美国舰船总体概念设计技术发展典型特点分析

汪 浩，裴大茗，甘 霖，郝威巍，陈荣志，陈宜坤

（1．中国船舶工业综合技术经济研究院，北京 100081；2．武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430063；3. Singapore Technologies Marine Ltd. (ST Marine), Singapore, 999002；4．广船国际有限公司，广东 广州 511462）

综 述

美国舰船总体概念设计技术发展典型特点分析

汪 浩1，裴大茗1，甘 霖2，郝威巍1，陈荣志3，陈宜坤4

（1．中国船舶工业综合技术经济研究院，北京 100081；2．武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430063；3. Singapore Technologies Marine Ltd. (ST Marine), Singapore, 999002；4．广船国际有限公司，广东 广州 511462）

对美国舰船概念设计技术近年来的发展趋势进行分析，总结其发展过程中呈现出的3个典型特点。这3个典型特点分别为：基于模型的舰船系统工程成为概念设计发展的基础；多学科融合成为舰船概念设计发展的潮流；面向体系化的系统集成成为舰船概念设计发展的目标。针对这3个特点，给出具体的工程实例分析，并对美国舰船概念设计中存在的主要技术发展难点进行评述。

舰船概念设计技术；基于模型的系统工程；学科融合

0 引 言

近年来，随着“空海一体战”[1-2]战略构想向“全球公域介入与机动联合[3-4]”战略构想演进，为应对“反介入/区域拒止”带来的军事威胁，美国海军着重强调从时间、空间、目的和资源等方面进行跨域纵深打击，在天空-太空-海洋-陆地-网络空间中采取跨域作战行动，以摧毁对方的各种反介入/区域拒止能力，为己方的联合部队和联盟部队提供最大的作战优势。该作战需求给美国海军新一代舰船的研制带来诸多挑战。为继续保持全球主导地位，实现前沿存在、前沿部署和前沿作战，美国海军按照“武器系统原则”开发满足新的作战要求的海上作战完整系统。2014年，美国海军海上系统司令部（Naval Sea Systems Command，NAVSEA）在某研究报告中宣称：“随着更加复杂的国家安全环境，具有挑战性、更加复杂的舰船设计制造计划成为必须。”美国海军不断地在舰船新概念设计方面取得重要突破，整体呈现出“模型驱动、学科融合、系统集成”的特点，舰船装备研制水平得到进一步提高，舰船总体作战效能大幅度提升。对此，重点从上述3个角度分析总结美国舰船总体概念设计的一些规律性特征。

1 模型驱动成为舰船概念设计发展的基础

1.1 美国海军舰船设计“模型”概念内涵发展

美国海军舰船概念设计中“模型”的概念大致经过3个发展阶段，与美国海军舰船的升级换代较为吻合，可概括为“一代设计模型、一代手段平台、一代舰船装备”[5]。

1) 第一阶段为20世纪60年代之前，美国海军舰船方案的论证是通过对候选概念设计方案进行一系列繁琐、耗时的标准化计算程式完成的，效率低，无法在设计空间进行广泛寻优。

2) 第二阶段为20世纪60年代初～80年代中期，伴随着计算机技术和图形交互技术的发展，美国海军提出“Ship Synthesis Model”（舰船综合模型）的概念[6]。该模型基于标准舰船设计模型数据库（通过大量水池试验和现役舰船的实测数据建立的）开展系列计算，能让舰船设计人员根据自身经验和实际约束修改来反映不同的设计需求及标准的设计输入，从而得到不同的设计结果，初步具备多方案探索研究和优化设计的功能。基于舰船综合模型的开发理念，形成CODESHIP等概念设计程序，并在“斯普鲁恩斯”级驱逐舰上得到实践应用[7]。

3) 第三阶段为20世纪80年代中期～21世纪初，舰船综合模型随着“阿利.伯克”级驱逐舰研制需求对舰船概念设计中模型的一致性、关联特性要求的提高而产生；水面舰船作战研究中心（Naval Surface Warfare Center，NSWC）在NAVSEA领导下，在综合模型的基础上，通过进一步拓展设计空间的约束集并增强适用性和预报程序的精度，对舰船综合模型的内涵进行不断丰富完善[8-10]（见图1）。

