汪 浩，裴大茗，甘 霖，郝威巍，陳榮志，陳宜坤

（1．中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟研究院，北京 100081；2．武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430063；3. Singapore Technologies Marine Ltd. (ST Marine), Singapore, 999002；4．廣船國際有限公司，廣東 廣州 511462）

綜 述

美國艦船總體概念設(shè)計技術(shù)發(fā)展典型特點分析

汪 浩1，裴大茗1，甘 霖2，郝威巍1，陳榮志3，陳宜坤4

（1．中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟研究院，北京 100081；2．武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430063；3. Singapore Technologies Marine Ltd. (ST Marine), Singapore, 999002；4．廣船國際有限公司，廣東 廣州 511462）

對美國艦船概念設(shè)計技術(shù)近年來的發(fā)展趨勢進行分析，總結(jié)其發(fā)展過程中呈現(xiàn)出的3個典型特點。這3個典型特點分別為：基于模型的艦船系統(tǒng)工程成為概念設(shè)計發(fā)展的基礎(chǔ)；多學(xué)科融合成為艦船概念設(shè)計發(fā)展的潮流；面向體系化的系統(tǒng)集成成為艦船概念設(shè)計發(fā)展的目標(biāo)。針對這3個特點，給出具體的工程實例分析，并對美國艦船概念設(shè)計中存在的主要技術(shù)發(fā)展難點進行評述。

艦船概念設(shè)計技術(shù)；基于模型的系統(tǒng)工程；學(xué)科融合

0 引 言

近年來，隨著“空海一體戰(zhàn)”[1-2]戰(zhàn)略構(gòu)想向“全球公域介入與機動聯(lián)合[3-4]”戰(zhàn)略構(gòu)想演進，為應(yīng)對“反介入/區(qū)域拒止”帶來的軍事威脅，美國海軍著重強調(diào)從時間、空間、目的和資源等方面進行跨域縱深打擊，在天空-太空-海洋-陸地-網(wǎng)絡(luò)空間中采取跨域作戰(zhàn)行動，以摧毀對方的各種反介入/區(qū)域拒止能力，為己方的聯(lián)合部隊和聯(lián)盟部隊提供最大的作戰(zhàn)優(yōu)勢。該作戰(zhàn)需求給美國海軍新一代艦船的研制帶來諸多挑戰(zhàn)。為繼續(xù)保持全球主導(dǎo)地位，實現(xiàn)前沿存在、前沿部署和前沿作戰(zhàn)，美國海軍按照“武器系統(tǒng)原則”開發(fā)滿足新的作戰(zhàn)要求的海上作戰(zhàn)完整系統(tǒng)。2014年，美國海軍海上系統(tǒng)司令部（Naval Sea Systems Command，NAVSEA）在某研究報告中宣稱：“隨著更加復(fù)雜的國家安全環(huán)境，具有挑戰(zhàn)性、更加復(fù)雜的艦船設(shè)計制造計劃成為必須。”美國海軍不斷地在艦船新概念設(shè)計方面取得重要突破，整體呈現(xiàn)出“模型驅(qū)動、學(xué)科融合、系統(tǒng)集成”的特點，艦船裝備研制水平得到進一步提高，艦船總體作戰(zhàn)效能大幅度提升。對此，重點從上述3個角度分析總結(jié)美國艦船總體概念設(shè)計的一些規(guī)律性特征。

1 模型驅(qū)動成為艦船概念設(shè)計發(fā)展的基礎(chǔ)

1.1 美國海軍艦船設(shè)計“模型”概念內(nèi)涵發(fā)展

美國海軍艦船概念設(shè)計中“模型”的概念大致經(jīng)過3個發(fā)展階段，與美國海軍艦船的升級換代較為吻合，可概括為“一代設(shè)計模型、一代手段平臺、一代艦船裝備”[5]。

1) 第一階段為20世紀(jì)60年代之前，美國海軍艦船方案的論證是通過對候選概念設(shè)計方案進行一系列繁瑣、耗時的標(biāo)準(zhǔn)化計算程式完成的，效率低，無法在設(shè)計空間進行廣泛尋優(yōu)。

