水面舰船集成优化设计探讨

李 爽，田斌斌，徐 青，徐 斌，陈 立

1 海军装备部，北京100071

2 中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

0 引 言

武器系统的研制通常是一项系统工程。水面舰船作为武器系统的代表，在有限的空间内集成了具有各种功能、性能而又相互影响的设施、系统和分系统，既组成有机的整体，也存在各种矛盾［1］。水面舰船的研制包括论证、设计、建造和试验等一系列阶段，其综合作战能力的发挥是上述各阶段共同作用的结果，其中，方案论证及设计阶段对舰船综合作战能力的影响最为显著。

根据水面舰船所承担的使命任务，其综合作战能力一般可分解为获取及传递信息的能力、机动能力（包括快速性、操纵性、续航力及自给力等）、打击能力和防御能力。在水面舰船论证及总体设计阶段，舰船综合作战能力的最大化与舰船资源（包括空间、排水量、能量及信息等）的稀缺性是永恒的矛盾。对此，必须通过持续更新舰船设计理念、优化舰船设计方法和提高舰船设计手段来予以解决。集成优化设计正是在此背景下提出的解决舰船需求与现实之间矛盾的方案。

在欧、美发达国家的水面舰船设计中，普遍应用了集成优化设计思想，主要体现在：

1）由自下而上的非集成系统设计方式转化为自上而下的集成化系统设计方式［2］，增强了系统的整体性和关联性；

2）注重提高系统、设备的自动化、智能化及标准化，加大了信息化技术的应用；

3）同时采取优化作业流程、加大新技术的集成等技术手段与改革制度和政策、改进维修及保障体系等非技术手段［3］；

4）通过大量采用成熟商用技术及大力度的演示验证，化解新的设计思想以及新技术、新材料的应用风险［4］；

5）在不影响舰船作战效能的前提下提高舰船性能，减少人员编制，节约舰船全寿期费用。

近年来，随着我国技术的进步和发展，新的材料和器件、新的工艺和流程、新的手段和途径以及新的技术策略和信息化技术的开发，为舰船集成优化设计提供了可能及强有力的支撑。在我国水面舰船的研制过程中，依据科学的观点和方法，运用现代科技手段分析、处理复杂系统的各种问题和矛盾，不断优化舰船总体及舰载系统、设施的设计，是舰船综合作战能力提升的需要，也是技术进步推动的必然。

1 集成优化设计的概念与原则

系统学定律指出：“在保证实现环境所允许的系统功能的前提下，使整个系统对时间、空间、物质、能量和信息的利用率最高。”［5］该定律说明在舰船设计过程中，无论是系统和分系统的设计或舰船总体设计，其集成优化设计的目标应向着“五最高”趋近。

1.1 舰船集成优化设计的概念

在汉语百科词典中，对集成的解释是：“一些孤立的事物或元素通过某种方式集中在一起，产生联系，从而构成一个有机整体的过程。”由此，集成设计是一种思想和观念，它的本质是最优化的综合统筹设计，所要达到的目标是系统整体性能最优。集成设计不仅包含技术成分，而且还包含管理成分。

优化作为科学研究及工程技术等领域的重要研究工具，在舰船设计中的应用已非常成熟，如对设计参数进行分析和权衡，使舰船总体或系统方案满足或优于研制要求等，在此不再赘述。

对舰船而言，集成优化设计就是以提高舰船综合作战效能为目标，在保证舰船功能要求的前提下，通过运用系统工程思想及现代技术创新，将舰船分散的设施、功能和信息等集成到相互关联的、统一和协调的系统之中，并采用适当的方法、工具及准则对舰船系统进行综合分析和权衡，使全舰装备对舰船重量、空间、能源及信息等的利用率最高。

1.2 舰船集成优化设计的原则

舰船集成优化设计的对象是舰船总体综合性能，表征为优化装舰系统规模、合理规划总体布置、减少人员编制、提高舰船资源的利用率及降低舰船全寿期费用等。在水面舰船集成优化设计过程中应遵循的基本原则包括：

