艦船頂層設計指標最優分配問題計算方法

王明豐

(中國艦船研究院，北京 100192)

艦船頂層設計指標最優分配問題計算方法

王明豐

(中國艦船研究院，北京 100192)

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

艦船;設計指標;最優分配;計算方法

0 引言

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

1 艦船頂層設計指標最優分配研究的意義

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

現代水面作戰艦船發展和更新速度快，通常有大量新研或改進的艦載武器裝備上艦，系統設備研制周期較短，技術狀態要求較高。如何根據我國艦船工業實際能力，提出滿足用戶作戰使用需求的頂層、總體以及各系統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方式分配到各系統和設備，建立起從艦船頂層到系統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，常常會導致產品在試制、試驗過程中出現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的設計指標分配給子系統或設備，以使艦船總體或系統的設計達到全局協調的總體優化，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分配方法分析

現代艦船頂層設計指標最優分配問題是一個大型復雜工程系統優化設計問題，各艦船設備之間通常只存在弱耦合關系，通常考慮的電力、可靠性等指標常常按照艦船的結構和系統功能劃分進行分配，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。對于大型現代艦船，根據實際工程經驗，采用“總體——一級系統——二級系統——三級系統——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學描述，這里將上級系統或總體稱為主系統，主系統分解后各分布并行系統或設備稱為子系統。某一層次設計指標的分配過程可以看作主系統向子系統傳遞設計變量和狀態變量目標值，設計指標分配過程中總體與一級系統、上級系統與分系統或設備之間的反復協調相當于求解子系統間一致性約束以協調分配量的過程。

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

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

3 基于協同優化算法的艦船頂層設計指標最優分配通用算法框架

基于協同優化算法思想，可以按設計指標分配關系將艦船頂層設計指標最優分配問題轉化為層層迭代的2級優化問題。在每1個層次的2級優化結構相當于1個主系統優化問題和若干個子系統優化問題:子系統優化以最小化子系統對應量與指標分配量的差距為目標，對子系統設計變量進行最優設計，按系統組成劃分細化分配指標;子系統優化結束后將最優解信息返回主系統優化，構成一致性約束;主系統優化以主系統性能最優為目標，在一致性約束條件下尋找各子系統協調的設計指標最優分配方式;優化后對各子系統重新分配設計指標;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都基本滿意的設計指標最優分配方案。

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

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優化模型為:MinF(Z)，

式(2)中，原優化問題的全局設計向量ZS和耦合狀態向量ZC共同構成系統級優化設計向量，Ji(Z)=0為協調第i個子系統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優化模型為:

按照式(1)～式(3)所述數學模型，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優化和子系統優化并進行層層迭代計算，可求解得到各個分系統和設備的設計指標最優分配方案。

4 結語

基于協同優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學模型可適用于求解艦船頂層設計指標的最優分配問題。關于各類優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。