船舶總體性能優化設計研究綜述

王 鵬，許 驥，焦德義

（海軍蚌埠士官學校機械系，安徽蚌埠 233012）

船舶總體性能優化設計研究綜述

王 鵬，許 驥，焦德義

（海軍蚌埠士官學校機械系，安徽蚌埠 233012）

文章對船舶總體性能優化設計的國內外研究進展進行了介紹，分析了船舶總體性能優化設計的主要特點，總結了船舶總體性能優化設計用到的主要方法，最后提出了船舶總體性能優化設計時所要研究的關鍵問題，對進行船舶總體性能優化設計有一定的指導意義。

船舶；總體性能；優化設計

0 引言

船舶總體性能設計是指依據研制任務書，通過分析、論證、計算、試驗和繪圖等工作，提供一系列技術資料，滿足研究單位的設計要求，確保造船廠能建造出性能優良的船舶。一般地，船舶總體性能設計工作包括總體設計和局部設計兩個方面。其中，總體設計的主要任務是解決設計中的主尺度方案以及船體型線、上層建筑、結構形式、動力裝置、電子設備及武器系統選型等一些最基本的問題；局部設計是在總體設計基礎上作進一步的細化設計。

1 船舶總體性能優化設計研究進展

國外學者利用優化理論在船舶總體性能優化設計領域取得了很大進展。美國海軍在20世紀60年代就開始以“綜合模型”對船舶總體方案進行評估，獲得了巨大的軍事與經濟效益，并研制了先進的船舶綜合模型開發與評估工具ASSET。英國海軍研制了船舶多目標概念設計工具Paramarine，目前英國海軍的水面艦艇、潛艇以及大型水面船舶均采用Paramarine進行建模分析。在船舶工程領域，總體性能優化設計的研究也取得了一些發展。Boulougouris等人[1]應用Shipflow軟件，對阻力和重心最大垂向運動構成的多目標優化模型進行優化。Steel[2]和Thomas[3]等人使用遺傳算法探討了船型優化的設計問題。在固定船舶航速的情形下，Harries等人[4]以單位排水量下的總阻力和排水量為設計變量，以耐波性為優化目標，對滾裝船的型線開展了優化設計。Lee等人[5]以船舶建造費用為優化目標，對船舶的主尺度及型線進行了并行優化。Peri[6]發表了與船舶全局優化問題有關的相關文獻。Boulougouris和Papanikolaou[1]使用多目標遺傳算法研究了船舶的生命力問題。Brown等人[7]使用綜合效能指數（OMOE）和全壽命周期費用（LCC）建立了船舶總體性能的多目標優化模型，采用多目標遺傳算法進行主尺度方案優化。Peri和Campana[8]以船舶最小總阻力及最小化垂蕩和縱搖作為優化目標，對船體的線型進行優化設計。

國內也開展了船舶總體性能優化設計的研究工作，目前在該領域的一些院所和科研單位主要有：上海交通大學、華中科技大學、海軍工程大學、武漢理工大學、大連理工大學、中船重工701所等。1989年，薄林槐[9]應用多元回歸分析方法，對當時的水面船舶阻力圖譜提出了回歸表達式，并在分析國內外25條典型船舶阻力試驗的基礎上，對該數學表達式做了擴充和修正，提高了船舶阻力估算的精度，擴大了其應用范圍。1992年，程智斌和陳仁鈴[10]以不沉概率作為船舶不沉性評估指標進行了討論，提出了用于船舶戰術技術論證階段和初步設計階段的不沉概率的計算方法，并用該方法編制了計算機程序，對我國當時海軍部分水面戰斗艦艇進行了實船計算。2003年，黃炳濤和沈遠海[11]通過系統分析的方法，對水面艦艇的作戰效能作了分析，構造了對作戰系統效能評估的研究框架，綜合考慮了作戰能力、作戰環境、作戰使命的相互關系。2005年，呂建偉、易慧、劉中華等人[12]針對船舶研制特點，運用系統工程原理，通過對任務目標的分解與技術指標的分析，考慮船舶全系統、全壽命和用戶需求等方面，構建了可用于船舶研制方案的評估、權衡、優化的船舶研制指標體系，并對其應用條件和應用形式進行了初步探討。2006年，蔣鐵軍和王樹宗[13]建立了船舶裝備總體設計指標體系，提出了綜合效能的概念。能同時體現對作戰能力和后勤保障能力的描述。在系統分析目前廣泛采用的船舶裝備總體設計準則及其優缺點的基礎上，提出了基于效費比的優化設計準則。在強調裝備綜合效能的前提下，充分考慮裝備的經濟承受能力，為有效提高經費的使用效益創造條件。2006年，劉佳、王威和楊建軍等人[14]建立了將Fisher判別分析方法應用于效費分析的模型，能夠直接通過性能評估指標進行船舶方案的初步篩選，將性能方案分為效費比高和效費比低兩類，剔除效費比低的方案。并通過實例說明該方法能夠減少費用估算的工作量，提高了工作效率。2012年，張濤和畢毅[15]在熵權法和模糊集的基礎上，提出了應用于船舶操縱性綜合評估的新方法，且獲得了較好的評估結果。