2) 第二階段為20世紀(jì)60年代初～80年代中期，伴隨著計算機技術(shù)和圖形交互技術(shù)的發(fā)展，美國海軍提出“Ship Synthesis Model”（艦船綜合模型）的概念[6]。該模型基于標(biāo)準(zhǔn)艦船設(shè)計模型數(shù)據(jù)庫（通過大量水池試驗和現(xiàn)役艦船的實測數(shù)據(jù)建立的）開展系列計算，能讓艦船設(shè)計人員根據(jù)自身經(jīng)驗和實際約束修改來反映不同的設(shè)計需求及標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計輸入，從而得到不同的設(shè)計結(jié)果，初步具備多方案探索研究和優(yōu)化設(shè)計的功能。基于艦船綜合模型的開發(fā)理念，形成CODESHIP等概念設(shè)計程序，并在“斯普魯恩斯”級驅(qū)逐艦上得到實踐應(yīng)用[7]。

3) 第三階段為20世紀(jì)80年代中期～21世紀(jì)初，艦船綜合模型隨著“阿利.伯克”級驅(qū)逐艦研制需求對艦船概念設(shè)計中模型的一致性、關(guān)聯(lián)特性要求的提高而產(chǎn)生；水面艦船作戰(zhàn)研究中心（Naval Surface Warfare Center，NSWC）在NAVSEA領(lǐng)導(dǎo)下，在綜合模型的基礎(chǔ)上，通過進一步拓展設(shè)計空間的約束集并增強適用性和預(yù)報程序的精度，對艦船綜合模型的內(nèi)涵進行不斷豐富完善[8-10]（見圖1）。

近年來，隨著“朱姆沃爾特”級驅(qū)逐艦等新型艦船的研制帶來系統(tǒng)更復(fù)雜、功能更全面及反應(yīng)更敏捷等方面的需求，暴露出美國在艦船概念設(shè)計過程中存在一些問題。按照美國造船工程學(xué)會（Society of Naval Architects and Marine Engineers，SNAME）和美國造船工程師學(xué)會（ASNE）船舶聯(lián)合設(shè)計委員會的觀點[11]，這些問題主要表現(xiàn)在：

1) 現(xiàn)有產(chǎn)品模型依然不能滿足概念設(shè)計部門（NAVSEA）與詳細設(shè)計部門（船廠）無縫傳遞；

2) 仍然缺少智能化的船舶總布置設(shè)計工具平臺；

3) 實踐設(shè)計經(jīng)驗表明，即使產(chǎn)品模型完善，設(shè)計師也無法精準(zhǔn)、實時掌握何時需要模型及選用何種方式的模型等。

著名艦船設(shè)計學(xué)者Robert在深入研究上述問題后認為要解決這些問題必須滿足：

1) 產(chǎn)品模型是整個設(shè)計環(huán)境的基礎(chǔ)；

2) 概念設(shè)計模型必須在詳細設(shè)計和實際生產(chǎn)中得到驗證；

3) 產(chǎn)品的復(fù)雜性、設(shè)計的一致性和建造的精度要在概念設(shè)計中得到強化等。

現(xiàn)有的艦船研制全流程對艦船產(chǎn)品模型的需求表現(xiàn)為一種外部推動的現(xiàn)象，但隨著艦船裝備系統(tǒng)的復(fù)雜程度和功能多樣性要求迅速提升，詳細設(shè)計和生產(chǎn)制造的實際需求向前端的概念設(shè)計階段延伸，基于模型的“內(nèi)部驅(qū)動”成為艦船產(chǎn)品研發(fā)的一個突出特點，且至少在艦船概念設(shè)計階段其表現(xiàn)愈發(fā)明顯。嚴(yán)格意義上看，基于模型的定義（Model Based Definition，MBD）最早源于波音公司[12-15]，美國機械工程師協(xié)會（American Society of Mechanical Engineers，ASME）于1997年在該公司的協(xié)助下開始進行有關(guān)MBD標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定工作，并于2003年形成ASME標(biāo)準(zhǔn)Y14.41“Digital Product Definition Data Practices”（數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)的實施）[16-18]，其核心思想是全三維基于特征的表述方法、基于文檔的過程驅(qū)動、融入知識工程、過程模擬和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