近年来，随着“朱姆沃尔特”级驱逐舰等新型舰船的研制带来系统更复杂、功能更全面及反应更敏捷等方面的需求，暴露出美国在舰船概念设计过程中存在一些问题。按照美国造船工程学会（Society of Naval Architects and Marine Engineers，SNAME）和美国造船工程师学会（ASNE）船舶联合设计委员会的观点[11]，这些问题主要表现在：

1) 现有产品模型依然不能满足概念设计部门（NAVSEA）与详细设计部门（船厂）无缝传递；

2) 仍然缺少智能化的船舶总布置设计工具平台；

3) 实践设计经验表明，即使产品模型完善，设计师也无法精准、实时掌握何时需要模型及选用何种方式的模型等。

著名舰船设计学者Robert在深入研究上述问题后认为要解决这些问题必须满足：

1) 产品模型是整个设计环境的基础；

2) 概念设计模型必须在详细设计和实际生产中得到验证；

3) 产品的复杂性、设计的一致性和建造的精度要在概念设计中得到强化等。

现有的舰船研制全流程对舰船产品模型的需求表现为一种外部推动的现象，但随着舰船装备系统的复杂程度和功能多样性要求迅速提升，详细设计和生产制造的实际需求向前端的概念设计阶段延伸，基于模型的“内部驱动”成为舰船产品研发的一个突出特点，且至少在舰船概念设计阶段其表现愈发明显。严格意义上看，基于模型的定义（Model Based Definition，MBD）最早源于波音公司[12-15]，美国机械工程师协会（American Society of Mechanical Engineers，ASME）于1997年在该公司的协助下开始进行有关MBD标准的研究和制定工作，并于2003年形成ASME标准Y14.41“Digital Product Definition Data Practices”（数字化产品定义数据的实施）[16-18]，其核心思想是全三维基于特征的表述方法、基于文档的过程驱动、融入知识工程、过程模拟和产品标准规范。

1.2 基于模型的舰船系统工程主要特点

在与基于模型的舰船系统工程（Model-Based Systems Engineering on Ship, MBSE on Ship）框架构建有关的主要文献[19-30]中，有标志性的文献为文献[19]和文献[20]。文献[19]指出，传统的美国海军舰船设计过程的一个基本特点是基于某个“设计原点（Point Based Design，PBD）”的“设计螺旋曲线”（见图2a），但随着舰船系统的复杂性、功能多样性和设计敏捷性程度不断增加，美国海军逐渐提倡在舰船总体设计（特别是概念设计）阶段实行“基于集合的设计（Set Based Design，SBD）”。SBD能使设计细节的阶段推迟，直至各种权衡因素机理被完全掌握。因此，SBD允许更多的设计精力与工作并行进行。换言之，每个设计空间内设计决策点就不太可能被剔除。一旦设计空间收缩，通过更多的细节分析带来知识量的增加将成为设计空间下一个决策点的约束。SBD的目标是获得全局的优化设计方案，而不是局部的单一平衡设计，其过程见图2。

因此，目前越来越多的舰船设计领域专家将注意力集中到系统工程过程上，而非传统的设计循环。当前舰船系统的复杂性已使“舰船设计过程”转换为“系统工程过程”，因此舰船设计工程师扮演着设计者与系统工程师的双重角色。在实际设计过程中，由舰船设计向系统工程转换极易丢失的就是对系统功能、物理特性及操作结构的描述。舰船设计工程师通常没有时间或很少有时间对整个舰船的系统工程过程中最为关键的部分（系统结构）进行清晰定义和细致建模。在SBD的内容中，较早地确定设计过程中的敏感变量和非敏感变量及发展良好的系统结构对保持设计的不变性与柔性至关重要。

