吳鳳輝，李景熹，周沙亞，何慶林

(1.中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢 430064;2.海軍裝備部艦船辦公室，北京 100071）

艦船總體多方案生成及優(yōu)選流程

吳鳳輝1，李景熹2，周沙亞1，何慶林1

(1.中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢 430064;2.海軍裝備部艦船辦公室，北京 100071）

總體多方案研究是保證艦船總體方案合理性的重要途徑。針對影響艦船總體方案形成的關(guān)鍵設(shè)計要素，通過要素窮舉組合方式形成總體多方案框架，并基于設(shè)計要素對總體主要設(shè)計特性進(jìn)行估算。以艙容、重量等總體資源的供需平衡，以及航速等強(qiáng)設(shè)計約束指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)作為衡準(zhǔn)，篩選出具備合理性的總體多方案。構(gòu)建總體方案效能評價指標(biāo)體系，結(jié)合全壽命周期費(fèi)用估算，以“效－費(fèi)比”作為評價衡準(zhǔn)，優(yōu)選出適當(dāng)數(shù)量的總體方案。

艦船;總體設(shè)計;多方案;生成;優(yōu)選;評估

0 引言

總體多方案研究是艦船概念方案的重要實(shí)現(xiàn)途徑。在此過程中，通過提出多個總體方案，再結(jié)合多方案的比較和優(yōu)選來保證最終總體方案的合理性和先進(jìn)性［1－2］。

在艦船傳統(tǒng)設(shè)計工作中，若開展多方案研究，一般由設(shè)計團(tuán)隊競爭或設(shè)計師思維發(fā)散提出一定數(shù)量的總體方案，再通過各設(shè)計方案的人為模糊比較實(shí)現(xiàn)方案的優(yōu)選。然而，傳統(tǒng)總體多方案工作思路存在以下問題:

1）總體多方案的提出主要通過設(shè)計師的思維發(fā)散來實(shí)現(xiàn)，缺少系統(tǒng)性的流程保障，難以保證所提出總體多方案的全面性;

2）總體多方案的提出主要依靠經(jīng)驗(yàn)，一般未從總體資源等角度進(jìn)行合理性和可行性分析，因此難以保證所提出方案的合理性;

3）總體多方案優(yōu)選一般通過人為判斷，未進(jìn)行量化評估，因此難以保障總體方案的先進(jìn)性。

為解決前述問題，艦船總體多方案研究逐漸開始注重通過系統(tǒng)性的流程保障所提出總體方案的全面性、合理性，以及最終方案的先進(jìn)性，本文對艦船概念方案研究階段的多方案生成及優(yōu)選流程進(jìn)行總結(jié)論述，可作為后續(xù)艦船總體多方案研究的借鑒和參考，以通過系統(tǒng)性的流程保障總體方案更為合理、形成過程更為清晰。

1 總體多方案生成及優(yōu)選的基本思路

總體多方案研究的主要目的是全面生成多個合理總體方案，再通過評估，優(yōu)選出適當(dāng)數(shù)量“效－費(fèi)比”相對較高的總體方案，作為后續(xù)深入研究的基礎(chǔ)。

艦船總體多方案生成及優(yōu)選的基本思路如下(見圖 1）［3］:

1）梳理出影響總體方案形成的關(guān)鍵影響要素，并依要素特點(diǎn)進(jìn)行分類;

2）明確輸入型設(shè)計要素范圍，再通過輸入型設(shè)計要素窮舉組合方式形成總體多方案框架，并進(jìn)一步估算輸出型設(shè)計要素;

3）以艙容、重量等總體資源的供需平衡，以及航速等強(qiáng)設(shè)計約束指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)作為衡準(zhǔn)，篩選出具備合理性的總體多方案;

圖1 總體多方案生成及優(yōu)選基本思路圖Fig.1 The way to produce and selectmany design projects

4）構(gòu)建效能評價指標(biāo)體系，分配權(quán)重，對總體多方案的綜合效能進(jìn)行評估;

5）估算艦的全壽命周期費(fèi)用，以“效－費(fèi)比”作為衡準(zhǔn)，優(yōu)選出適當(dāng)數(shù)量的總體方案。

2 設(shè)計要素的選取和分類

根據(jù)艦船總體概念方案研究階段的特點(diǎn)，梳理出影響總體方案生成的關(guān)鍵設(shè)計要素，并根據(jù)總體多方案生成過程中各設(shè)計要素的特點(diǎn)和輸入輸出關(guān)系，對總體各設(shè)計要素分類如下:

