水面艦船集成優化設計探討

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

武器系統的研制通常是一項系統工程。水面艦船作為武器系統的代表，在有限的空間內集成了具有各種功能、性能而又相互影響的設施、系統和分系統，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，其綜合作戰能力的發揮是上述各階段共同作用的結果，其中，方案論證及設計階段對艦船綜合作戰能力的影響最為顯著。

根據水面艦船所承擔的使命任務，其綜合作戰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，必須通過持續更新艦船設計理念、優化艦船設計方法和提高艦船設計手段來予以解決。集成優化設計正是在此背景下提出的解決艦船需求與現實之間矛盾的方案。

在歐、美發達國家的水面艦船設計中，普遍應用了集成優化設計思想，主要體現在：

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

2）注重提高系統、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）同時采取優化作業流程、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）在不影響艦船作戰效能的前提下提高艦船性能，減少人員編制，節約艦船全壽期費用。

近年來，隨著我國技術的進步和發展，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，為艦船集成優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，依據科學的觀點和方法，運用現代科技手段分析、處理復雜系統的各種問題和矛盾，不斷優化艦船總體及艦載系統、設施的設計，是艦船綜合作戰能力提升的需要，也是技術進步推動的必然。

1 集成優化設計的概念與原則

系統學定律指出：“在保證實現環境所允許的系統功能的前提下，使整個系統對時間、空間、物質、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，無論是系統和分系統的設計或艦船總體設計，其集成優化設計的目標應向著“五最高”趨近。

1.1 艦船集成優化設計的概念

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，產生聯系，從而構成一個有機整體的過程?！庇纱?，集成設計是一種思想和觀念，它的本質是最優化的綜合統籌設計，所要達到的目標是系統整體性能最優。集成設計不僅包含技術成分，而且還包含管理成分。

優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，如對設計參數進行分析和權衡，使艦船總體或系統方案滿足或優于研制要求等，在此不再贅述。

對艦船而言，集成優化設計就是以提高艦船綜合作戰效能為目標，在保證艦船功能要求的前提下，通過運用系統工程思想及現代技術創新，將艦船分散的設施、功能和信息等集成到相互關聯的、統一和協調的系統之中，并采用適當的方法、工具及準則對艦船系統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 艦船集成優化設計的原則

艦船集成優化設計的對象是艦船總體綜合性能，表征為優化裝艦系統規模、合理規劃總體布置、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。在水面艦船集成優化設計過程中應遵循的基本原則包括：

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

2）艦船總體應加強頂層設計，合理規劃和分解系統功能；艦船系統應優化系統結構，保證系統結構高度有序。

3）集成優化設計應確保提高系統整體性能，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）應做好集成優化設計過程的協調、控制及監督和管理工作。

2 集成優化設計面臨的問題

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

2.1 艦船總體頂層設計力度不夠

根據艦船型號研制頂層設計的內涵［6］，目前，艦船總體沒有體現出艦船“大系統”的概念及龍頭作用，主要表現在：

1）缺乏全面的艦船資源統計、分析、規劃及統籌；

2）缺乏對艦船系統功能定位、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、設備研制的牽引及監督機制。

上述頂層設計力度不足使艦船作戰能力需求與艦船資源之間的矛盾更加突出。

2.2 艦船系統設計理念落后

目前，艦船系統設計先進性的理念更新不夠，主要表現在：

1）系統內部及系統之間的功能統籌與集成力度低；

2）新材料、新工藝在艦船系統設計中的應用水平低；

3）系統的自動化、智能化、標準化及信息化程度低。

艦船系統設計理念的落后導致系統效率低、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 艦船集成優化設計建議

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

3.1 艦船總體集成優化設計建議

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、落實總體設計優化工作及加強對總體和系統的監督管理等方面加強集成優化設計工作。

1）做好艦船總體頂層設計。

從艦船總體集成與優化設計角度，艦船總體頂層設計的主要內容包括：

（1）完成全艦集成體系結構規劃。

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

（2）開展系統功能分配及優化。

艦船總體應依據任務剖面、能量及信息傳遞、控制流程等分析結果進行系統功能的分配和優化，實現艦船總體性能指標，并使各組成系統對艦船資源的利用率最高。

圖1 全艦集成體系結構圖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的集成設計保證系統的整體性能最優、系統的集成設計保證艦船總體的性能最優的原則和從分系統、系統、總體之間能量及信息傳遞的開放性、互聯性、可靠性、高效率、經濟性及標準化等方面建立集成設計準則和約定，來指導和規范總體及系統的集成設計工作。

