達與艦上層建筑結構一體化設計，可減重20%～30%，這樣可極大緩解由于重量重心對于陣面陣元數量的限制，因而可提升艦船的探測距離及精度。當然這樣會使總體設計變得復雜，工作量加大，還要解決制造工藝難題。為了總體能力的提升，難道不值得我們為此努力嗎？

當靠增加設備提升艦船能力出現瓶頸時，就應該像設計戰斗機一樣設計艦船，將獨立安裝單元從機柜變成抽屜甚至插件，斤斤計較每個部件，精細設計每個單元。

制冷和電源技術是專業性較強的行當，全船統一設計、配置會極大提高制冷和電源的性能及穩定性，減少配套設備種類和數量。所謂“術業有專攻”，為了提升艦船總體能力，值得為此努力。

由于天饋線、發射接收等公共資源可以共用，雷達、電子對抗、通信等無線電設備具有一體化的基礎。由于不可能無節制地增加艦船上的無線電設備，當能力提升出現瓶頸時，射頻一體化就會從愿望變成現實。

凡是有協同功能需求的設備之間必然有信息的交互。由于信息技術的專業性和通用性，全船信息系統一體化設計是最容易在技術上實現的，需要克服的困難只是利益分配問題。信息系統一體化設計最大的益處在于“減員增效”，裁減“冗員”對提升艦船總體能力的貢獻不言而喻。

艦船總體層面的一體化集成還有許多大有可為的領域，如：電力推進與綜合能源系統、綜合的集體防護系統等等，限于篇幅，不一一列舉。

船小能力強是艦船總體設計者的追求。斤斤計較地進行小“粒度”精細設計，進而在總體層面進行一體化集成是提升艦船能力的有效途徑和歷史必然。

[1] 邵開文，馬運義.艦船技術與設計概論[M].北京：國防工業出版社，2005.

[2] 尤子平.艦船總體系統工程[M].北京：國防工業出版社，1998.

[3] 袁家軍.神州飛船系統工程管理[M].北京：機械工業出版社，2006.

[4] GJB4000-2000艦船通用規范.