对于舰船总体设计的概念设计阶段，MBD的技术特点表现为以下2个方面：

1) MBD模型反映舰船产品的物理特性和功能需求；

2) MBD模型能满足制造应用需求，可在舰船后续建造中直接应用，设计信息和工艺信息融合一体化，真正实现面向舰船制造的设计。

上述分析表明，MBD的技术发展不是突发的，而是以美国海军的“舰船综合模型”为基础，因此受到美国海军的高度重视。MBD的上述技术特点极为适合舰船概念设计反复迭代、循环渐进的复杂特性，对解决舰船产品概念设计周期长、验证符合性困难、系统间接口不明确及更改流程复杂耗时等问题有重要的基础意义。在“朱姆沃尔特”级驱逐舰（DDG1000）的设计建造中，全面采用了“智能产品模型”系统工程（见图3）。基于综合产品数据环境，通过建立智能产品模型等虚拟产品模型并借助以互联网为基础的产品和流程信息管理系统，将客户、合作伙伴、供货商及分包商等联合起来进行协同产品的设计、开发、生产、测试和售后服务；同时，通过智能产品模型进行产品开发协调和数据共享，大幅度缩短设计周期。目前，美国海军基于模型的舰船系统工程体系已基本成熟[31]。

2 学科融合成为舰船概念设计发展的潮流

舰船概念设计是典型的复杂系统设计，复杂程度要高于飞机等武器装备2个量级以上。其基本特点是涉及多目标、面临多约束、关联多学科，传统的串行设计和部分并行设计难以彻底解决目标、约束及学科之间的紧密耦合关系，极有可能失去概念设计最优解。

NAVSEA认为，未来美国舰船设计工具的发展应基于现有成就，同时增加的相应功能可满足未来需求。美国海军先进的船舶及潜艇评估工具ASSET的集成数据环境采用先进的原型系统LEAPS并不断对其进行开发完善就是为了满足未来需求（见图4）。ASSET由美国海军水面作战中心的Cardrock分部开发和构建，截至2014年底，其已开发超过35a，目前涉及学科超过20个[32-38]。初步实践结果表明，与传统设计方式相比，该系统能在舰船概念初步设计阶段提高设计效率达30%，提高设计精度10%以上。

以基于学科融合的舰船水动力设计平台为例，美国海军在开发该平台时就颇具特色。美国海军在对舰船水动力进行分析计算的过程中突出学科统和观点，在不断完善理论模型、试验数据和数值分析的基础上，基于大量试验数据和智能化验证模型（S3D），可较好地实现基于学科融合的舰船水动力一体化分析研究。

在开发基于学科融合的舰船水动力设计平台的过程中，美国海军成立由美国国家工程院主持的CREATE Program/CREATESHIPS Project项目小组[39]，对舰船水动力融合设计平台的进一步完善作出全面、系统的规划。其将舰船水动力学科具体划分为阻力与推进学科分析、耐波性与外载荷学科分析、操纵性学科分析、动态稳性学科分析、破舱稳性学科分析和螺旋桨特性分析等6个方面。整个美国海军舰船水动力多学科融合优化设计平台见图5。

CREATE Program/CREATE-SHIPS Project项目组认为，舰船水动力多学科融合设计平台的核心是各学科的分析计算程序算法开发。以舰船耐波性程序计算的LAMP（Large-Amplitude Motion）程序为例，其通过采用满足均匀来流自由面边界条件的Green函数的奇异边界元法，已能预报船舶大幅度运动、波浪载荷和结构响应。该程序目前已发展至LAMP 4.0版本，能实现三维大幅度运动的水动力、非线性恢复力和Froude-Krylov波浪力精确计算，美国国家工程院还制订出舰船水动力发展路线图，对2020年前的舰船水动力发展情况进行全面、清晰的描述（见图6，其中各符号的含义见表1）。

表1 水动力融合集成平台发展路线图各符号的具体含义

3 系统集成成为舰船概念设计发展的目标

3.1 设备-系统-平台之间集成

作战模式的转变要求舰船概念设计不仅考虑舰船平台本身的性能，更要综合考虑舰载系统和设备的关键性能。按照“设备服从系统、系统服从总体、总体服从大局”的原则和科学的方法，应用功能集成、信息集成、网络集成和软件集成等多种集成技术（即一体化系统集成技术），将各分离的系统设备、功能和信息等集成为相互关联、统一、协调的有机整体。

