舰船总体多方案生成及优选流程

吴凤辉，李景熹，周沙亚，何庆林

(1.中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064;2.海军装备部舰船办公室，北京 100071）

舰船总体多方案生成及优选流程

吴凤辉1，李景熹2，周沙亚1，何庆林1

(1.中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064;2.海军装备部舰船办公室，北京 100071）

总体多方案研究是保证舰船总体方案合理性的重要途径。针对影响舰船总体方案形成的关键设计要素，通过要素穷举组合方式形成总体多方案框架，并基于设计要素对总体主要设计特性进行估算。以舱容、重量等总体资源的供需平衡，以及航速等强设计约束指标的实现作为衡准，筛选出具备合理性的总体多方案。构建总体方案效能评价指标体系，结合全寿命周期费用估算，以“效－费比”作为评价衡准，优选出适当数量的总体方案。

舰船;总体设计;多方案;生成;优选;评估

0 引言

总体多方案研究是舰船概念方案的重要实现途径。在此过程中，通过提出多个总体方案，再结合多方案的比较和优选来保证最终总体方案的合理性和先进性［1－2］。

在舰船传统设计工作中，若开展多方案研究，一般由设计团队竞争或设计师思维发散提出一定数量的总体方案，再通过各设计方案的人为模糊比较实现方案的优选。然而，传统总体多方案工作思路存在以下问题:

1）总体多方案的提出主要通过设计师的思维发散来实现，缺少系统性的流程保障，难以保证所提出总体多方案的全面性;

2）总体多方案的提出主要依靠经验，一般未从总体资源等角度进行合理性和可行性分析，因此难以保证所提出方案的合理性;

3）总体多方案优选一般通过人为判断，未进行量化评估，因此难以保障总体方案的先进性。

为解决前述问题，舰船总体多方案研究逐渐开始注重通过系统性的流程保障所提出总体方案的全面性、合理性，以及最终方案的先进性，本文对舰船概念方案研究阶段的多方案生成及优选流程进行总结论述，可作为后续舰船总体多方案研究的借鉴和参考，以通过系统性的流程保障总体方案更为合理、形成过程更为清晰。

1 总体多方案生成及优选的基本思路

总体多方案研究的主要目的是全面生成多个合理总体方案，再通过评估，优选出适当数量“效－费比”相对较高的总体方案，作为后续深入研究的基础。

舰船总体多方案生成及优选的基本思路如下(见图 1）［3］:

1）梳理出影响总体方案形成的关键影响要素，并依要素特点进行分类;

2）明确输入型设计要素范围，再通过输入型设计要素穷举组合方式形成总体多方案框架，并进一步估算输出型设计要素;

3）以舱容、重量等总体资源的供需平衡，以及航速等强设计约束指标的实现作为衡准，筛选出具备合理性的总体多方案;

图1 总体多方案生成及优选基本思路图Fig.1 The way to produce and selectmany design projects

4）构建效能评价指标体系，分配权重，对总体多方案的综合效能进行评估;

5）估算舰的全寿命周期费用，以“效－费比”作为衡准，优选出适当数量的总体方案。

2 设计要素的选取和分类

根据舰船总体概念方案研究阶段的特点，梳理出影响总体方案生成的关键设计要素，并根据总体多方案生成过程中各设计要素的特点和输入输出关系，对总体各设计要素分类如下:

1）输入型设计要素。具体包括顶层设计要素、作战保障要素和系统配置要素。顶层设计要素是舰船总体设计过程中最根本的输入和要求，一般包含排水量，而对于航母而言，载机量亦应作为顶层设计要素;作战保障要素是舰船持续作战保障能力的重要体现，一般可包括作战保障时间、自给力、续航力等;系统配置要素直接影响舰上推进、供电等功能的实现，一般可包括主机配置、电站配置等。

2）输出型设计要素。具体包括中间设计要素、资源评价要素和强设计约束指标要素。中间设计要素受其他要素影响，同时影响其他设计要素。中间设计要素主要指主尺度和人员编制2项;资源评价要素是舰船总体设计的基础，舰总体方案成立的基本前提是总体资源的“供需平衡”，因此是总体方案合理性的基本评价指标。资源评价要素主要指舱容、重量2项;强设计约束指标要素一般作为舰船研制的重要指标，例如航速。

3 总体多方案框架的形成

对于总体多方案生成过程中的输入型设计要素，具体包括顶层输入、作战保障、系统配置类设计要素，根据军方需求和国内工业基础，分析确定各设计要素的范围。

例如:对于排水量设计要素。假定某舰船排水量期望不低于W万吨，不高于W+1万吨。根据排水量的规模，选取合适的排水量跨度，暂定2 000 t为间隔，则排水量变量范围为W，W+0.2，W+0.4，W+0.6，W+0.8，W+1万吨共6组，总体多方案研究过程中以此6组方案为基础进行分析论证。

针对前述3类输入型设计要素，在其变量范围内对各要素进行“穷举”组合，形成由输入型设计要素构成的总体多方案框架，并以此为基础，估算各类输出型设计要素。

总体多方案框架的数量为各要素所对应变量的乘积。例如:12个输入型设计要素中，若其中5个要素对应2组变量，4个要素对应3组变量，剩余3个要素对应1组变量，则可形成总体多方案框架数量如下:

4 总体多方案合理性筛选

前述过程中，对总体方案输入型设计要素进行组合，并基于输入型设计要素估算各输出型设计要素，形成以设计要素为基础构成的“合理”和“不合理”总体多方案。

前述过程中的总体多方案因含有不合理方案，因此需要通过合理性筛选去除不合理方案，以形成具备合理性的总体多方案。总体方案的合理性主要从舱容、重量等总体资源的供需平衡、航速等强设计约束指标的实现两方面进行评价和筛选。