1.2 基于模型的艦船系統(tǒng)工程主要特點

在與基于模型的艦船系統(tǒng)工程（Model-Based Systems Engineering on Ship, MBSE on Ship）框架構(gòu)建有關(guān)的主要文獻[19-30]中，有標(biāo)志性的文獻為文獻[19]和文獻[20]。文獻[19]指出，傳統(tǒng)的美國海軍艦船設(shè)計過程的一個基本特點是基于某個“設(shè)計原點（Point Based Design，PBD）”的“設(shè)計螺旋曲線”（見圖2a），但隨著艦船系統(tǒng)的復(fù)雜性、功能多樣性和設(shè)計敏捷性程度不斷增加，美國海軍逐漸提倡在艦船總體設(shè)計（特別是概念設(shè)計）階段實行“基于集合的設(shè)計（Set Based Design，SBD）”。SBD能使設(shè)計細節(jié)的階段推遲，直至各種權(quán)衡因素機理被完全掌握。因此，SBD允許更多的設(shè)計精力與工作并行進行。換言之，每個設(shè)計空間內(nèi)設(shè)計決策點就不太可能被剔除。一旦設(shè)計空間收縮，通過更多的細節(jié)分析帶來知識量的增加將成為設(shè)計空間下一個決策點的約束。SBD的目標(biāo)是獲得全局的優(yōu)化設(shè)計方案，而不是局部的單一平衡設(shè)計，其過程見圖2。

因此，目前越來越多的艦船設(shè)計領(lǐng)域?qū)＜覍⒆⒁饬械较到y(tǒng)工程過程上，而非傳統(tǒng)的設(shè)計循環(huán)。當(dāng)前艦船系統(tǒng)的復(fù)雜性已使“艦船設(shè)計過程”轉(zhuǎn)換為“系統(tǒng)工程過程”，因此艦船設(shè)計工程師扮演著設(shè)計者與系統(tǒng)工程師的雙重角色。在實際設(shè)計過程中，由艦船設(shè)計向系統(tǒng)工程轉(zhuǎn)換極易丟失的就是對系統(tǒng)功能、物理特性及操作結(jié)構(gòu)的描述。艦船設(shè)計工程師通常沒有時間或很少有時間對整個艦船的系統(tǒng)工程過程中最為關(guān)鍵的部分（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）進行清晰定義和細致建模。在SBD的內(nèi)容中，較早地確定設(shè)計過程中的敏感變量和非敏感變量及發(fā)展良好的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對保持設(shè)計的不變性與柔性至關(guān)重要。

對于艦船總體設(shè)計的概念設(shè)計階段，MBD的技術(shù)特點表現(xiàn)為以下2個方面：

1) MBD模型反映艦船產(chǎn)品的物理特性和功能需求；

2) MBD模型能滿足制造應(yīng)用需求，可在艦船后續(xù)建造中直接應(yīng)用，設(shè)計信息和工藝信息融合一體化，真正實現(xiàn)面向艦船制造的設(shè)計。

上述分析表明，MBD的技術(shù)發(fā)展不是突發(fā)的，而是以美國海軍的“艦船綜合模型”為基礎(chǔ)，因此受到美國海軍的高度重視。MBD的上述技術(shù)特點極為適合艦船概念設(shè)計反復(fù)迭代、循環(huán)漸進的復(fù)雜特性，對解決艦船產(chǎn)品概念設(shè)計周期長、驗證符合性困難、系統(tǒng)間接口不明確及更改流程復(fù)雜耗時等問題有重要的基礎(chǔ)意義。在“朱姆沃爾特”級驅(qū)逐艦（DDG1000）的設(shè)計建造中，全面采用了“智能產(chǎn)品模型”系統(tǒng)工程（見圖3）?；诰C合產(chǎn)品數(shù)據(jù)環(huán)境，通過建立智能產(chǎn)品模型等虛擬產(chǎn)品模型并借助以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的產(chǎn)品和流程信息管理系統(tǒng)，將客戶、合作伙伴、供貨商及分包商等聯(lián)合起來進行協(xié)同產(chǎn)品的設(shè)計、開發(fā)、生產(chǎn)、測試和售后服務(wù)；同時，通過智能產(chǎn)品模型進行產(chǎn)品開發(fā)協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)共享，大幅度縮短設(shè)計周期。目前，美國海軍基于模型的艦船系統(tǒng)工程體系已基本成熟[31]。

2 學(xué)科融合成為艦船概念設(shè)計發(fā)展的潮流

艦船概念設(shè)計是典型的復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計，復(fù)雜程度要高于飛機等武器裝備2個量級以上。其基本特點是涉及多目標(biāo)、面臨多約束、關(guān)聯(lián)多學(xué)科，傳統(tǒng)的串行設(shè)計和部分并行設(shè)計難以徹底解決目標(biāo)、約束及學(xué)科之間的緊密耦合關(guān)系，極有可能失去概念設(shè)計最優(yōu)解。

