总体者,集大成也

1 “总体”是什么？

舟船的历史几乎同人类的历史一样久远，蒸汽机的发明谱写了现代舰船的篇章，相应地舰船设计也成为经典成熟的技术门类。

舰船行业习惯将舰船划分为“船、机、电”三大专业。为了强化总体在舰船设计中的地位，将船型、航行性能和总布置独立于“船”之外称为“总体”，就有了“总、船、机、电”的划分，它是特殊历史条件下的特殊产物，而我们沿用这样的分类已有约半个世纪的历史。在这种分类中，舰船“总体设计”包括几何特性、重量和容积量度、舰船与水相互作用性能(浮性、稳性、不沉性、快速性、耐波性、操纵性等)[1]。

这样称谓“总体”，当然有以偏概全之嫌。为了适应舰船科技的发展，就有了“大总体”和“小总体”之说[2]。但是，对舰船总体的理解仍停留在以机械化为特征、以平台为中心的时代。

“总体”到底是什么？

《高级汉语词典》释义：“总”的本义是聚束、系扎；总体是由若干个体组成的事物，或称整体。《辞海》(1979年版)将总体定义为“事物的全部”。由此可知，舰船总体应是由舰船的全部个体组成的整体，通俗地说，装在舰船上随船一起走的一切东西构成舰船总体。

著名学者钱学森说：“我们把极其复杂的研制对象称为系统，即由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成的具有特定功能的有机整体，而且，这个系统本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分。”总体与个体是相对的，某个能作为总体的事物在一个更大的体系中就是个体。单艘舰船在交通体系中，在海军作战力量体系中就是个体。我们熟悉的移动通信手机，个头虽小，但包含了外壳、键盘、显示屏、射频系统、处理器、存储器、软件等个体，也是一个个体丰富的总体，但是单个手机发挥不了通信功能，它是移动通信体系中的个体；雷达总体包含了天馈、伺服、发射、接收、信号处理、终端等个体，它是作战系统中的个体；而载人飞船工程总体包含航天员系统、飞船应用系统、载人飞船系统、运载火箭系统、测控通信系统、着陆场系统[3]等规模庞大的个体。航空母舰的总体应是母舰上搭载的包括飞机在内的所有个体的集合。

从这个意义上讲，总体就是集成，总体设计就是集成设计。任何一个工程“总体”都必须明确界定其涵盖范围，总体设计涉及的范围应与工程任务范围相对应。

至于占大部分设计工作量的船型、航行性能、总布置、船体等设计工作，只是舰船总体之中的特殊个体设计，是舰船设计的一部分,而不是舰船总体设计的全部。

2 “总体”干什么？

作为舰船总体设计工作者，我们极不情愿将舰船总体设计局限于安装设计，但在实践中，我们的工作却往往带有浓重的安装设计的烙印。总体设计就是船体设计加上负载安装设计的观念仍然盛行：总体的任务就是设计一个好的船型，匹配一套好的动力系统，按用户要求配设备，“总体”尽力而为，能装多少就装多少，并尽量满足负载的环境和供给需求。比较有代表性的论述是：舰船的研制在限定条件下，应尽量为提高舰船作战能力和生存能力创造条件，并权衡可用性、可靠性、维修性、保障性、安全性、隐蔽性、兼容性、居住性和经济性之间的关系[4]。

总体设计不只是安装设计，总体到底干什么？

总结传统的设计理论和设计实践，结合现代系统工程理论和方法，舰船总体设计应包括能力集成、相互作用集成和空间集成，这些方面的集成内容也是相互关联的。

2.1 能力集成

舰船能力集成包括功能和性能两个方面，反应目标系统(舰船)完成使命任务的能力度量。一般从定性分析和定量分析两方面进行能力集成分析。

能力集成是舰船总体设计最核心的工作内容。总体能力不是个体能力的简单相加或叠合，若干个体集成后的综合能力是否最优，是总体设计者首要关心的问题，个体能力能否在总体集成后得到最充分的发挥，也是体现总体设计水平的重要标志。我们都知道，舰船总体集成后的个体性能是不可能全部等同于其在自由空间的性能。声纳的性能受舰船辐射噪声的影响；电子对抗系统性能受舰船雷达波散射面积(RCS)影响；船、机、桨匹配不好也不能充分发挥每个个体的能力。同样的例子不胜枚举。