2 船舶總體性能優化設計主要特點

船舶總體性能的優化設計具有以下特點：

1）矛盾錯綜復雜

由于船舶自身的內在矛盾錯綜復雜，使得船舶總體性能的優化設計更加復雜。如在排水量不變的前提下，船舶負重量與船舶航速之間的矛盾，船舶耐波性與初穩性之間的矛盾，船舶航向穩定性與操縱靈活之間的矛盾等。在船舶總體性能的優化設計中，要妥善處理這些錯綜復雜的矛盾，不能簡單地采用折中的辦法來解決，應遵循如下原則：局部服從總體；次要矛盾服從主要矛盾；總耗能服從經濟效益，并以最小的代價獲取利益。

2）問題具有多解性

一艘設計成功的船舶，其總體性能方案應能最大限度地滿足研制任務書中各項戰術和技術性能指標的要求。為此，對同一個設計目標來說，往往設計出的多種方案都能滿足同一設計目標要求，因此需要對多個方案進行分析評估，決策部門可根據任務需要和實際情況，從待選的設計方案中選取出“最優方案”。

3 船舶總體性能優化設計主要方法

船舶總體性能優化設計是一個逐步近似并反復迭代的復雜過程，該項工作主要包括方案設計、初步設計、詳細設計等設計階段。為了對多個設計方案開展船舶總體性能的綜合評估，并獲得船舶整體系統的總體最優解，合理的做法是在船舶設計初期同時考慮船型、推進、布置等指標的設計，給出相應的設計變量、約束條件以及各子系統之間的相互耦合關系，即船舶總體性能設計是一個不斷反復逐步近似的串行設計過程，這種設計模式可用圖1所示的設計螺旋線表示。只有隨著設計過程的深入，對設計對象的認識才會不斷增加。

船舶總體性能優化設計的最終目標是找到最佳的主尺度方案，常用的方法有逐步改進法、變值法、最優化方法和智能優化算法等[16-18]，下面逐一進行簡要介紹。

1）逐步改進法

這是船舶總體性能設計中最常用的一種方法，它建立在分析估算的基礎之上。首先分析研制任務書中的任務，從設計船舶的備選方案中選出一套方案，估算該套方案的排水量、主尺度及各種性能。這樣經過多次反復，直到達到滿意的結果為止。逐步改進法在資料豐富的時候，可通過較少的工作量獲得較滿意的設計結果，其缺點在于難以證實所選方案是否是最佳的設計方案。

2）變值法

也稱網格法或參數分析法，是船舶總體性能設計中經常使用的方案優選方法。通過系統地改變對設計船舶有顯著影響的主尺度參數，在其可能的范圍內，各選若干數值組成的一系列方案，對每組方案都進行各種性能的數值計算。在計算出的結果中，拋棄哪些明顯不適用的方案，然后在剩余方案中，考慮到主尺度參數對船舶總體性能的影響規律，全面地開展分析比較后，選出最好的一個方案作為設計結果。

3）最優化方法

這是利用近代數學方法，通過求解多變量、有約束目標函數的極小值，進而獲得最佳設計方案的一種方法。與變值法相比，最優化方法能夠對更多的變量以更小的變化步長在更為廣大的設計空間中搜尋最優解，因而可獲得更為理想的最優設計方案，可有效解決計算時間長等問題。船舶總體性能優化設計是一個最優化問題，首先要把它用數學式表達出來，也就是要建立一個船舶總體性能的數學模型，同時還應完整地描述出設計變量、約束條件和目標函數等三大要素，最后通過求解目標函數的最小值得到最優的總體性能設計方案。