1）輸入型設(shè)計要素。具體包括頂層設(shè)計要素、作戰(zhàn)保障要素和系統(tǒng)配置要素。頂層設(shè)計要素是艦船總體設(shè)計過程中最根本的輸入和要求，一般包含排水量，而對于航母而言，載機(jī)量亦應(yīng)作為頂層設(shè)計要素;作戰(zhàn)保障要素是艦船持續(xù)作戰(zhàn)保障能力的重要體現(xiàn)，一般可包括作戰(zhàn)保障時間、自給力、續(xù)航力等;系統(tǒng)配置要素直接影響艦上推進(jìn)、供電等功能的實(shí)現(xiàn)，一般可包括主機(jī)配置、電站配置等。

2）輸出型設(shè)計要素。具體包括中間設(shè)計要素、資源評價要素和強(qiáng)設(shè)計約束指標(biāo)要素。中間設(shè)計要素受其他要素影響，同時影響其他設(shè)計要素。中間設(shè)計要素主要指主尺度和人員編制2項;資源評價要素是艦船總體設(shè)計的基礎(chǔ)，艦總體方案成立的基本前提是總體資源的“供需平衡”，因此是總體方案合理性的基本評價指標(biāo)。資源評價要素主要指艙容、重量2項;強(qiáng)設(shè)計約束指標(biāo)要素一般作為艦船研制的重要指標(biāo)，例如航速。

3 總體多方案框架的形成

對于總體多方案生成過程中的輸入型設(shè)計要素，具體包括頂層輸入、作戰(zhàn)保障、系統(tǒng)配置類設(shè)計要素，根據(jù)軍方需求和國內(nèi)工業(yè)基礎(chǔ)，分析確定各設(shè)計要素的范圍。

例如:對于排水量設(shè)計要素。假定某艦船排水量期望不低于W萬噸，不高于W+1萬噸。根據(jù)排水量的規(guī)模，選取合適的排水量跨度，暫定2 000 t為間隔，則排水量變量范圍為W，W+0.2，W+0.4，W+0.6，W+0.8，W+1萬噸共6組，總體多方案研究過程中以此6組方案為基礎(chǔ)進(jìn)行分析論證。

針對前述3類輸入型設(shè)計要素，在其變量范圍內(nèi)對各要素進(jìn)行“窮舉”組合，形成由輸入型設(shè)計要素構(gòu)成的總體多方案框架，并以此為基礎(chǔ)，估算各類輸出型設(shè)計要素。

總體多方案框架的數(shù)量為各要素所對應(yīng)變量的乘積。例如:12個輸入型設(shè)計要素中，若其中5個要素對應(yīng)2組變量，4個要素對應(yīng)3組變量，剩余3個要素對應(yīng)1組變量，則可形成總體多方案框架數(shù)量如下:

4 總體多方案合理性篩選

前述過程中，對總體方案輸入型設(shè)計要素進(jìn)行組合，并基于輸入型設(shè)計要素估算各輸出型設(shè)計要素，形成以設(shè)計要素為基礎(chǔ)構(gòu)成的“合理”和“不合理”總體多方案。

前述過程中的總體多方案因含有不合理方案，因此需要通過合理性篩選去除不合理方案，以形成具備合理性的總體多方案。總體方案的合理性主要從艙容、重量等總體資源的供需平衡、航速等強(qiáng)設(shè)計約束指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)兩方面進(jìn)行評價和篩選。

對于總體資源的供需平衡，可以資源儲備值進(jìn)行衡量。例如，假定方案論證階段容積和重量儲備不低于5%具備研究價值，則可以此作為門限合理條件。

對于強(qiáng)設(shè)計約束指標(biāo)－航速，一般根據(jù)作戰(zhàn)使用要求確定。例如，若作戰(zhàn)使用要求規(guī)定艦的航速不小于25 kn，則可以此作為門限合理條件。

以全部滿足前述門限條件為合理性評價衡準(zhǔn)，針對總體多方案進(jìn)行合理性篩選，可形成基本具備合理性的總體多方案。

5 總體多方案效能評估

5.1 評價指標(biāo)體系的建立

根據(jù)艦船概念方案研究階段的特點(diǎn)，梳理總體及系統(tǒng)關(guān)鍵特性的評估目標(biāo)和影響因素，通過評價指標(biāo)集的綜合權(quán)衡，建立艦船總體方案效能評價指標(biāo)體系。

艦船總體方案效能評價指標(biāo)體系以能力為導(dǎo)向，將艦船綜合效能劃分為攻擊能力、生存能力、機(jī)動部署能力、發(fā)展改裝能力和使用保障能力5大核心能力。

1）攻擊能力。主要指攻擊敵方目標(biāo)的能力。對于艦船可進(jìn)一步以指控、探測等能力進(jìn)行展開和細(xì)化。

2）生存能力。主要指在敵方威脅環(huán)境下生存的能力，主要包括:避免被敵方發(fā)現(xiàn)的能力、在敵方發(fā)現(xiàn)后避免受到攻擊的能力、以及在受到攻擊情況下生存或保持作戰(zhàn)的能力等。對于艦船，其可進(jìn)一步以隱蔽、防御作戰(zhàn)、損害管制、救生等能力進(jìn)行展開和細(xì)化。

