基于属性细分的舰船中远场水下爆炸预报/评价体系初步设计与实现

刘国振，汪俊，徐玉崇，袁茂才，王海坤，裴度

（1.中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082；2.中船重工奥蓝托无锡软件技术有限公司，江苏 无锡 214082）

长期以来，我国科研人员在舰船抗爆抗冲击性能研究中，除广泛应用国外商业工具软件外，还建立了大量具有自主知识产权的数理模型和求解算法，初步形成了水下爆炸预报和评估体系[1-8]。然而这些模型和算法，通常存放在个人电脑或只在本单位使用，这些自编程序尚未形成真正意义上的软件，缺乏模型和算法验证、适用范围规定、入口设置规定、软件工程化封装等，真正形成推广应用或标准的很少。对于这些自编程序，由于使用者知识经验的不同，其结果会出现“因人因事”的巨大差异，结果稳定性不高，需要行业专家进行综合评估与分析，造成人力和资源的巨大浪费，也不利于知识经验的流动与传承，从而影响了其总体作用的发挥，难以形成体系化的抗爆抗冲击体性能研发模式。因此，需要针对自主研制算法和模型进行软件化、标准化、自主化，解决“因人因事”的差异，并与物理试验深度融合。在此基础上，基于属性细分原则，形成应用体系和流程，已成为船舶抗爆抗冲击研究工作的迫切要求。

赵峰等[9]、栾恩杰等[10]在船舶总体性能研发过程中，提出了基于流程的系统模型和学科级技术模型的缺失是当前面临的最大瓶颈，并针对基于数值模拟和数据知识化的2 类虚拟应用APP 的开发，以及创建以APP 为节点的舰船总体性能研发虚拟应用流程体系，进行了分析和讨论。韦喜忠等[11]、童卫东[12]针对船舶总体性能预报APP 软件在应用域、数学模型以及参数设置等环节专业知识密集、逻辑复杂导致需求不明确、难以有效监控等特点，参考GJB 5000A《军用软件能力成熟度模型》的核心思想和内容，提出了针对APP 软件研发的应用方案，用于指导研制过程的精准化管控，从而为提升船舶总体性能预报软件质量和研制能力等提供参考。

为此，本文针对现有水下爆炸算法研究中存在的算法杂乱无序、规范性差、结果“因人因事”、体系化显性表达不足等问题，以中远场水下爆炸预报与评价流程设计为目标，按照知识封装，属性细分的原则，首先进行流程体系架构。在此基础上，针对每一个细分属性，采用由“程序到软件”的思路，开展专家策略研究，在模型选择、参数设置、前后处理等方面集成专家知识，封装设计、系统测试和验证，形成细分属性APP，最后根据架构设计方案，开展各APP 间数据交换和需求分析，进行流程化设计，最终形成中远场水下爆炸设计流程。

1 基于属性细分的APP 的设计与开发

在水下爆炸领域，国内已经在基础理论、数理模型、数值算法、应用技术等方面积累了丰厚的成果[13-17]，这些成果的固化将对装备技术的创新和能力的整体提升起到巨大的推动作用，其中APP 是成果固化的重要形式。APP，即整个分析过程和这些“专家知识”融合形成独立的应用软件，是按照“属性细分”的原则，基于数值模拟或数据挖掘方法，在学科属性、应用对象、计算精度等方面进行细分，在模型选择、参数设置、前后处理等方面封装专家知识，在当前科学认识水平下最大程度地解决计算结果“因人因事”差异。使用这些经过“知识封装”的APP 软件，不但可以大幅提高应用的鲁棒性和可靠性，还可以降低使用门槛，为有效推动抗爆抗冲击性能研发模式的变革创造可能。