NAVSEA認為，未來美國艦船設(shè)計工具的發(fā)展應(yīng)基于現(xiàn)有成就，同時增加的相應(yīng)功能可滿足未來需求。美國海軍先進的船舶及潛艇評估工具ASSET的集成數(shù)據(jù)環(huán)境采用先進的原型系統(tǒng)LEAPS并不斷對其進行開發(fā)完善就是為了滿足未來需求（見圖4）。ASSET由美國海軍水面作戰(zhàn)中心的Cardrock分部開發(fā)和構(gòu)建，截至2014年底，其已開發(fā)超過35a，目前涉及學(xué)科超過20個[32-38]。初步實踐結(jié)果表明，與傳統(tǒng)設(shè)計方式相比，該系統(tǒng)能在艦船概念初步設(shè)計階段提高設(shè)計效率達30%，提高設(shè)計精度10%以上。

以基于學(xué)科融合的艦船水動力設(shè)計平臺為例，美國海軍在開發(fā)該平臺時就頗具特色。美國海軍在對艦船水動力進行分析計算的過程中突出學(xué)科統(tǒng)和觀點，在不斷完善理論模型、試驗數(shù)據(jù)和數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，基于大量試驗數(shù)據(jù)和智能化驗證模型（S3D），可較好地實現(xiàn)基于學(xué)科融合的艦船水動力一體化分析研究。

在開發(fā)基于學(xué)科融合的艦船水動力設(shè)計平臺的過程中，美國海軍成立由美國國家工程院主持的CREATE Program/CREATESHIPS Project項目小組[39]，對艦船水動力融合設(shè)計平臺的進一步完善作出全面、系統(tǒng)的規(guī)劃。其將艦船水動力學(xué)科具體劃分為阻力與推進學(xué)科分析、耐波性與外載荷學(xué)科分析、操縱性學(xué)科分析、動態(tài)穩(wěn)性學(xué)科分析、破艙穩(wěn)性學(xué)科分析和螺旋槳特性分析等6個方面。整個美國海軍艦船水動力多學(xué)科融合優(yōu)化設(shè)計平臺見圖5。

CREATE Program/CREATE-SHIPS Project項目組認為，艦船水動力多學(xué)科融合設(shè)計平臺的核心是各學(xué)科的分析計算程序算法開發(fā)。以艦船耐波性程序計算的LAMP（Large-Amplitude Motion）程序為例，其通過采用滿足均勻來流自由面邊界條件的Green函數(shù)的奇異邊界元法，已能預(yù)報船舶大幅度運動、波浪載荷和結(jié)構(gòu)響應(yīng)。該程序目前已發(fā)展至LAMP 4.0版本，能實現(xiàn)三維大幅度運動的水動力、非線性恢復(fù)力和Froude-Krylov波浪力精確計算，美國國家工程院還制訂出艦船水動力發(fā)展路線圖，對2020年前的艦船水動力發(fā)展情況進行全面、清晰的描述（見圖6，其中各符號的含義見表1）。

表1 水動力融合集成平臺發(fā)展路線圖各符號的具體含義

3 系統(tǒng)集成成為艦船概念設(shè)計發(fā)展的目標(biāo)

3.1 設(shè)備-系統(tǒng)-平臺之間集成

作戰(zhàn)模式的轉(zhuǎn)變要求艦船概念設(shè)計不僅考慮艦船平臺本身的性能，更要綜合考慮艦載系統(tǒng)和設(shè)備的關(guān)鍵性能。按照“設(shè)備服從系統(tǒng)、系統(tǒng)服從總體、總體服從大局”的原則和科學(xué)的方法，應(yīng)用功能集成、信息集成、網(wǎng)絡(luò)集成和軟件集成等多種集成技術(shù)（即一體化系統(tǒng)集成技術(shù)），將各分離的系統(tǒng)設(shè)備、功能和信息等集成為相互關(guān)聯(lián)、統(tǒng)一、協(xié)調(diào)的有機整體。

上述總體系統(tǒng)集成設(shè)計理念的應(yīng)用在“朱姆沃爾特”級驅(qū)逐艦（DDG1000）的全艦計算環(huán)境（Total Ship Computing Environment, TSCE）技術(shù)中得到集中反映（見圖7）。TSCE是美國海軍艦船概念設(shè)計中正在發(fā)展的先進艦載系統(tǒng)集成模式。2014年8月，第7版TSCE成功通過戰(zhàn)備水平測試評審；2015年1月，第8版TSCE已完成83%。