1）集成优化设计应以提升舰船的综合作战效能为出发点；任何情况下，集成优化设计不能降低舰船的综合作战效能。

2）舰船总体应加强顶层设计，合理规划和分解系统功能；舰船系统应优化系统结构，保证系统结构高度有序。

3）集成优化设计应确保提高系统整体性能，注重技术手段与非技术手段的综合应用。

4）集成优化设计过程中应处理好新技术应用与技术风险之间的关系，既要提高新技术在舰船系统中的集成力度，又要通过试验验证等方法化解相关技术风险。

5）应做好集成优化设计过程的协调、控制及监督和管理工作。

2 集成优化设计面临的问题

目前，我国舰船研制中的条块分割现象依然存在，舰船总体及系统设计中的集成优化力度不够，存在以下主要问题。

2.1 舰船总体顶层设计力度不够

根据舰船型号研制顶层设计的内涵［6］，目前，舰船总体没有体现出舰船“大系统”的概念及龙头作用，主要表现在：

1）缺乏全面的舰船资源统计、分析、规划及统筹；

2）缺乏对舰船系统功能定位、分配及耦合关系的综合考虑；

3）缺乏自上而下的对舰船系统、设备研制的牵引及监督机制。

上述顶层设计力度不足使舰船作战能力需求与舰船资源之间的矛盾更加突出。

2.2 舰船系统设计理念落后

目前，舰船系统设计先进性的理念更新不够，主要表现在：

1）系统内部及系统之间的功能统筹与集成力度低；

2）新材料、新工艺在舰船系统设计中的应用水平低；

3）系统的自动化、智能化、标准化及信息化程度低。

舰船系统设计理念的落后导致系统效率低、能耗大、台（柜）多，需要的操作人员多，进而影响舰船资源的合理配置。

3 舰船集成优化设计建议

针对舰船总体和系统在集成优化设计中存在的主要问题，提出了舰船总体和系统集成优化设计建议。

3.1 舰船总体集成优化设计建议

舰船总体设计包括能力集成、相互作用集成和空间集成［7］，应从做好型号总体顶层设计、落实总体设计优化工作及加强对总体和系统的监督管理等方面加强集成优化设计工作。

1）做好舰船总体顶层设计。

从舰船总体集成与优化设计角度，舰船总体顶层设计的主要内容包括：

（1）完成全舰集成体系结构规划。

舰船总体应从舰船具体使命任务分析出发，按照层次关系完成系统功能与性能、全舰系统集成、分系统集成直至具体设备的清理和分析，形成全舰集成体系结构规划，如图1 所示。

（2）开展系统功能分配及优化。

舰船总体应依据任务剖面、能量及信息传递、控制流程等分析结果进行系统功能的分配和优化，实现舰船总体性能指标，并使各组成系统对舰船资源的利用率最高。

图1 全舰集成体系结构图Fig.1 Naval ship integration architecture

（3）建立集成设计准则和约定。

舰船总体应从舰船分系统的集成设计保证系统的整体性能最优、系统的集成设计保证舰船总体的性能最优的原则和从分系统、系统、总体之间能量及信息传递的开放性、互联性、可靠性、高效率、经济性及标准化等方面建立集成设计准则和约定，来指导和规范总体及系统的集成设计工作。

（4）权衡和分解舰船研制指标。

舰船总体应对舰作战能力、可靠性、维修性、测试性、安全性、保障性及环境适应性等研制指标进行综合分析和权衡，并对相关指标按照重要程度、使用频率和技术成熟度等进行合理分解。

（5）权衡并决策舰船总体技术方案。

舰船总体应从舰船综合作战效能的内涵及影响因素出发，开展平台性能与作战性能之间的权衡以及平台和作战效能内部的权衡；设定决策准则，依照舰船综合作战效能最优的原则进行舰船总体技术方案的决策。

2）落实总体设计优化工作。

舰船总体在具体的型号总体设计过程中，应落实以下几方面的优化设计工作：

（1）舰船资源的统筹设计。

应分别从强化系统之间的统筹，优化系统之间的资源配置、促进系统内部统筹，优化系统内部资源配置及加强公共资源的统筹，做到舰船资源的充分利用等方面对舰船空间、排水量、能量及信息等资源进行统筹设计。

（2）主尺度与船型的优化设计。

应选取合理的主尺度，控制舰船排水量；开展船型及附体的权衡及优化设计，提高快速性及适航性；开展螺旋桨推进效率与螺旋桨噪声之间的权衡及优化设计；根据船型及附体优化设计结果，结合推进主机特性曲线、螺旋桨优化设计开展船-机-桨匹配优化工作，正确、合理地确定主机运行点，以追求动力运行的高效率、低油耗，减少运行成本［8-9］。

（3）总布置的集成优化设计。

应通过合理规划各类舱室布局，确保舱室之间的相互干扰最小；舱室空间的分配应确保在对舰船性能影响最小的前提下具有最大的使用效率；优化作业流程、缩短作业线路，减轻舰员劳动强度等方面开展总布置的集成优化设计。

（4）船体结构的优化设计。

通过开展直接计算及采用模型试验等手段优化各类板材及型材规格，减轻结构重量；合理选用结构材料，减小构架对舰船空间及重量的占用；优化船体结构振动设计，减小振动对工作及生活的影响等方面开展船体结构的优化设计。

（5）人员编制的优化配置。

通过优化舰员配置结构来整合战位、分析任务剖面，以兼顾战位、提高自动化和信息化程度并改变维修和保障策略以减少战位等措施来进行人员编制的优化配置。

3）加强对总体和系统的监督管理。

加强对舰船总体和系统集成优化设计的监督和管理可促进总体和系统最优方案的落实，保证舰船总体集成方案的最终实现，主要包括：

（1）对系统方案技术层面的监督管理。

从系统论证开始，从其装舰的必要性、设计原理、使用流程、集成优化方案等方面参与系统设备的研制，责成系统责任单位要强化系统的顶层设计，对系统提出合理控制设计裕度的具体要求，加强在系统研制全过程中监督执行的力度。