3）機(jī)動部署能力。主要指艦快速安全抵達(dá)特定海域并進(jìn)行部署的能力。對于艦船，其可進(jìn)一步以快速航行、耐風(fēng)浪、自給力等能力進(jìn)行展開和細(xì)化。

4）發(fā)展改裝能力。主要指艦在研制及服役過程中適應(yīng)改換裝、實(shí)現(xiàn)新功能或增強(qiáng)原有功能的能力，主要以艦的各項設(shè)計裕度來體現(xiàn)。對于艦船，其可進(jìn)一步以重量重心高、艦內(nèi)空間、電能等裕度進(jìn)行展開和細(xì)化［4－5］。

5）使用保障能力。主要指艦在使用過程中正常運(yùn)行和生活的能力。對于艦船，其可進(jìn)一步以能量保障、生活保障、通信保障等能力進(jìn)行展開和細(xì)化。

根據(jù)不同研究階段特點(diǎn)和深度，艦船效能評價指標(biāo)可根據(jù)實(shí)際進(jìn)行取舍。例如，對于航母概念方案階段的總體多方案研究，受限于研究深度，可視情只選取表1中指標(biāo)進(jìn)行評估。

表1 效能評價體系表Tab.1 The system of efficiency evaluation

5.2 指標(biāo)權(quán)重分配和度量

在明確評價指標(biāo)體系后，進(jìn)一步權(quán)衡確定各項指標(biāo)對總體方案的貢獻(xiàn)度，即權(quán)重Ω。指標(biāo)權(quán)重結(jié)合層次分析以及專家打分等方式確定［6－7］。

效能評價指標(biāo)可分為6級，具體為0級、1級、2級、3級、4級、5級，分別對應(yīng)的度量值為－100分、1分、2分、3分、4分、5分。前述效能評價指標(biāo)分級中，5級表示合理范圍的上限，1級表示合理范圍的下限，0級表示超出合理范圍下限。

效能評價指標(biāo)分級和度量值所對應(yīng)的度量區(qū)間根據(jù)艦船特點(diǎn)、作戰(zhàn)使用要求等進(jìn)行確定。

例如:對于表1中的自給力天數(shù)評價指標(biāo)，其各分級、度量區(qū)間和度量值可確定為:

自給力天數(shù)度量區(qū)間為Z以下，視作不合理方案，為0級，度量值記作－100分;

5.3 綜合效能的計算

對于艦船總體多方案的綜合效能，可通過效能度量指標(biāo)的權(quán)重和度量值綜合計算得到。

例如:選擇表1中的自給力天數(shù)和空間儲備百分?jǐn)?shù)作為綜合效能評價指標(biāo)，則由自給力天數(shù)和空間儲備百分?jǐn)?shù)所構(gòu)成評價體系的綜合效能計算公式為:

式中:Ω33為自給力天數(shù)指標(biāo)的權(quán)重;V33為自給力天數(shù)指標(biāo)的度量值;Ω42為空間儲備百分?jǐn)?shù)指標(biāo)的權(quán)重;V33為空間儲備百分?jǐn)?shù)指標(biāo)的度量值。

5.4 總體多方案優(yōu)選

在艦船概念方案研究階段，全壽期費(fèi)用一般參考母型，以排水量為基礎(chǔ)進(jìn)行估算［8］。

利用總體方案綜合效能和全壽期費(fèi)用的估算結(jié)果，得到效能－費(fèi)用評價指數(shù)，以此為衡準(zhǔn)對總體多方案進(jìn)行“效－費(fèi)比”的評估、排序，并根據(jù)排序結(jié)果，結(jié)合人工判斷優(yōu)選出適當(dāng)數(shù)量的總體方案。

式中:K為效能－費(fèi)用評價指數(shù);O為總體方案綜合效能;M為全壽期費(fèi)用。

6 結(jié)語

本文針對艦船概念方案研究階段的特點(diǎn)，對總體多方案生成和優(yōu)選流程進(jìn)行論述，以通過系統(tǒng)性的流程保障總體方案更為合理、形成過程更為清晰。

本文所述總體多方案生成及優(yōu)選流程主要包括設(shè)計要素選取、多方案框架形成、合理方案篩選、綜合效能評估和多方案優(yōu)選等過程。依照前述流程，可在預(yù)定范圍內(nèi)提出多個具備合理性的艦船總體多方案，再以“效－費(fèi)比”作為評價指標(biāo)，優(yōu)選出適當(dāng)數(shù)量的總體方案，作為后續(xù)深入研究的基礎(chǔ)。

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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

吳鳳輝(1979－），男，工程師，研究方向?yàn)榕灤傮w。