能力集成是在规定的限制条件下追求规定的目标。基于不同的总体观，会有不同的表述：

1) 在配置了数量众多性能先进的电子武器装备之后，能达到航速、稳性等总体要求；

2) 在满足航速、稳性的前提下，配置的电子武器装备达到了最佳的总体使用效能；

3) 以有限的可选装备集成综合性能兼优的舰船。

第二条表述较第一条更直接地反映舰船的军事用途，第三条表述更能被大多数人接受。在经济和科技都处在发展中的特殊历史阶段，可供总体设计选用的动力装置、机电设备、电子武器装备确实非常有限，舰船总体设计常面临巧妇难为无米之炊的窘境。所以，以有限的可选装备集成综合性能兼优的舰船，就成为总设计师的追求。

但是，什么是舰船的综合性能呢？我们已经有了部分能反映集成后能力的指标，如航行性能就是船体与推进系统能力的综合，但是，我们还未建立能反映舰船完成其使命任务能力的顶层指标体系。我们要帮用户回答：“我买这艘船干什么?”或者我们向用户推荐产品时告诉他“这艘船能干什么”。虽然航速指标很重要，但是，舰船绝不是用来比赛速度的。舰船不同于货船或客船，不能仅仅以航行性能和装载能力来表征总体能力，而应将其搭载的军事用途的特种装置和舰员一起，将整体所表现出的能力作为总体能力。

因此，如何建立反应舰船总体能力的指标体系，成为总体集成设计的关键。

为满足海军履行新世纪新阶段使命任务所面临的转型要求，舰船的总体能力应从如下几个方面描述：

1) 单艘舰船在海军作战力量体系中的地位和作用；

2) 兵力投送范围、速度和强度；

3) 对抗各种威胁的空间范围和强度。

舰船的总体性能应是舰船能力的最顶层描述，它决不是各个分系统性能的简单叠加，不能将舰船平台及其搭载的任务系统完全隔离开来讨论舰船总体顶层性能。例如：对导弹或鱼雷的防御能力，反导或防鱼雷的软硬武器只是主动防御，舰船的抗打击能力是被动防御，主动防御和被动防御共同构成舰船总体的防御能力，舰船总体设计者就要综合权衡主动防御与被动防御的效果及其代价,以取得最佳效费比。再者，防御武器的对抗效能与舰船平台的特性密切相关，船越大目标特性越明显，越难防；但是，船越大，可供装载主动防御武器的空间就越多，装甲越坚固。因此，作为总体设计的一项重要内容，就是描述各个装备集成到舰船后所形成的综合能力。

2.2 相互作用集成

在集成环境中，每个个体都不是孤立的，都是相互关联的。它们之间存在大量的相互作用关系，有直接的机械力作用，能量转换与传递作用、场作用、信息传递作用，这些相互作用的集成设计是能力集成的物质基础。如果将舰员也作为基本集成单元——特殊的个体，那么，还应包括人与设备及其工作和生活环境的相互作用，相互作用集成的内涵就更丰富、更准确。概括起来，相互作用包括力、能、场、信、人等方面。

实际上，舰船与外界的相互作用构成了舰船总体性能。航速就是船与水的相互作用结果，对抗能力反映了舰船与典型威胁目标的相互作用的结果。当然，舰船与自然环境的相互作用有更多的不确定性，与威胁目标的相互作用具有明显的博弈性质，而舰船内部的相互作用的可控性，完全掌握在舰船总体设计者手中。

2.3 空间集成

舰船是水上活动建筑物，在有限空间范围内完成能力的集成和相互作用集成，基础的工作就是空间集成，也就是传统的安装设计。空间集成应服从于能力集成和相互作用集成。

空间集成的关键是船型和总布置。船型设计除了考虑水动力特性、隐蔽性、坚固性以外，还必须为空间集成奠定容积基础。空间集成的对象实体是硬件。

空间集成受舰船总容积和重量重心制约，空间集成的目标应有利于个体之间高效、稳定、可靠地进行有益的相互作用，最大限度地减少有害的相互作用，最终体现在总体能力最优。

3 “总体”怎么干？

总体由若干个体集成而得，某个总体又是更上一层总体的个体，某个个体还可划分成更小的个体。总体设计应将个体视为整体，重点关注个体与个体之间的关系，至于个体中各子个体之间的关系，则由该个体的设计者重点负责。舰船总体设计应该在能力集成、相互作用集成、空间集成等方面描述组成舰船的各个个体之间的关系、个体与总体之间的关系以及舰船总体与环境的关系(水、电磁场、声场、敌我目标等等)。