1.1 基于GJB 5000A 的APP 开发方案

水下爆炸APP 的研发，与以往的软件/程序相比，最大不同点是把原来依赖于个人能力的预报分析过程中的知识“封装”进来，即要明确应用域、数学模型以及相应的条件域（参数设置）等3 个核心环节的相关内容，以此来提高最终的鲁棒性和可靠性。此外，从事船舶爆炸性能预报软件研发的人员，其主要工作往往以力学性能基础研究为主，软件工程化基础相对薄弱，造成软件研制流程不明确，需求分析不充分，测试不够全面。因此，在APP 开发中，引入按照软件开发过程标准GJB 5000A，采用5 阶段生命周期划分（APP 需求整理与策划、软件需求分析、软件设计与实现、软件合格性测试、APP 需求确认与验收交付）打造水下爆炸APP 是合适的。基于GJB 5000A 的水下爆炸APP 开发方案如图1 所示。

1.2 APP 线上测试与应用完善

针对上述APP，按GJB 5000A 开发完毕，尚不能满足要求，还需开展上线APP 的测试，方可以形成成熟可用的APP。针对上线APP 开展线上测试工作，主要包括功能测试和接口测试，具体每个APP不同，然后在上述测试工作基础上，开展APP 的界面“高级感”、帮助文件补充等应用完善。应用测试主要为结合科室承担的相关课题，并通过推广相关科研院所进行使用，组织科研人员测试APP 的可用性，以及计算精度和可靠性等，达到工程实用程度。然后在应用测试基础上，开展APP 完善工作，如图2 所示。一方面，针对功能、接口上的漏洞进行修订，对参数取值范围、输入输出控制、程序格式进一步完善；另一方面，针对性能测试中计算结果与试验结果的偏差，挖掘内在原因，调整APP 核心程序，提高计算的准确性、稳定性和界面友好性。经上述测试检验后，更新APP 相关内容，形成成熟APP。

图2 APP 线上测试与应用完善流程Fig.2 APP online testing and application improvement process

1.3 典型APP 设计案例

由于基于属性细分原则，中远场水下爆炸预报/评价流程包含较多APP，受篇幅限制，本文以中远场水下爆炸下总强度APP 为例，简要说明开发过程和实现效果。

中远场水下爆炸下总强度APP 基于Vernon 水动力载荷与结构动力学理论开发[18-20]，适用于预报水下爆炸下水面船舶的总体低频鞭状动响应和船舶冲击总纵弯矩。其中，基于Vernon 的水下爆炸气泡载荷模型采用势流理论来描述气泡膨胀和收缩引起的流体运动，船体梁采用具有剪切和转动惯量的铁木辛柯梁描述。该开发采用Fortran 语言实现，封装了多个专家经验知识，输入参数由原来的24 个变为18 个，缩减了25%，实现符合设计人员操作理念的参数输入、计算以及后处理设置，大大简化了设计人员的操作难度。该APP 开发形成的前后界面展示如图3 所示。

图3 前后界面设计Fig.3 Design of front and rear interfaces

APP 开发的测试按照自开发、自测试、他验证的原则，除了进行软件功能和性能自测试外，还开展了应用测试，主要为课题应用测试和推广相关科研院所进行试用，反馈问题和建议。该APP 开展的典型缩尺模型典型应用测试如图4—6 所示。测试模型如图4 所示，模型主要由8 个独立的舱段通过7 个薄壁圆管连接而成，其中各段薄壁圆管通过与强力舱壁焊接构成一个整体，模拟船体梁的弯曲刚度。爆炸试验工况共计3 个，见表1。模型水下爆炸试验在爆炸水池开展，测点为应变测点，布置在圆管壁上，共布置5个测点。通过测量圆管壁上的应变，经过换算标定可得到模型截面弯矩。通过水下爆炸下总纵强度模型试验（如图5 所示）获取3 个工况的数据3 组，每组5个。计算与试验弯矩曲线比较如图6 所示，可以看到试验与计算弯矩吻合良好。

