集成優化思想在艦船總體設計應用中的思考

范則陽，謝 坤，任賽林，許 建，易 宏

(1. 上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；2. 中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

0 引 言

我國艦船經歷了幾代跨越式發展，其自動化水平有了很大提高，各種新技術的應用也越來越廣泛。譬如，電子技術從早期的模擬電路發展到數字電路；顯示技術從早期體積龐大的CRT到現在的加固液晶顯示器；控制技術從早期的人工控制到PLC等計算機控制。然而，我國艦船總體設計仍存在諸多問題，設計保守，各系統、專業設計相對獨立，總體設計所對各設備廠、所缺乏有效的約束力，對設備重量體積和接口較難控制等。這些問題造成我國艦船系統、設備種類繁多，堆砌嚴重，資源共享不足，總體系統集成化水平低等，制約了我國艦船總體性能的進一步提高[1]。

通過在總體設計中引入集成優化的思想，增加網絡信息技術應用，對資源進行整合優化等策略，可以解決現役艦船典型的堆砌式設計問題，提高艦船可利用空間，降低維修保養難度。同時，集成優化思想的應用也可以促進總體設計部門人員自身素質與設計手段的提高。

1 總體設計存在的問題

1.1 堆砌式設計方式

艦船總體設計思想和我國航空工業二代戰斗機的設計思想相同。其中很大一部分的工作是將各設備制造單位的設備安裝到艦船船殼里，然后按照設備要求供油、供氣、供電、供水[2]。當設備數量不多時，完成這種工作還比較容易。隨著對艦船性能的不斷提高，堆砌的設備越來越多，船殼內漸漸被塞滿，“蒜瓣”包不住，于是只有增大排水量。隨之而來的，艦船總體快速性、續航力等指標會下降，陷入惡性循環，問題愈發暴露出來。

1.2 各系統、專業的設計相對獨立

艦船總體設計是總、船、機、電各專業緊密配合的一項工作，一般項目均需上述專業共同合作完成。但是在進行論證和技術協調時，提到總體專業，被關心得最多的是多重、多大和總體性能；提到船體專業時，被關心得最多的是結構強度和安全[3]；提到機械專業時，被談及最多的是液壓和冷卻需求；提到電氣專業，被談及最多的是用什么電制，負荷多大。在總體設計中缺少一個站在更高層面的角色，來整合優化資源。例如：目前艦船上各系統的信號采集、指示、報警等絕大部分是相對獨立設計的，因此在艦船上可見形形色色的信號處理箱、指示燈盒、報警器。它們的生產廠家眾多、結構形狀不一、設備功能重復，給船員的使用、維護帶來了不便，也占用了艦船上寶貴的空間。

1.3 總體設計工作不夠精細

目前，艦船的總體設計比較粗放。設計的依據仍是現有的標準規范以及一些設計經驗。隨著新技術的快速發展，對艦船的性能提出了更高要求，這時，現有的一些標準規范會顯得過于保守（如設計裕量過大），制約了新技術的應用，也給總體設計造成了一定的負擔。例如：在設備馬腳的選型及其高度的選取時，在設計設備的基座時，在設備電纜與管路的選型時，以及在船體結構部件的設計中，都存在設計裕量過大這種現象。另外，在系統油、水、氣等容量的設計，以及輔機的功率選取時也存在冗余過大的問題。

1.4 總體對設備體積重量控制不夠嚴格

由于總體對各設備制造單位約束力不夠，各設備單位考慮到自身利益，設備的體積和重量裕量往往保留得過大。例如，某型艦船上的液壓站中間控制箱，在總體設計時預留的體積為 390 mm×475 mm×280 mm，重量為24 kg。實際上，該設備僅由一個萬能轉換開關、一個繼電器板和端子排組成。按照上述預留空間制造的設備，其內部絕大部分的空間被浪費了。另外，在產品研制過程中，相關的新設備研制同步進行。往往設備的技術規格書簽署時設備還沒有開始研制。因此在確定設備體積和重量時，設備生產廠家會給自己留非常大的裕量。由于設備組成及結構形式均沒有定論，因此總體單位此時也無法對設備體積和重量進行干預。經初步統計，在某型艦船設備技術規格書修改的文件中，80%以上都涉及到設備重量的修改。

1.5 總體對設備接口控制不夠嚴格

除體積和重量控制不夠嚴外，在新設備和產品同步研制過程中，設備單位提出的油、水、氣、電接口參數會留較大的裕量。總體部門根據各設備單位提供的參數進行總體油、水、氣、電系統的設計，往往也會留一定的裕量，造成“過設計”。系統的液壓源、水源、氣源、電源設備體積重量會增加，系統管路、電纜均會過粗或過重，對總體造成沉重的負擔。例如：某電氣設備的技術規格書規定其額定功率為250 W，而實測只需60 W，實測值與規定值相差幾倍，造成電纜選型、保護器件選型等均不同程度的放大。