4）智能優化算法

這是一類通過模擬某一自然現象或過程而建立起來的優化方法。應用智能優化算法可有效地避免傳統逐步優化方法搜尋不到全局最優解的缺點。船舶總體性能優化設計是典型的多目標優化問題，設計過程錯綜復雜，許多子目標之間存在著不同程度的耦合關系。對一個目標性能的改變，往往會造成其他目標性能的降低。為獲得總體目標的近似最優解，合理的做法是在確定船舶主尺度方案時同時考慮多個子目標的因素，給出各目標的設計變量和約束條件，通過綜合平衡各子目標之間的關系，使總體目標達到令人滿意的程度。目前在船舶總體性能優化設計中，智能優化算法已獲得初步應用，典型的算法包括神經網絡優化算法、遺傳算法等。

4 船舶總體性能優化設計關鍵問題

船舶總體性能優化設計中的關鍵問題有如下四個方面：

1）明確設計變量

設計變量也稱決策變量，是指設計過程中可自由選擇的獨立變量。設計變量的數目應適當控制，雖然設計變量的數目越多，設計的自由度越大且設計效果越理想，但是設計變量數目過大會造成問題過于復雜、設計時間過長。在實際設計過程中，在滿足工程要求的前提下，應盡量減少設計變量的個數。另外，設計變量應選取與目標函數和約束條件直接關聯的、反映設計船舶主要特征且彼此間相互獨立的參數。設計變量一般從以下兩個方面選?。阂皇枪浪愦案黜椥阅芩玫降闹鞒叨葏担欢桥c后續設計過程緊密聯系的主尺度參數作為設計變量，以保證設計工作的連續性并體現后續工作的要求。

2）建立目標函數

目標函數是用設計變量的數學關系式表達的設計目標，目標函數是評估設計方案優劣程度的依據，選擇目標函數時要兼顧若干個設計準則，如設計一艘船舶，不僅要考慮到它具有較高的經濟效益，同時還應滿足航速高、造價低等要求，故選取目標函數可能是整個多目標優化過程中最重要的決策之一。

3）表達約束條件

在船舶總體性能優化設計過程中，設計變量總是要受到某些條件的限制，這種限制在數學上稱為約束條件。約束條件可分為界限約束和性能約束兩類，其中界限約束是指設計變量許可變化的范圍，如長寬比滿足 7.0＜L/B＜11.0，方形系數滿足0.40＜CB＜0.58等；所謂性能約束是指對設計船舶的性能所提出的一些限制條件，如快速性要求、耐波性要求等。在船舶總體性能優化設計過程中，約束條件的引入是十分必要的，滿足約束條件的方案稱為可行方案，不滿足約束條件的方案稱為不可行方案。

4）構建多目標優化數學模型

為實現船舶總體性能的多目標優化，應構建相應的數學模型平臺。其目的是按照多目標優化設計流程，針對具體的優化設計問題，將多目標優化程序、優化模型、優化方法、優化策略集成起來形成多目標優化系統。

5 結論

隨著國內外造船行業競爭日益激烈，造船界不斷尋找生產效率高的船舶設計方法，本文主要對船舶總體性能優化設計方法的相關研究進行了梳理總結，通過對該方法國內外研究進展的介紹，并從船舶總體性能優化設計的主要特點和主要方法兩個方面的分析著手，提出了應用該方法需要研究的關鍵問題，對進行船舶總體性能優化設計有一定的指導意義。

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Summary of Research on Optimized Design of Ship Overall Performance

Wang Peng, Xu Ji, Jiao Deyi
(Bengbu Navy Petty Officer Academy, Department of Machine Engineering, Anhui Bengbu 233012, China)

The paper introduces the research progress of optimized design of ship overall performance at home and abroad.It analyzes the main characteristics of optimized design of ship overall performance, and summarizes the main methods proceeding the optimized design of ship overall performance.Finally it puts forward the key problems when researching optimization design of ship overall performance, which offers guiding significance.

ship; overall performance; optimized design

U674

A

10.14141/j.31-1981.2017.01.004

王鵬（1988—），男，助教，碩士，研究方向：艦船設計制造與維修保障。