基于屬性細(xì)分的艦船中遠(yuǎn)場水下爆炸預(yù)報/評價體系初步設(shè)計與實現(xiàn)

劉國振，汪俊，徐玉崇，袁茂才，王海坤，裴度

（1.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082；2.中船重工奧藍(lán)托無錫軟件技術(shù)有限公司，江蘇 無錫 214082）

長期以來，我國科研人員在艦船抗爆抗沖擊性能研究中，除廣泛應(yīng)用國外商業(yè)工具軟件外，還建立了大量具有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)理模型和求解算法，初步形成了水下爆炸預(yù)報和評估體系[1-8]。然而這些模型和算法，通常存放在個人電腦或只在本單位使用，這些自編程序尚未形成真正意義上的軟件，缺乏模型和算法驗證、適用范圍規(guī)定、入口設(shè)置規(guī)定、軟件工程化封裝等，真正形成推廣應(yīng)用或標(biāo)準(zhǔn)的很少。對于這些自編程序，由于使用者知識經(jīng)驗的不同，其結(jié)果會出現(xiàn)“因人因事”的巨大差異，結(jié)果穩(wěn)定性不高，需要行業(yè)專家進行綜合評估與分析，造成人力和資源的巨大浪費，也不利于知識經(jīng)驗的流動與傳承，從而影響了其總體作用的發(fā)揮，難以形成體系化的抗爆抗沖擊體性能研發(fā)模式。因此，需要針對自主研制算法和模型進行軟件化、標(biāo)準(zhǔn)化、自主化，解決“因人因事”的差異，并與物理試驗深度融合。在此基礎(chǔ)上，基于屬性細(xì)分原則，形成應(yīng)用體系和流程，已成為船舶抗爆抗沖擊研究工作的迫切要求。

趙峰等[9]、欒恩杰等[10]在船舶總體性能研發(fā)過程中，提出了基于流程的系統(tǒng)模型和學(xué)科級技術(shù)模型的缺失是當(dāng)前面臨的最大瓶頸，并針對基于數(shù)值模擬和數(shù)據(jù)知識化的2 類虛擬應(yīng)用APP 的開發(fā)，以及創(chuàng)建以APP 為節(jié)點的艦船總體性能研發(fā)虛擬應(yīng)用流程體系，進行了分析和討論。韋喜忠等[11]、童衛(wèi)東[12]針對船舶總體性能預(yù)報APP 軟件在應(yīng)用域、數(shù)學(xué)模型以及參數(shù)設(shè)置等環(huán)節(jié)專業(yè)知識密集、邏輯復(fù)雜導(dǎo)致需求不明確、難以有效監(jiān)控等特點，參考GJB 5000A《軍用軟件能力成熟度模型》的核心思想和內(nèi)容，提出了針對APP 軟件研發(fā)的應(yīng)用方案，用于指導(dǎo)研制過程的精準(zhǔn)化管控，從而為提升船舶總體性能預(yù)報軟件質(zhì)量和研制能力等提供參考。

為此，本文針對現(xiàn)有水下爆炸算法研究中存在的算法雜亂無序、規(guī)范性差、結(jié)果“因人因事”、體系化顯性表達(dá)不足等問題，以中遠(yuǎn)場水下爆炸預(yù)報與評價流程設(shè)計為目標(biāo)，按照知識封裝，屬性細(xì)分的原則，首先進行流程體系架構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，針對每一個細(xì)分屬性，采用由“程序到軟件”的思路，開展專家策略研究，在模型選擇、參數(shù)設(shè)置、前后處理等方面集成專家知識，封裝設(shè)計、系統(tǒng)測試和驗證，形成細(xì)分屬性APP，最后根據(jù)架構(gòu)設(shè)計方案，開展各APP 間數(shù)據(jù)交換和需求分析，進行流程化設(shè)計，最終形成中遠(yuǎn)場水下爆炸設(shè)計流程。

1 基于屬性細(xì)分的APP 的設(shè)計與開發(fā)