1.6 總體對新技術、新產品的運用不夠

在艦船總體設計中，即使有新技術、新產品可供選用，但是為了降低技術風險以及減少工作量，通常會沿襲以往設計的做法。這樣做雖然可以減少技術風險，減少工作量，但是難以滿足甲方的使用需求，也跟不上時代的發展。例如，艦船上用的開關、接線盒，從20世紀60年代到現在都沒變過。材質采用的是黃銅，重量都在1 kg以上。實際上，現在有很多采用非金屬材料的開關、接線盒可供選擇。其重量只有黃銅材質開關、接線盒的1/4。如果能運用這些新產品，不僅可以減小總體設計的壓力，還可以帶來顯著的技術和經濟效益。

2 集成優化思想在艦船總體設計中的實現途徑

艦船配置系統復雜，參與人員眾多，其操作、運行需要多個專業，多個戰位的人員協調配合完成。操作形式既有遙控操作，也有現場手操，還包括傳令和回令等。在艦船總體設計中實現集成優化要求有多種途徑。

2.1 網絡信息技術的運用

網絡技術的優點是傳輸數據量大，擴展方便。現在工業控制中現場總線技術、網絡技術已經相當發達，而目前我國艦船上大部分的信息交互仍然停留在點對點的水平。通信協議各式各樣，線路繁多復雜，無法實現信息真正的互聯互通。不但造成了資源浪費，也為后期升級改造增加了難度。因此以自動化、網絡化為基礎，借助現代信息技術，可以加快艦船平臺設計模式和體系結構的升級與改革。通過對動力、電力、操船、保障、大氣監控等系統實施信息化、網絡化綜合集成，來實現對全船的綜合管理與控制，達到提高艦船操作效率、降低船員配置、進而提高艦船總體性能等目的[4 – 5]。

2.2 標準化的硬件

目前艦船上大部分的系統、設備是獨立開發的，還沒有統一的規范，設備的標準化程度很低。例如，各類監控設備的設置由于總體單位的約束不夠，導致功能單一、可擴展性差，造成大量的資源浪費，對艦船的后期維護升級改造也帶來很大的困難。圖1為典型的艦船信息化系統構架圖，其主要控制流程為：信號采集→信號處理→信號傳輸→控制邏輯→反饋。具體對應的硬件設備為傳感器→I/O設備→網絡設備→顯控設備→I/O設備[6]。如果采用標準化的傳感器、標準化的現場信息處理設備、標準化的顯控臺，實現設備的標準化、模塊化和系列化，則可提高系統的通用性、靈活性和開放性，這也有利于裝備的改造升級。

圖 1 艦船信息化系統構架Fig. 1 Basic system structure of warship information system

2.3 以“軟”代“硬”

目前艦船上設備的控制都是通過自帶的控制器或者集控臺來實現，各控制器和控制臺數量繁多，功能單一，兼容性差。如果后續升級改造，必須通過新增設備或者連同原有設備一起更換，大大增加了后續升級時間和成本。而設備的控制如果采用軟件實現，則有利于實現標準化和模塊化，具有功能擴展方便、不占體積等優點。結合網絡化信息化技術和標準化的硬件，可輕松實現設備功能的擴展。因此，應盡量開發、使用通用型的多功能設備，充分發揮軟件的優勢，以適應任務變化對功能變化的需求，提升系統及設備執行多任務的能力和適應任務變化的能力[7 – 8]。圖2為典型的軟件結構圖。這種系統結構具有良好的開放性，可實現包括平臺、動力和作戰系統任務應用軟件的同時運行。具體實施時，可將應用軟件劃分成多個組成模塊，每個模塊都是具有一定功能、具備對外接口的軟件實體，以便于升級維護管理和軟件復用。

圖 2 典型的軟件結構Fig. 2 Typical software structure

2.4 資源整合優化

在增加信息化指標要求的同時，總體、系統應該勇于主動打破傳統設備、系統的條條框框及利益劃分，從有利于提高總體性能的角度開展資源整合優化工作。例如：可從優化總體、系統功能需求出發，盡可能地取消、整合各類單一功能設備；深入參與各類設備的具體設計工作，并為設備的標準化、模塊化提供幫助；統一考慮供油、供氣、供電、供水等幾個方面接口的標準化；通過設備、系統功能的整合優化人員編制。

圖3為某艦電力系統集成優化設計前后對比圖。可以看出，集成化優化設計不僅可以減少設備的重量和數量，還有利于節省人力成本，提高艦船的綜合性能。

圖 3 某艦電力系統集成優化設計前后對比Fig. 3 Comparison of integrated optimization design of a warship's power system

3 集成優化設計思想對艦船總體設計提出的要求

集成優化設計思想的提出并非偶然。它能顯著改善艦船空間的利用率，降低后期維護難度，簡化船員的操作。然而，要實現裝備的集成優化難度非常大。對于總體設計部門而言，需要協調好各設備單位之間的利益關系，并給予一定的設計授權。反過來，集成優化思想對總體設計也提出了更高要求。