上述总体系统集成设计理念的应用在“朱姆沃尔特”级驱逐舰（DDG1000）的全舰计算环境（Total Ship Computing Environment, TSCE）技术中得到集中反映（见图7）。TSCE是美国海军舰船概念设计中正在发展的先进舰载系统集成模式。2014年8月，第7版TSCE成功通过战备水平测试评审；2015年1月，第8版TSCE已完成83%。

3.2 人员-环境-设备-系统-平台集成

现代舰船是一个典型、庞大、复杂的人员-环境-设备-系统-平台系统[40]，随着舰船装备的发展，舰船系统或设备越来越先进、越来越复杂，对人员-设备-系统-平台的集成要求也就越来越高[41-42]。在多变的海洋环境下执行各种任务，任何一个流程都可能出现问题，即使是舰船设计经验较为丰富的美国，至今也无法确保绝对安全，大小事故时有发生。2008年，美国对已服役7a的“黄蜂”级两栖攻击舰“硫磺岛”号进行人因工程评估，提出多达356项影响工作效率和安全的隐患（见图8）。

美国审计署在分析大量舰船及舰员的服役统计资料之后认为，人力费用在整个舰船全生命周期费用中所占的比例最大。美国兰德公司曾对如何提高航母舰员的工作效率、减少舰员配置和降低航母维护费用等问题进行深入的调查研究，提出多项改进措施，包括充分利用先进信息和自动化系统、合并部分航母值班岗位、优化航母舱室布局及改进航母弹药和物资的转运流程等。美国海军早在20世纪60年代就已批准《美国海军舰船环境控制标准》和《军用系统、装备和设施的人体工程设计标准》，其在新一代“福特”级航母（CVN78）的研制过程中高度重视人-机-环境系统，始终强化以“人-机-环境”集成设计为核心的“智能航母”理念，在编舰员大幅度减少，有效负载进一步提高。

4 结 语

综合分析美国海军舰船概念设计技术近年来的发展可知，以模型驱动为基础，遵循学科融合特性，实现系统集成目标是其显著特色。这表明，只有装备体系规划与舰船平台优化有机结合，舰艇有限资源与装备体系能力均衡提升，才能使海军体系作战效能最大化。其给我国舰船概念设计的启示主要有：

1) 面向时域全寿期、空域全系统、管理全维度，大力推进基于模型的舰船系统工程建设。MBD技术体系将为舰船研制带来管理上和效率上的提升，成为新型号研制的主流。

2) 凸显舰船总体多学科融合特性，建立完善的舰船总体多学科融合优化设计平台。实践证明，舰船概念设计技术的重大突破和重大创新成果大多是多学科交叉、融合和汇聚的结果。因此，应强化舰船概念设计多学科融合，在新兴、边缘及交叉学科提出新方法、发展新理论，构建舰船总体多学科融合优化设计平台，提升一体化综合设计能力。

3) 明确舰艇平台的使命、任务和定位，按照全舰一体化顶层设计要求进行系统集成。应根据系统集成设计要求，在集成环境模式的基础上贯彻通用化、模块化、数字化和智能化研制思路，具备可扩充性、可裁减性和可升级性，满足不同舰艇平台的作战任务需求，形成一体化分布式服务网络，实现作战空间战役和战术信息的共享感知，提升海上装备力量体系的整体作战效能。

[1] TOL J V, GUNZINGER M, KREPINEVICH A, et al. Airsea battle: A point-of-departure operational concept[R]. Washington,DC: Center for Strategic and Budgetary Assessments, 2010.

[2] ETZIONI A. Who authorized preparations for war with China? [J]. Yale Journal of International Affairs, 2013, 8(1): 1-15.

[3] GOLDFEIN D. Document: Air sea battle name change memo[D/OL]. Washington, DC: U.S. Naval Institute, 2015.https://news.usni.org/2015/01/20/document-air-sea-battle-name-change-memo.

[4] SAM L. Pentagon drops air sea battle name, concept lives on [D/OL]. Washington, DC: U.S. Naval Institute, 2015.https://news.usni.org/2015/01/20/pentagon-drops-air-sea-battle-name-concept-live.