3.2 人員-環(huán)境-設(shè)備-系統(tǒng)-平臺集成

現(xiàn)代艦船是一個典型、龐大、復(fù)雜的人員-環(huán)境-設(shè)備-系統(tǒng)-平臺系統(tǒng)[40]，隨著艦船裝備的發(fā)展，艦船系統(tǒng)或設(shè)備越來越先進、越來越復(fù)雜，對人員-設(shè)備-系統(tǒng)-平臺的集成要求也就越來越高[41-42]。在多變的海洋環(huán)境下執(zhí)行各種任務(wù)，任何一個流程都可能出現(xiàn)問題，即使是艦船設(shè)計經(jīng)驗較為豐富的美國，至今也無法確保絕對安全，大小事故時有發(fā)生。2008年，美國對已服役7a的“黃蜂”級兩棲攻擊艦“硫磺島”號進行人因工程評估，提出多達356項影響工作效率和安全的隱患（見圖8）。

美國審計署在分析大量艦船及艦員的服役統(tǒng)計資料之后認為，人力費用在整個艦船全生命周期費用中所占的比例最大。美國蘭德公司曾對如何提高航母艦員的工作效率、減少艦員配置和降低航母維護費用等問題進行深入的調(diào)查研究，提出多項改進措施，包括充分利用先進信息和自動化系統(tǒng)、合并部分航母值班崗位、優(yōu)化航母艙室布局及改進航母彈藥和物資的轉(zhuǎn)運流程等。美國海軍早在20世紀(jì)60年代就已批準(zhǔn)《美國海軍艦船環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn)》和《軍用系統(tǒng)、裝備和設(shè)施的人體工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，其在新一代“福特”級航母（CVN78）的研制過程中高度重視人-機-環(huán)境系統(tǒng)，始終強化以“人-機-環(huán)境”集成設(shè)計為核心的“智能航母”理念，在編艦員大幅度減少，有效負載進一步提高。

4 結(jié) 語

綜合分析美國海軍艦船概念設(shè)計技術(shù)近年來的發(fā)展可知，以模型驅(qū)動為基礎(chǔ)，遵循學(xué)科融合特性，實現(xiàn)系統(tǒng)集成目標(biāo)是其顯著特色。這表明，只有裝備體系規(guī)劃與艦船平臺優(yōu)化有機結(jié)合，艦艇有限資源與裝備體系能力均衡提升，才能使海軍體系作戰(zhàn)效能最大化。其給我國艦船概念設(shè)計的啟示主要有：

1) 面向時域全壽期、空域全系統(tǒng)、管理全維度，大力推進基于模型的艦船系統(tǒng)工程建設(shè)。MBD技術(shù)體系將為艦船研制帶來管理上和效率上的提升，成為新型號研制的主流。

2) 凸顯艦船總體多學(xué)科融合特性，建立完善的艦船總體多學(xué)科融合優(yōu)化設(shè)計平臺。實踐證明，艦船概念設(shè)計技術(shù)的重大突破和重大創(chuàng)新成果大多是多學(xué)科交叉、融合和匯聚的結(jié)果。因此，應(yīng)強化艦船概念設(shè)計多學(xué)科融合，在新興、邊緣及交叉學(xué)科提出新方法、發(fā)展新理論，構(gòu)建艦船總體多學(xué)科融合優(yōu)化設(shè)計平臺，提升一體化綜合設(shè)計能力。

3) 明確艦艇平臺的使命、任務(wù)和定位，按照全艦一體化頂層設(shè)計要求進行系統(tǒng)集成。應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)集成設(shè)計要求，在集成環(huán)境模式的基礎(chǔ)上貫徹通用化、模塊化、數(shù)字化和智能化研制思路，具備可擴充性、可裁減性和可升級性，滿足不同艦艇平臺的作戰(zhàn)任務(wù)需求，形成一體化分布式服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)作戰(zhàn)空間戰(zhàn)役和戰(zhàn)術(shù)信息的共享感知，提升海上裝備力量體系的整體作戰(zhàn)效能。

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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

國防技術(shù)基礎(chǔ)科研項目（JSQB2014206A002）；國防基礎(chǔ)科研項目（JCKY2016206C003）

汪浩，男，高級國防科技研究員，博士，1984年生。2013年畢業(yè)于華中科技大學(xué)船舶與海洋工程專業(yè)，現(xiàn)從事艦船數(shù)字化設(shè)計、先進設(shè)計技術(shù)情報和生命力評估技術(shù)等方面的研究。