对于总体资源的供需平衡，可以资源储备值进行衡量。例如，假定方案论证阶段容积和重量储备不低于5%具备研究价值，则可以此作为门限合理条件。

对于强设计约束指标－航速，一般根据作战使用要求确定。例如，若作战使用要求规定舰的航速不小于25 kn，则可以此作为门限合理条件。

以全部满足前述门限条件为合理性评价衡准，针对总体多方案进行合理性筛选，可形成基本具备合理性的总体多方案。

5 总体多方案效能评估

5.1 评价指标体系的建立

根据舰船概念方案研究阶段的特点，梳理总体及系统关键特性的评估目标和影响因素，通过评价指标集的综合权衡，建立舰船总体方案效能评价指标体系。

舰船总体方案效能评价指标体系以能力为导向，将舰船综合效能划分为攻击能力、生存能力、机动部署能力、发展改装能力和使用保障能力5大核心能力。

1）攻击能力。主要指攻击敌方目标的能力。对于舰船可进一步以指控、探测等能力进行展开和细化。

2）生存能力。主要指在敌方威胁环境下生存的能力，主要包括:避免被敌方发现的能力、在敌方发现后避免受到攻击的能力、以及在受到攻击情况下生存或保持作战的能力等。对于舰船，其可进一步以隐蔽、防御作战、损害管制、救生等能力进行展开和细化。

3）机动部署能力。主要指舰快速安全抵达特定海域并进行部署的能力。对于舰船，其可进一步以快速航行、耐风浪、自给力等能力进行展开和细化。

4）发展改装能力。主要指舰在研制及服役过程中适应改换装、实现新功能或增强原有功能的能力，主要以舰的各项设计裕度来体现。对于舰船，其可进一步以重量重心高、舰内空间、电能等裕度进行展开和细化［4－5］。

5）使用保障能力。主要指舰在使用过程中正常运行和生活的能力。对于舰船，其可进一步以能量保障、生活保障、通信保障等能力进行展开和细化。

根据不同研究阶段特点和深度，舰船效能评价指标可根据实际进行取舍。例如，对于航母概念方案阶段的总体多方案研究，受限于研究深度，可视情只选取表1中指标进行评估。

表1 效能评价体系表Tab.1 The system of efficiency evaluation

5.2 指标权重分配和度量

在明确评价指标体系后，进一步权衡确定各项指标对总体方案的贡献度，即权重Ω。指标权重结合层次分析以及专家打分等方式确定［6－7］。

效能评价指标可分为6级，具体为0级、1级、2级、3级、4级、5级，分别对应的度量值为－100分、1分、2分、3分、4分、5分。前述效能评价指标分级中，5级表示合理范围的上限，1级表示合理范围的下限，0级表示超出合理范围下限。

效能评价指标分级和度量值所对应的度量区间根据舰船特点、作战使用要求等进行确定。

例如:对于表1中的自给力天数评价指标，其各分级、度量区间和度量值可确定为:

自给力天数度量区间为Z以下，视作不合理方案，为0级，度量值记作－100分;

5.3 综合效能的计算

对于舰船总体多方案的综合效能，可通过效能度量指标的权重和度量值综合计算得到。

例如:选择表1中的自给力天数和空间储备百分数作为综合效能评价指标，则由自给力天数和空间储备百分数所构成评价体系的综合效能计算公式为:

式中:Ω33为自给力天数指标的权重;V33为自给力天数指标的度量值;Ω42为空间储备百分数指标的权重;V33为空间储备百分数指标的度量值。

5.4 总体多方案优选

在舰船概念方案研究阶段，全寿期费用一般参考母型，以排水量为基础进行估算［8］。

利用总体方案综合效能和全寿期费用的估算结果，得到效能－费用评价指数，以此为衡准对总体多方案进行“效－费比”的评估、排序，并根据排序结果，结合人工判断优选出适当数量的总体方案。

式中:K为效能－费用评价指数;O为总体方案综合效能;M为全寿期费用。

6 结语

本文针对舰船概念方案研究阶段的特点，对总体多方案生成和优选流程进行论述，以通过系统性的流程保障总体方案更为合理、形成过程更为清晰。

本文所述总体多方案生成及优选流程主要包括设计要素选取、多方案框架形成、合理方案筛选、综合效能评估和多方案优选等过程。依照前述流程，可在预定范围内提出多个具备合理性的舰船总体多方案，再以“效－费比”作为评价指标，优选出适当数量的总体方案，作为后续深入研究的基础。

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The process to produce and selectmany general design projects of warship

WU Feng-hui1，LIJing-xi2，ZHOU Sha-ya1，HE Qing-lin1
(1.China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China;2.Ship Office，Navy Armament Department of PLAN，Beijing 10071，China）

The research to produce and select many general design projects is an important way，which is to ensure the rationality of general design project.For important factors to produce general design projects ofwarship，combine design factors to producemany design projects ofwarship.Calculate the design characteristic base on design factors.Use supply and demand balance of cubage and weight，and strong restriction such as speed of ship as the standard to select some design projects in reason and realization.found the efficiency evaluation system of general design projects of warship，combine the calculation of expenses for overall life，use the ratio of efficiency and expense as the standard to select some excellent design projects ofwarship.

warship;general design project;produce;select;evaluation

U662.2

A

1672－7649(2014）05－0015－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.004

2013－10－21;

2013－11－04

吴凤辉(1979－），男，工程师，研究方向为舰船总体。