[5] THOMAS L, ALAN B. Dynamics of naval ship design: A systems approach[J]. Naval Engineers Journal, 1999, 111 (2): 307-324.[6] REED M R. Ship synthesis model for naval surface ships[D]. Cambridge, Massachusetts: Massachusetts Institute of Technology, 1976.

[7] BROWN A J, THOMAS M. Reengineering the naval ship concept design process[C]. Sheraton Premiere at Tysons: ASNE,From Research to Reality in Ship Systems Engineering Symposium, 1998: 1-13.

[8] SHAHAK S. Naval ship concept design: an evolutionary approach[D]. Cambridge, Massachusetts: Massachusetts Institute of Technology, 1998.

[9] THOMAS M. A pareto frontier for full stern submarines via genetic algorithm[D]. Cambridge, Massachusetts: Massachusetts Institute of Technology, 1998.

[10] KRAMER R. Virtual notational ship simulation supporting SC-21 design[C]. Arlington: Modeling, Simulation and Virtual Prototyping Conference, ASNE, 1996: 2-15.

[11] ROBERT G K. Naval engineering S&T needs from perspective of ship designers in strategic plan [C]. Arlington: Joint SNAME-ASNE Ship Design Committee. What Direction Should Ship Design Take? The Need for a Strategic Plan March 5,2007: 1-40.

[12] VIRGILIO Q, LOUIS R, ROBERT P, et al. Will model-based definition replace engineering drawings throughout the product lifecycle? A global perspective from aerospace industry[J]. Computers in Industry, 2010, 61(5): 497-508.

[13] ZHANG D, LU J Z, WANG L, et al. Research of model-based aeroengine control system design structure and workflow [J].Procedia Engineering, 2015, 99(1): 788-794.

[14] GIACOMO B, CESAR F, ROBERTO B. A model-based design methodology for the development of mechatronic systems [J].Mechatronics, 2014, 24 (6): 833-843.

[15] MCGINNIS L. Model-Based systems engineering for design-to-production transition [R]. Washington, DC: Global Product Data Interoperability Summit, 2014.

[16] American Society of Mechanical Engineers. Digital Product Definition Data Practices: ASME Y14.41—2012[S]. 2012.

[17] International Organization for Standardization. Technical product documentation - Digital product definition data practices: BS ISO 16792[S]. 2006.

[18] United States Department Of Defense. Model Based Enterprise: MIL-STD-31000A[S]. 2008.

[19] TEPPER N A. Exploring the use of Model-Based Systems Engineering (MBSE) to develop systems architectures in naval ship design[D]. Cambridge, Massachusetts: Massachusetts Institute of Technology, 2010.

[20] KEMS C M. Naval ship design and synthesis model architecture using a model-based systems engineering approach[D].Blacksburg, Virginia: Virginia Polytechnic Institute and State University, 2011.

[21] KERNS C, BROWN A J, WOODWARD D. Application of a DoDAF total-ship system architecture in building a design reference mission for assessing naval ship operational effectiveness[C]. Arlington: ASNE Global Deterrence and Defense Symposium, 2011.

[22] KEMS C, BROWN A J, WOODWARD D. Application of a DoDAF total-ship system architecture in building naval ship operational effectiveness models[C]. Arlington: MAST, 2011.

[23] NETI S N. Ship design optimization using ASSET[D]. Blacksburg, Virginia: Virginia Polytechnic Institute and State University, 2011.

[24] STEPANCHICK J B, BROWN A J. Revisiting DDGX/DDG-51 Concept Exploration [C]. Arlington: ASNE, 2006.

[25] GUNASEKARAN M K. Component-based application development using a Mixed-Language Programming (MLP)approach[D]. Blacksburg, Virginia: Virginia Polytechnic Institute and State University, 2003

[26] STROCK J, BROWN A J. Methods for naval ship concept and propulsion system technology exploration in a CGX case study[J]. Naval Engineers Journal, 2008, 120 (4): 95-122.

[27] STEPANCHICK J, BROWN A J. Revisiting DDGX/DDG-51 concept exploration [J]. Naval Engineers Journal, 2007,119 (3):67-88.