在水下爆炸領(lǐng)域，國內(nèi)已經(jīng)在基礎(chǔ)理論、數(shù)理模型、數(shù)值算法、應(yīng)用技術(shù)等方面積累了豐厚的成果[13-17]，這些成果的固化將對裝備技術(shù)的創(chuàng)新和能力的整體提升起到巨大的推動作用，其中APP 是成果固化的重要形式。APP，即整個分析過程和這些“專家知識”融合形成獨立的應(yīng)用軟件，是按照“屬性細(xì)分”的原則，基于數(shù)值模擬或數(shù)據(jù)挖掘方法，在學(xué)科屬性、應(yīng)用對象、計算精度等方面進行細(xì)分，在模型選擇、參數(shù)設(shè)置、前后處理等方面封裝專家知識，在當(dāng)前科學(xué)認(rèn)識水平下最大程度地解決計算結(jié)果“因人因事”差異。使用這些經(jīng)過“知識封裝”的APP 軟件，不但可以大幅提高應(yīng)用的魯棒性和可靠性，還可以降低使用門檻，為有效推動抗爆抗沖擊性能研發(fā)模式的變革創(chuàng)造可能。

1.1 基于GJB 5000A 的APP 開發(fā)方案

水下爆炸APP 的研發(fā)，與以往的軟件/程序相比，最大不同點是把原來依賴于個人能力的預(yù)報分析過程中的知識“封裝”進來，即要明確應(yīng)用域、數(shù)學(xué)模型以及相應(yīng)的條件域（參數(shù)設(shè)置）等3 個核心環(huán)節(jié)的相關(guān)內(nèi)容，以此來提高最終的魯棒性和可靠性。此外，從事船舶爆炸性能預(yù)報軟件研發(fā)的人員，其主要工作往往以力學(xué)性能基礎(chǔ)研究為主，軟件工程化基礎(chǔ)相對薄弱，造成軟件研制流程不明確，需求分析不充分，測試不夠全面。因此，在APP 開發(fā)中，引入按照軟件開發(fā)過程標(biāo)準(zhǔn)GJB 5000A，采用5 階段生命周期劃分（APP 需求整理與策劃、軟件需求分析、軟件設(shè)計與實現(xiàn)、軟件合格性測試、APP 需求確認(rèn)與驗收交付）打造水下爆炸APP 是合適的。基于GJB 5000A 的水下爆炸APP 開發(fā)方案如圖1 所示。

1.2 APP 線上測試與應(yīng)用完善

針對上述APP，按GJB 5000A 開發(fā)完畢，尚不能滿足要求，還需開展上線APP 的測試，方可以形成成熟可用的APP。針對上線APP 開展線上測試工作，主要包括功能測試和接口測試，具體每個APP不同，然后在上述測試工作基礎(chǔ)上，開展APP 的界面“高級感”、幫助文件補充等應(yīng)用完善。應(yīng)用測試主要為結(jié)合科室承擔(dān)的相關(guān)課題，并通過推廣相關(guān)科研院所進行使用，組織科研人員測試APP 的可用性，以及計算精度和可靠性等，達(dá)到工程實用程度。然后在應(yīng)用測試基礎(chǔ)上，開展APP 完善工作，如圖2 所示。一方面，針對功能、接口上的漏洞進行修訂，對參數(shù)取值范圍、輸入輸出控制、程序格式進一步完善；另一方面，針對性能測試中計算結(jié)果與試驗結(jié)果的偏差，挖掘內(nèi)在原因，調(diào)整APP 核心程序，提高計算的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和界面友好性。經(jīng)上述測試檢驗后，更新APP 相關(guān)內(nèi)容，形成成熟APP。

圖2 APP 線上測試與應(yīng)用完善流程Fig.2 APP online testing and application improvement process