表1 水下爆炸试验工况Tab.1 Uderwater explosion test conditions

图4 试验模型的三维剖视图Fig.4 3D cross-sectional view of the experimental model

图5 水下爆炸试验Fig.5 Underwater explosion test

图6 典型计算与试验弯矩曲线Fig.6 Bending moment curve of typical calculations and experiments

2 中远场水下爆炸性能预报流程

中远场水下爆炸是舰船遭受的一种典型场景，在该场景下，舰船会遭受冲击波和气泡载荷的联合作用，通常会引起舰船结构的局部损伤和总体损伤，并对舰内设备和人员造成冲击损伤和破坏。在该场景中，总体设计所通常需要开展一系列舰船抗爆抗冲击性能的预报和评价，并在此基础上进行综合权衡，制定技术指标。有些性能预报为了达到精度合理预报结果的目标，通常会组织2～3 家单位进行同时预报，主要归因于方法的可靠性、精度和适用范围限制等因素。为此，在属性细分的APP 基础上，开展中远场水下爆炸性能预报与评价流程设计成为重要解决途径。

2.1 设计框架

针对中远场水下爆炸性能预报与评价体系，主要为弱冲击载荷下的舰船结构、设备、人员冲击损伤分析，需要的预报/评价APP 主要有中远场爆炸载荷APP、结构总体/局部强度预报APP、冲击环境预报APP、设备/人员/管路/轴系等抗冲击性能预报APP，以及基于以上预报结果开展的舰船易损性评价APP。其整体设计框架如图7 所示。

图7 中远场水下爆炸预报/评价体系设计框架Fig.7 Design framework of mid and far field underwater explosion prediction/evaluation system

2.2 初步实现

针对上述流程设计框架，考虑到基于属性细分的APP 开发实际情况，本文给出的中远场水下爆炸下抗爆评价流程主要由基于半经验半理论公式的中远场水下爆炸载荷预报APP、基于DAA 的冲击环境预报APP、基于Vernon 气泡动力学的总强度预报APP、基于板架分级理论的局部强度预报APP、基于DDAM的设备抗冲击分析APP、基于缓冲系统传递特性理论的舰船设备用缓冲元件快速选型APP、基于非线性集总参数人体模型的人员抗冲击APP 以及基于模糊随机理论的易损性评价APP 等组成。各APP 间接口以文件形式提供，即前一个APP 为后一个APP 以文件格式提供所需的输入数据。整个APP 的流程实现是在数值船海集成开发及应用环境软件AppStudio 中进行的。设计流程如图8 所示，在数值船海AppStudio平台上的流程实现如图9 所示。

图8 中远场水下爆炸流程设计Fig.8 Process design of mid and far field underwater explosion

图9 基于数值船海AppStudio 的中远场水下爆炸流程实现Fig.9 Implementation of mid and far field underwater explosion process based on numerical ship AppStudio

3 结语

本文针对我国水下爆炸自主研制算法和模型开发现状，从“知识封装、属性细分”的角度，针对中远场水下爆炸性能预报/评价算法开展系统梳理和细分功能开发，形成了中远场水下爆炸性能预报/评价APP 集。在此基础上，基于数值船海AppStudio 平台，形成了中远场水下爆炸性能预报流程，为我国后续舰船抗爆抗冲击体系化开发提出了一个新的思路，也为总体所开展抗爆抗冲击设计提供了APP 集和流程化评估方案。

由于水下爆炸的强非线性特性以及舰船抗爆抗冲击涵盖范围广，作用机理复杂多样，致使其抗爆抗冲击评估性能评估需求多样，现有APP 开发和流程设计只是针对中远场水下爆炸性能评估做了一些尝试，尚难以满足水下爆炸舰船抗爆抗冲击性能分析的总体需求。为此，在后续研究中，需要以拓展基于属性细分的APP 集和体系化流程设计为主要目标，集合国内优势单位联合攻关，以打造生态圈的模式推进我国舰船抗爆抗冲击APP 开发和预报评价体系实现。