（2）对系统方案风险控制层面的监督管理。

对系统方案从技术、进度和经费等风险控制角度责成系统责任单位开展充分的仿真计算和试验验证，并进行技术先进性与风险控制的综合权衡和决策。

（3）对总体方案风险控制层面的监督管理。

对总体方案从技术的可实现性、计划和经费的可控性等方面进行分析和权衡，并按研制阶段开展研制周期内的技术、进度和经费风险识别、分析及控制活动。

3.2 舰船系统集成优化设计建议

舰船系统应从优化系统结构、提高“四化”（自动化、智能化、信息化及标准化）程度及提高系统效率等方面开展集成优化设计工作。

1）优化系统结构。

从建立系统集成体系结构开始，通过清理系统组成要素之间的相互关系，形成不同系统结构方案并进行比较和分析，最终实现系统结构的优化。具体包括：

（1）建立舰船系统集成体系结构。

与全舰集成体系结构类似，舰船系统责任单位应从系统的具体功能和性能分析出发，按照层次关系进行细致的系统组成分析和分解，直至具体的元、器件单元，建立系统集成体系结构。

（2）清理系统组成之间的相互作用关系。

应开展舰船系统组成元素之间空间位置、时间序列、能量与信息、指挥与控制等方面的相互作用关系清理，建立舰船系统组成元素相互作用影响关系图或表，以便于系统结构优化工作的开展。

（3）优化舰船系统结构。

通过对舰船系统内各组成元素相互作用关系的分析，进行舰船系统组成元素的各种组合并形成各种可行的系统结构方案，从提高空间及时间利用率、提高能量与信息传递效率、简化指挥与控制流程等方面对各种系统结构方案进行比较和分析，确定优化的舰船系统结构。

2）提高“四化”程度。

提高舰船系统的“四化”程度是实现系统设计先进性，减轻舰员劳动强度，减少操作战位的必要条件，具体包括：

（1）提高系统自动化、智能化程度。

应通过采取对舰船系统运行数字的监控，自动采集、整理、分析、评估并显示系统运行数据，自动调整系统运行工况或采取应对措施等方法提高系统的自动化程度；通过在舰船系统内集成辅助决策系统、专家系统或人工智能技术等手段提高系统的智能化程度。

（2）提高系统信息化程度。

应通过采用光纤通信技术、数字化网络技术、集成化数据管理系统等技术提高舰船系统的信息化程度，同时，应注重信息化技术在系统中的开放性及可扩展性，以提高系统的互联性及维护性能。

（3）提高系统标准化程度。

在舰船系统集成优化设计过程中，应注重提高技术框架、接口（能量及信息）、协议、硬件、界面等方面的标准化程度，以提高系统的通用性及可替换性。

3）提高系统效率。

舰船系统效率取决于组成系统元器件的功耗、系统规模、系统流程及系统所用材料等方面。因此，提高舰船系统效率应开展的主要工作包括：

（1）控制系统规模，优化系统流程。

应合理控制舰船系统的设计裕量，控制系统规模；研究系统硬件功能软件化实施的可行性，避免因系统功能的扩展而带来新的硬件；优化系统作业流程及系统内能量流和信息流的传递路线，以提高系统的整体效率。

（2）选用合适的材料和元器件。

应通过选用合适的材料和元器件，降低舰船系统组成要素的发热量，减少能源的消耗；通过对系统内设备外形的优化及轻质材料的选用等手段节省系统对空间和重量的占用等。

4 集成优化设计效果展望

舰船集成优化设计将带来设计理念、能力提升及经济性等方面的收益。

1）设计理念方面。

通过开展舰船集成优化设计，将促使舰船总体和系统设计人员转变设计理念，建立舰船总体和舰船系统整体性能最优的观念，并将集成优化设计作为对设计师的基本设计要求固化在舰船总体及系统设计工作中。

2）能力提升方面。

舰船总体与系统共同开展集成优化设计，将使舰船资源的配置更加合理，从而化解或减少作战能力需求与舰船资源现实性之间的矛盾。

对舰船组成系统功能及结构的集成优化，将提高舰船总体性能，如提高电磁兼容性、减小全舰RCS 等［10］。

通过精简设备，控制舰员编制，可使有限的舰船资源更好地服务于舰员生活，提高舰员生活保障水平。

3）经济性方面。

通过对舰船系统功能、性能及结构的优化，将会带来系统功能的高度融合、系统性能的显著提升及系统结构的高度有序，从而节省采购费用。

舰船总体及系统通过各自的优化设计，可提高舰船水动力性能，控制舰船排水量，从而有效减小舰船对燃油等的消耗，节省运行费用。

通过对全舰人力资源的统筹，优化舰员构成，有效控制全舰的人员编制，从而可节省舰船全寿期的费用［11］。

5 结 语

开展舰船集成优化设计是舰船设计的必然趋势。在舰船的研制过程中，舰船总体和系统责任单位携手共同推进舰船的集成优化设计工作，全面提高我国军用船舶在集成优化设计方面的广度和深度，必将共同开创先进舰船的新局面。

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