1.3 典型APP 設(shè)計案例

由于基于屬性細(xì)分原則，中遠(yuǎn)場水下爆炸預(yù)報/評價流程包含較多APP，受篇幅限制，本文以中遠(yuǎn)場水下爆炸下總強度APP 為例，簡要說明開發(fā)過程和實現(xiàn)效果。

中遠(yuǎn)場水下爆炸下總強度APP 基于Vernon 水動力載荷與結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論開發(fā)[18-20]，適用于預(yù)報水下爆炸下水面船舶的總體低頻鞭狀動響應(yīng)和船舶沖擊總縱彎矩。其中，基于Vernon 的水下爆炸氣泡載荷模型采用勢流理論來描述氣泡膨脹和收縮引起的流體運動，船體梁采用具有剪切和轉(zhuǎn)動慣量的鐵木辛柯梁描述。該開發(fā)采用Fortran 語言實現(xiàn)，封裝了多個專家經(jīng)驗知識，輸入?yún)?shù)由原來的24 個變?yōu)?8 個，縮減了25%，實現(xiàn)符合設(shè)計人員操作理念的參數(shù)輸入、計算以及后處理設(shè)置，大大簡化了設(shè)計人員的操作難度。該APP 開發(fā)形成的前后界面展示如圖3 所示。

圖3 前后界面設(shè)計Fig.3 Design of front and rear interfaces

APP 開發(fā)的測試按照自開發(fā)、自測試、他驗證的原則，除了進行軟件功能和性能自測試外，還開展了應(yīng)用測試，主要為課題應(yīng)用測試和推廣相關(guān)科研院所進行試用，反饋問題和建議。該APP 開展的典型縮尺模型典型應(yīng)用測試如圖4—6 所示。測試模型如圖4 所示，模型主要由8 個獨立的艙段通過7 個薄壁圓管連接而成，其中各段薄壁圓管通過與強力艙壁焊接構(gòu)成一個整體，模擬船體梁的彎曲剛度。爆炸試驗工況共計3 個，見表1。模型水下爆炸試驗在爆炸水池開展，測點為應(yīng)變測點，布置在圓管壁上，共布置5個測點。通過測量圓管壁上的應(yīng)變，經(jīng)過換算標(biāo)定可得到模型截面彎矩。通過水下爆炸下總縱強度模型試驗（如圖5 所示）獲取3 個工況的數(shù)據(jù)3 組，每組5個。計算與試驗彎矩曲線比較如圖6 所示，可以看到試驗與計算彎矩吻合良好。

表1 水下爆炸試驗工況Tab.1 Uderwater explosion test conditions

圖4 試驗?zāi)Ｐ偷娜S剖視圖Fig.4 3D cross-sectional view of the experimental model

圖5 水下爆炸試驗Fig.5 Underwater explosion test

圖6 典型計算與試驗彎矩曲線Fig.6 Bending moment curve of typical calculations and experiments

2 中遠(yuǎn)場水下爆炸性能預(yù)報流程

中遠(yuǎn)場水下爆炸是艦船遭受的一種典型場景，在該場景下，艦船會遭受沖擊波和氣泡載荷的聯(lián)合作用，通常會引起艦船結(jié)構(gòu)的局部損傷和總體損傷，并對艦內(nèi)設(shè)備和人員造成沖擊損傷和破壞。在該場景中，總體設(shè)計所通常需要開展一系列艦船抗爆抗沖擊性能的預(yù)報和評價，并在此基礎(chǔ)上進行綜合權(quán)衡，制定技術(shù)指標(biāo)。有些性能預(yù)報為了達(dá)到精度合理預(yù)報結(jié)果的目標(biāo)，通常會組織2～3 家單位進行同時預(yù)報，主要歸因于方法的可靠性、精度和適用范圍限制等因素。為此，在屬性細(xì)分的APP 基礎(chǔ)上，開展中遠(yuǎn)場水下爆炸性能預(yù)報與評價流程設(shè)計成為重要解決途徑。