3.1 要求總體設計人員轉變思路，勇于創新

目前，我國軍工受益于集成化的典型案例是戰斗機。航空工業二代戰斗機向三代戰斗機設計理念的轉變經歷了一個很大的陣痛期，但最終克服了種種困難，實現了技術上質的飛躍。艦船上的設備眾多，對集成化設計的需求也很迫切，但目前進展比較緩慢。為此，需借鑒航空部門的經驗，轉變思路，結合自身特點，將被動拼湊式設計方式改為主動規劃式設計方式，勇于開展技術創新，并探索由于技術創新引起的管理創新，實現跨越式發展。

3.2 要求總體設計人員素質更加全面

一方面集成化要求各方面的資源能優化利用。這要求總體設計人員具有較高的大局觀，較好的前瞻性，能夠打破專業、系統的限制；另一方面總體設計人員以往只關心設備的重量、體積、接口以及性能指標，對設備內部組成以及工作原理并沒有深入的研究。隨著集成優化對設備的體積和重量有更嚴格的要求時，這需要總體設計人員對設備的組成、工作原理等有詳細的了解。同時，還需要對電氣設備結構設計、熱設計、電磁兼容設計、三防設計等具有較高的理論和實踐經驗。如前所述，網絡化、信息化以及現代控制技術都是以軟件為核心的，這也需要總體設計人員克服相關理論不足的短板，能熟悉軟件的相關標準規范，具有一定的制定軟件的理論水平。

3.3 要求總體設計更加精細

目前，集成化需求比較緊迫的是對艦船上各種電氣電子設備進行優化整合。除此之外，對艦船上的機械部分，例如船體結構設計、設備管路馬腳、基座設計、電纜與管路選型等，也需要進行優化整合。為保證設計的精細度，建議利用計算機輔助設計技術、計算機仿真技術對設計進行分析，打破標準規范的約束，實現設計的最優化。通過先進的仿真設計技術使電力負荷計算、電力系統結構、控制網絡設計、總體電磁兼容設計等工作更加合理和精準。

3.4 要求總體設計手段更加先進

總體設計單位能夠讓各設備、系統單位根據其總體規劃和構架開展工作，必須能夠拿得出充足的理論和實驗數據來證明其頂層設計的合理性。目前先進的數字式系統仿真技術、數字式控制機電系統技術、計算機輔助設計/分析技術、計算機輔助實驗技術、計算機輔助制造技術等手段來都可以驗證設計結果的合理性。對于艦船總體設計而言，也應采用更加先進的設計、驗證手段，采用計算機輔助仿真/實驗技術等設計手段來驗證總體設計的合理性[9 – 11]。

4 艦船總體設計集成優化工作開展的建議

集成優化工作不是一蹴而就的，需要進行長期的研究和探索，并充分發揮總體設計部門的大局觀、協調抓總能力、技術創新能力。為便于艦船總體設計集成優化工作的開展，建議從4個方面盡快開展設計工作。

4.1 盡快開展頂層設計研究

集成優化工作如果到產品的論證階段再實施的話已經來不及，在產品論證階段只能是對設備選型和設計優化、對部分設備進行整合優化、對操作模式進行優化。然而，這些優化均不能從總體、系統的頂層開始進行全新的設計。因此，在產品的論證階段前，總體設計部門應對各系統工作流程進行清理，開展頂層設計研究。在裝備需求定義、總體頂層設計和各系統性能分配、各系統的規劃和構架、實驗體系規劃、綜合保障規劃等方面開展工作。

4.2 盡快開展標準規范的研究和制定

為落實2.1，2.2和2.3的優化工作，應盡快開展《艦船重量體積與總體接口管理規定》，《艦船多功能標準顯控臺設計規范》，《艦船控制設備網絡接口設計規范》，《艦船現場控制設備指導性設計規范》，《艦船傳感器、執行器指導性選型規范》，《艦船軟件設計規范》，《艦船軟件測試規范》和《艦船平臺綜合管理系統接口協議制定規范》的研究和制定。

4.3 進行相關專題的研究

為落實2.4的優化工作，應盡快開展集成優化與設備、系統可靠性關系的研究；開展集中控制與分散控制對比分析研究；開展人機工程研究；開展專用電源整合技術研究；開展網絡信息安全技術研究；開展船員任務決策支持、綜合運行管理、艦船健康狀態評估技術研究等專題的研究工作。

4.4 復合型人才的培養

3.2節提到集成優化設計要求總體設計人員既要懂系統又要懂設備，更要懂總體；既要懂硬件又要懂軟件。因此在人才培養中可多派人員參加一些專業的研修班，多深入到設備生產單位掌握一些電子設備結構與工藝設計、軟件可靠性與測試性技術、可靠性系統工程設計、電子產品可靠性與環境實驗設計、電子設備及產品熱設計等技術。另外在人才引進時，可優先考慮具有軟件背景的自動控制專業人才。

5 結 語

在艦船總體設計中采用集成優化設計思想刻不容緩。各專業應貫徹集成優化思想，轉變思路，勇于創新，勇于合并集成，同時還需提高自身素質，采用更先進的設計手段，進行更精細化的設計，實現總體資源的優化利用，以提高艦船空間利用率以及艦船綜合性能。