那么，舰船总体到底由哪些基本的个体组成？或者说，舰船总体集成的基本个体单元“粒度”(所含事物数量、规模)多大合适？以什么为准则将舰船划分成若干个“粒度”合适的个体？这是我们在工程设计中必须解决的问题，这也是如何发挥总体设计龙头牵引作用的关键所在。

如何将舰船总体划分成若干个体，最重要的准则是有利于分析研究解决问题，有利于总体设计。

3.1 “粒度”适度

集成设计所涉及的个体“粒度”越小，其工作量越大，反之亦然。个体“粒度”越小，越有利于优化资源配置效益，总体设计发挥的作用越显著。我们的目标是找到一个平衡点，在充分发挥总体设计作用，达到最优集成效果的前提下，“粒度”适中。信息化能力的提高，使扁平化管理成为可能，同样，随着设计手段的信息化水平提高，使小“粒度”总体设计成为可能。

3.2 “内聚”性强

一切事物都是互相联系的,但事物之间联系的紧密程度是有差异的,我们把少依赖其它事物的性质称为“内聚”。内聚性强弱确实是我们分析事物的基本依据。例如：为了科学研究的方便，高级生物体被划分成运动系统、神经系统、呼吸系统、消化系统、循环系统、内分泌系统、泌尿系统、生殖系统等系统，这是使各个系统之间关联度最小、系统功能内聚性最好的划分结果。与此相仿，构成舰船的基本要素包括船体、推进系统(帆、橹、桨……)、操控机械(舵、锚、系缆……)、任务系统(观察、通信、指控、武器……)、能源系统(供、配电)、生活保障系统等。按相互关联紧密程度，可以将船体、推进系统、机械和能源系统划并为“平台系统”，相应地舰船可大致分为“平台系统”和“任务系统”两大部分，这是我们熟知的按功能划分系统的办法，简单易行。

在能力集成时，我们强调总体的综合性，即描述舰船综合性能，而不能将舰船总体性能简单地分为平台性能和任务系统性能。但是，以“高内聚”、“低耦合”原则，将舰船总体划分成若干相对独立的“个体”有利于简化分析问题。这也是科学研究常用的综合与分析相结合的方法。

但是，随着科技进步，一方面专业越来越细，另一方面，各专业的融合产生新的集成系统，各个层面的一体化趋势越来越明显。当前，我们已经面临着电力推进带来的动力系统与电力系统之间重新划界问题；集成射频技术带来的雷达、对抗、通信等系统之间的界面问题；多功能垂直发射装置带来的各种导弹、鱼雷传统界面划分问题。传统的功能系统正面临着挑战，舰船总体“进化”的需求越来越强烈。

3.3 二维架构

既然传统的功能系统划分面临挑战，总体集成能否另辟蹊径呢？借鉴信息系统、管理系统矩阵式的思想，舰船总体设计也可突破传统的一维系统划分模式，分别以相互作用形式和功能系统为正交轴的二维矩阵式方式划分系统，以适应不断变化、发展的技术潮流。

舰船总体设计所涉及的基础学科范围涉及力(水动力学、结构力学)、能(动力及能源装置、制冷、热辐射控制)、场(无线电设备、电磁辐射特性控制、声呐、声场特性控制)及信(信号、信息、知识智能)等，这些基础学科类别与舰船总体集成所涉及的个体间相互作用类别相对应。以相互作用形式为基础，可以建立水动力系统、结构系统、机电系统、信息系统、电磁场系统、声学系统等，其它所有派生出来的技术门类都可以作为它们的子系统。这样，我们完成了横向系统构建。

传统的功能系统作为与相互作用形式正交的垂直系统，每个功能系统都是由若干个横向系统个体组成。例如：船体系统包括了水动力、结构、电磁场、声学等系统；动力系统包括了水动力、结构、机电、信息、电磁场、声学等系统；舰炮系统包括了结构、机电、信息、电磁场、声学等系统，以此类推，可以分析其它所有功能系统。