2.1 設(shè)計框架

針對中遠(yuǎn)場水下爆炸性能預(yù)報與評價體系，主要為弱沖擊載荷下的艦船結(jié)構(gòu)、設(shè)備、人員沖擊損傷分析，需要的預(yù)報/評價APP 主要有中遠(yuǎn)場爆炸載荷APP、結(jié)構(gòu)總體/局部強度預(yù)報APP、沖擊環(huán)境預(yù)報APP、設(shè)備/人員/管路/軸系等抗沖擊性能預(yù)報APP，以及基于以上預(yù)報結(jié)果開展的艦船易損性評價APP。其整體設(shè)計框架如圖7 所示。

圖7 中遠(yuǎn)場水下爆炸預(yù)報/評價體系設(shè)計框架Fig.7 Design framework of mid and far field underwater explosion prediction/evaluation system

2.2 初步實現(xiàn)

針對上述流程設(shè)計框架，考慮到基于屬性細(xì)分的APP 開發(fā)實際情況，本文給出的中遠(yuǎn)場水下爆炸下抗爆評價流程主要由基于半經(jīng)驗半理論公式的中遠(yuǎn)場水下爆炸載荷預(yù)報APP、基于DAA 的沖擊環(huán)境預(yù)報APP、基于Vernon 氣泡動力學(xué)的總強度預(yù)報APP、基于板架分級理論的局部強度預(yù)報APP、基于DDAM的設(shè)備抗沖擊分析APP、基于緩沖系統(tǒng)傳遞特性理論的艦船設(shè)備用緩沖元件快速選型APP、基于非線性集總參數(shù)人體模型的人員抗沖擊APP 以及基于模糊隨機理論的易損性評價APP 等組成。各APP 間接口以文件形式提供，即前一個APP 為后一個APP 以文件格式提供所需的輸入數(shù)據(jù)。整個APP 的流程實現(xiàn)是在數(shù)值船海集成開發(fā)及應(yīng)用環(huán)境軟件AppStudio 中進行的。設(shè)計流程如圖8 所示，在數(shù)值船海AppStudio平臺上的流程實現(xiàn)如圖9 所示。

圖8 中遠(yuǎn)場水下爆炸流程設(shè)計Fig.8 Process design of mid and far field underwater explosion

圖9 基于數(shù)值船海AppStudio 的中遠(yuǎn)場水下爆炸流程實現(xiàn)Fig.9 Implementation of mid and far field underwater explosion process based on numerical ship AppStudio

3 結(jié)語

本文針對我國水下爆炸自主研制算法和模型開發(fā)現(xiàn)狀，從“知識封裝、屬性細(xì)分”的角度，針對中遠(yuǎn)場水下爆炸性能預(yù)報/評價算法開展系統(tǒng)梳理和細(xì)分功能開發(fā)，形成了中遠(yuǎn)場水下爆炸性能預(yù)報/評價APP 集。在此基礎(chǔ)上，基于數(shù)值船海AppStudio 平臺，形成了中遠(yuǎn)場水下爆炸性能預(yù)報流程，為我國后續(xù)艦船抗爆抗沖擊體系化開發(fā)提出了一個新的思路，也為總體所開展抗爆抗沖擊設(shè)計提供了APP 集和流程化評估方案。

由于水下爆炸的強非線性特性以及艦船抗爆抗沖擊涵蓋范圍廣，作用機理復(fù)雜多樣，致使其抗爆抗沖擊評估性能評估需求多樣，現(xiàn)有APP 開發(fā)和流程設(shè)計只是針對中遠(yuǎn)場水下爆炸性能評估做了一些嘗試，尚難以滿足水下爆炸艦船抗爆抗沖擊性能分析的總體需求。為此，在后續(xù)研究中，需要以拓展基于屬性細(xì)分的APP 集和體系化流程設(shè)計為主要目標(biāo)，集合國內(nèi)優(yōu)勢單位聯(lián)合攻關(guān)，以打造生態(tài)圈的模式推進我國艦船抗爆抗沖擊APP 開發(fā)和預(yù)報評價體系實現(xiàn)。