（4）權衡和分解艦船研制指標。

艦船總體應對艦作戰能力、可靠性、維修性、測試性、安全性、保障性及環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效能的內涵及影響因素出發，開展平臺性能與作戰性能之間的權衡以及平臺和作戰效能內部的權衡；設定決策準則，依照艦船綜合作戰效能最優的原則進行艦船總體技術方案的決策。

2）落實總體設計優化工作。

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化設計工作：

（1）艦船資源的統籌設計。

應分別從強化系統之間的統籌，優化系統之間的資源配置、促進系統內部統籌，優化系統內部資源配置及加強公共資源的統籌，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籌設計。

（2）主尺度與船型的優化設計。

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化設計；根據船型及附體優化設計結果，結合推進主機特性曲線、螺旋槳優化設計開展船-機-槳匹配優化工作，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）總布置的集成優化設計。

應通過合理規劃各類艙室布局，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；優化作業流程、縮短作業線路，減輕艦員勞動強度等方面開展總布置的集成優化設計。

（4）船體結構的優化設計。

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

（5）人員編制的優化配置。

通過優化艦員配置結構來整合戰位、分析任務剖面，以兼顧戰位、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位等措施來進行人員編制的優化配置。

3）加強對總體和系統的監督管理。

加強對艦船總體和系統集成優化設計的監督和管理可促進總體和系統最優方案的落實，保證艦船總體集成方案的最終實現，主要包括：

（1）對系統方案技術層面的監督管理。

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

（2）對系統方案風險控制層面的監督管理。

對系統方案從技術、進度和經費等風險控制角度責成系統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督管理。

對總體方案從技術的可實現性、計劃和經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的技術、進度和經費風險識別、分析及控制活動。

3.2 艦船系統集成優化設計建議

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

1）優化系統結構。

從建立系統集成體系結構開始，通過清理系統組成要素之間的相互關系，形成不同系統結構方案并進行比較和分析，最終實現系統結構的優化。具體包括：

（1）建立艦船系統集成體系結構。

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

（2）清理系統組成之間的相互作用關系。

應開展艦船系統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，建立艦船系統組成元素相互作用影響關系圖或表，以便于系統結構優化工作的開展。

（3）優化艦船系統結構。

通過對艦船系統內各組成元素相互作用關系的分析，進行艦船系統組成元素的各種組合并形成各種可行的系統結構方案，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結構方案進行比較和分析，確定優化的艦船系統結構。

2）提高“四化”程度。

提高艦船系統的“四化”程度是實現系統設計先進性，減輕艦員勞動強度，減少操作戰位的必要條件，具體包括：

（1）提高系統自動化、智能化程度。

應通過采取對艦船系統運行數字的監控，自動采集、整理、分析、評估并顯示系統運行數據，自動調整系統運行工況或采取應對措施等方法提高系統的自動化程度；通過在艦船系統內集成輔助決策系統、專家系統或人工智能技術等手段提高系統的智能化程度。

（2）提高系統信息化程度。

應通過采用光纖通信技術、數字化網絡技術、集成化數據管理系統等技術提高艦船系統的信息化程度，同時，應注重信息化技術在系統中的開放性及可擴展性，以提高系統的互聯性及維護性能。

（3）提高系統標準化程度。

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

3）提高系統效率。

艦船系統效率取決于組成系統元器件的功耗、系統規模、系統流程及系統所用材料等方面。因此，提高艦船系統效率應開展的主要工作包括：

（1）控制系統規模，優化系統流程。

應合理控制艦船系統的設計裕量，控制系統規模；研究系統硬件功能軟件化實施的可行性，避免因系統功能的擴展而帶來新的硬件；優化系統作業流程及系統內能量流和信息流的傳遞路線，以提高系統的整體效率。

（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，降低艦船系統組成要素的發熱量，減少能源的消耗；通過對系統內設備外形的優化及輕質材料的選用等手段節省系統對空間和重量的占用等。

4 集成優化設計效果展望

艦船集成優化設計將帶來設計理念、能力提升及經濟性等方面的收益。

1）設計理念方面。

通過開展艦船集成優化設計，將促使艦船總體和系統設計人員轉變設計理念，建立艦船總體和艦船系統整體性能最優的觀念，并將集成優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設計工作中。

2）能力提升方面。

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

對艦船組成系統功能及結構的集成優化，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）經濟性方面。

通過對艦船系統功能、性能及結構的優化，將會帶來系統功能的高度融合、系統性能的顯著提升及系統結構的高度有序，從而節省采購費用。

艦船總體及系統通過各自的優化設計，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，節省運行費用。

通過對全艦人力資源的統籌，優化艦員構成，有效控制全艦的人員編制，從而可節省艦船全壽期的費用［11］。

5 結 語

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

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