这样的系统划分模式兼顾了功能内聚性和专业的内聚性，具有良好的可扩充性和重组特性，适应专业细分的“扩容”和一体化的功能“融合”，而且非常有利于研发、设计资源的优化配置。

4 以能力为本

舰船总体设计应以提升舰船能力为根本出发点。舰船是典型的多任务系统，在强调体系对抗的时代，我们不再追求单个平台面面俱到，而是突出主要能力，突出协同攻防，兼顾自身防御。

舰船总体设计应以提升舰船能力为根本出发点，提升舰船能力不是简单地增加设备。在不可能无休止地增加设备的情况下，如何取舍，体现总体设计者对主要任务能力的把握。可以舍弃对总体主要任务能力指标不敏感的部分设备，重点确保对总体主要任务能力贡献巨大的系统设备。因此，建立评价总体能力的顶层指标体系至关重要。

舰船总体设计应以提升舰船能力为根本出发点。单靠增加设备提升能力是会出现拐点的。为了腾出更多的空间，减轻重量，减少有害相互作用，必须想方设法剔除掉“冗余”的、无贡献的“个体”。只有做好“减法”，才有可能做“加法”。减少设备的种类、数量、体积、重量，对舰船总体能力的提升带来的益处不言而喻。总体层面一体化是“做减法”的唯一有效手段，小“粒度”的总体设计就是一体化的高端体现。

“一体化”的本质是在更高的层面实现资源整合。“总体”与“个体”的一体化是矛盾的对立统一体。一体化的前提是将既有的个体分解成“粒度”更小的个体，进而将功能相同或相似的小“粒度”个体在总体层面进行资源整合。一体化是针对特殊用途的特定封装，绝不是封闭，绝不意味着总体对“一体化的分系统”必须照单全收。开放的小“粒度”设计可支持各层次的一体化封装。

由于大型相控阵天线、多功能垂直发射装置等大构件上舰，舰船结构加强带来的增重等恶性循环越来越制约舰船总体能力的提高。如果舰船结构一体化设计，将大构件拆分成小安装单元，结构减重带来的积极效应非同小可。初步估算，相控阵雷达与舰上层建筑结构一体化设计，可减重20%～30%，这样可极大缓解由于重量重心对于阵面阵元数量的限制，因而可提升舰船的探测距离及精度。当然这样会使总体设计变得复杂，工作量加大，还要解决制造工艺难题。为了总体能力的提升，难道不值得我们为此努力吗？

当靠增加设备提升舰船能力出现瓶颈时，就应该像设计战斗机一样设计舰船，将独立安装单元从机柜变成抽屉甚至插件，斤斤计较每个部件，精细设计每个单元。

制冷和电源技术是专业性较强的行当，全船统一设计、配置会极大提高制冷和电源的性能及稳定性，减少配套设备种类和数量。所谓“术业有专攻”，为了提升舰船总体能力，值得为此努力。

由于天馈线、发射接收等公共资源可以共用，雷达、电子对抗、通信等无线电设备具有一体化的基础。由于不可能无节制地增加舰船上的无线电设备，当能力提升出现瓶颈时，射频一体化就会从愿望变成现实。

凡是有协同功能需求的设备之间必然有信息的交互。由于信息技术的专业性和通用性，全船信息系统一体化设计是最容易在技术上实现的，需要克服的困难只是利益分配问题。信息系统一体化设计最大的益处在于“减员增效”，裁减“冗员”对提升舰船总体能力的贡献不言而喻。

舰船总体层面的一体化集成还有许多大有可为的领域，如：电力推进与综合能源系统、综合的集体防护系统等等，限于篇幅，不一一列举。

船小能力强是舰船总体设计者的追求。斤斤计较地进行小“粒度”精细设计，进而在总体层面进行一体化集成是提升舰船能力的有效途径和历史必然。

[1] 邵开文，马运义.舰船技术与设计概论[M].北京：国防工业出版社，2005.

[2] 尤子平.舰船总体系统工程[M].北京：国防工业出版社，1998.

[3] 袁家军.神州飞船系统工程管理[M].北京：机械工业出版社，2006.

[4] GJB4000-2000舰船通用规范.