[28] WINYALL D, EDWARDS J, BROWN A J. 3D hull form modeling to support naval ship design synthesis and multi-objective optimization [C]. Arlington: International Ship Design Conference, 2012: 1-20.

[29] SCOFIED T, BROWN A J. Manning and automation model for naval ship analysis and optimization[C]. Arlington: ASNE Human Systems Integration Symposium, Annapolis MD, 2007: 1-27.

[30] BROWN A J, THOMAS M. Reengineering the naval ship concept design process[C]. Arlington: From Research to Reality in Ship Systems Engineering Symposium, ASNE, 2000.

[31] COHORT M. Application of model based systems engineering methods to development of combat system architectures[D].Arlington: Naval Postgraduate School, 2009.

[32] DOERRY C N, FIREMAN H. Designing all electric ships[C]. Ann Arbor: Proceedings of the Ninth International Marine Design Conference, 2006: 1-25.

[33] THOMAS J. Design space exploration and optimization using modern ship design tools[D]. Cambridge, Massachusetts:Massachusetts Institute of Technology, 2014.

[34] Naval Sea Systems Command. Naval engineering in the 21st Century: the science and technology foundation for future naval fleets Committee on Naval Engineering in the 21st Century [R]. Washington, DC: NAVSEA , 2010.

[35] Naval Surface Warfare Center. ASSET user manual (Version-5.0) [R]. Carderock: David Taylor Model Basin, 1990.

[36] 邵开文，张骏. 总体者，集大成也[J]. 中国舰船研究，2008, 3 (1): 1-4.

[37] 熊治国，胡玉龙. 美国舰船概念方案设计方法发展综述[J]. 中国舰船研究，2015, 10 (4): 7-15.

[38] 朱英富，熊治国，胡玉龙. 航空母舰发展的思考[J]. 中国舰船研究，2016, 11 (1): 1-7.

[39] HURWITZ M. Plans and status of the CREATE-SHIPS project: enabling required naval warship performance throughout the acquisition lifecycle[R]. NDIA Systems Engineering Modeling and Simulation Committee, 2011.

[40] 胡诚程，马晓平，张 磊. 船舶并行设计集成开发团队组织模式[J]. 船舶与海洋工程，2015, 31 (2): 74-78.

[41] 程庆和，龚成刚. 基于全三维数字样船的船舶产品信息集成应用研究[J]. 船舶与海洋工程，2015, 31 (2): 68-73.

[42] 李沛田，靳长勇. 基于BOM的船体生产设计数据管理技术研究[J]. 船舶与海洋工程，2016, 32 (4): 72-77.

An Analysis on the General Concept Design Technology of the U.S. Naval Ship

WANG Hao1，PEI Da-ming1，GAN Lin2，HAO Wei-wei1，CHEN Rong-zhi3，CHEN Yi-kun4

（1. China Institute of Marine Technology & Economics, Beijing 100081, China;2. Wuhan Secondary Ship Design Institute, Wuhan 430063, China;3. Singapore Technologies Marine Ltd. (ST Marine), Singapore 999002, Singapore;4. Guangzhou Shipyard International Co., Ltd., Guangzhou 511462, China)

This paper analyzes the development trend of U.S. naval ship concept design technology developed in recent years and points out three typical features in the development process, i.e. model-based ship system engineering has become the basis of concept design; multi-disciplinary cooperation has become the trend of naval ship concept design;and system oriented integration has become the object of naval ship concept design. Based on these features, this paper shows some examples in the engineering practices and gives comments on the difficult points of the major technology of naval ship concept design.

concept design technology of naval ship; model-based system engineering; multi-disciplinary cooperation

U674.702

A

2095-4069 (2017) 05-0001-08

10.14056/j.cnki.naoe.2017.05.001

2016-11-10

国防技术基础科研项目（JSQB2014206A002）；国防基础科研项目（JCKY2016206C003）

汪浩，男，高级国防科技研究员，博士，1984年生。2013年毕业于华中科技大学船舶与海洋工程专业，现从事舰船数字化设计、先进设计技术情报和生命力评估技术等方面的研究。