舰船顶层设计指标最优分配问题计算方法

王明丰

(中国舰船研究院，北京 100192)

舰船顶层设计指标最优分配问题计算方法

王明丰

(中国舰船研究院，北京 100192)

基于大型复杂工程系统设计的多学科设计优化算法，开展了舰船顶层设计指标最优分配的计算方法研究，基于协同优化算法提出了舰船顶层设计指标最优分配的一种通用算法框架。

舰船;设计指标;最优分配;计算方法

0 引言

现代舰船顶层设计是一项大型的复杂系统工程，涵盖多个学科和专业，存在大量的设计变量和约束条件。随着舰船工业的不断发展，现代水面作战舰船对总体综合性能的要求越来越高，采用传统的指标分配方法越来越难以满足现代舰船综合优化设计的需要。本文将基于大型复杂工程系统设计的多学科设计优化算法思想，开展现代水面作战舰船顶层设计指标最优分配的计算方法分析研究。

1 舰船顶层设计指标最优分配研究的意义

舰船顶层设计指标最优分配问题本质上是一个最优化问题，主要是将舰船研制总要求分解为各系统设备的研制要求，具体是在舰船总体或系统的方案设计中，将顶层的“设计要求”、“设计余量”等分配给各子系统或设备，以确定各子系统或设备设计优化时的总体约束条件。

现代水面作战舰船发展和更新速度快，通常有大量新研或改进的舰载武器装备上舰，系统设备研制周期较短，技术状态要求较高。如何根据我国舰船工业实际能力，提出满足用户作战使用需求的顶层、总体以及各系统和设备级的技术指标体系，对于保证舰船的技术先进性以及研制的进度、质量都至关重要。

对用户来说，往往都期望获得技术更先进、作战能力更强、使用维护更简单、可靠性更高、造价更低的舰船。但对子系统或设备设计师来说，往往都期望获得更宽松的指标要求以便获得更多的设计余量，比如更低的精度指标、更大的重量指标、更低的可靠性指标、更高的造价指标，从而降低本系统或设备的设计难度。在这种情况下，总设计师和决策者都不得不面对顶层设计指标的最优分配问题。

总设计师需要综合各种约束条件，分层次进行综合权衡，将顶层设计指标以及最优方式分配到各系统和设备，建立起从舰船顶层到系统再到设备级的技术指标体系。盲目分配顶层设计指标将难以通过设计得到整体性能较好的系统，常常会导致产品在试制、试验过程中出现严重的技术问题或质量问题，过于苛刻的指标要求可能造成整个舰船系统研制的瓶颈，过于宽松的指标约束可能直接导致装备性能的落后，甚至在交付装备中出现功能和性能上的缺陷，直接影响整个舰船的总体性能。

舰船顶层设计指标最优分配问题的计算方法分析研究，即如何运用计算方法合理地将舰船总体或系统的设计指标分配给子系统或设备，以使舰船总体或系统的设计达到全局协调的总体优化，对提高舰船总体综合性能具有重要意义。

2 舰船顶层设计指标最优分配方法分析

现代舰船顶层设计指标最优分配问题是一个大型复杂工程系统优化设计问题，各舰船设备之间通常只存在弱耦合关系，通常考虑的电力、可靠性等指标常常按照舰船的结构和系统功能划分进行分配，具有显著的层次性和可分解性特征。而组成设备的部件间一般具有较强的相关性，很难进行顶层指标的进一步细分，因此现代舰船顶层设计指标分配后建立的指标体系应到设备级。对于大型现代舰船，根据实际工程经验，采用“总体——一级系统——二级系统——三级系统——设备”这5层分配结构的计算分配方法，可适用于一般舰船顶层设计指标最优分配问题。

为方便进行舰船指标体系多层次结构某一层次指标分配过程的数学描述，这里将上级系统或总体称为主系统，主系统分解后各分布并行系统或设备称为子系统。某一层次设计指标的分配过程可以看作主系统向子系统传递设计变量和状态变量目标值，设计指标分配过程中总体与一级系统、上级系统与分系统或设备之间的反复协调相当于求解子系统间一致性约束以协调分配量的过程。

根据上述分析，可以借鉴多学科设计优化方法中的协同优化算法来处理舰船顶层设计指标分配这类设计优化问题，总设计师或系统设计师向子系统或设备设计师传递设计向量和相关状态向量的期望信息，各子系统或设备设计师只考虑满足本系统约束的情况下，使子系统优化后得到的最优解与主系统传递下来的对应期望值的差距最小，然后各子系统或设备设计师将子系统优化得到的设计向量的最优解及目标函数最优值返回给主系统。

对于舰船指标体系某一层次结构，可以通过将所有的状态向量当作设计向量，解除子系统间的耦合关系。在此基础上采用具有2级优化结构的协同优化算法，使该层次设计优化问题转化为“一对多”模式的主系统优化和子系统优化，在该层次内各个子系统优化独立并行实现。在这一层次内，来自各子系统的设计向量最优解不同，存在不一致，主系统设计师可根据子系统的返回信息，根据子系统最优解与主系统期望值之间的差距，按照一定的规则协调子系统间的不一致，从而得到该层次主系统目标函数的最优值以及有关状态向量的最优解。然后，将这一层次的主系统优化结果返回给上一级系统，上一层次采用同样方式对主系统优化和子系统进行优化，在该层次根据子系统最优解与主系统期望值之间的差距进行子系统间的一致性协调。如此迭代完成顶层设计指标的分配，使得原问题目标函数最优。

3 基于协同优化算法的舰船顶层设计指标最优分配通用算法框架

基于协同优化算法思想，可以按设计指标分配关系将舰船顶层设计指标最优分配问题转化为层层迭代的2级优化问题。在每1个层次的2级优化结构相当于1个主系统优化问题和若干个子系统优化问题:子系统优化以最小化子系统对应量与指标分配量的差距为目标，对子系统设计变量进行最优设计，按系统组成划分细化分配指标;子系统优化结束后将最优解信息返回主系统优化，构成一致性约束;主系统优化以主系统性能最优为目标，在一致性约束条件下寻找各子系统协调的设计指标最优分配方式;优化后对各子系统重新分配设计指标;采用层层迭代的方式进行这个过程直到得到各层次子系统都基本满意的设计指标最优分配方案。

对于舰船指标体系某一层次，如果有N个子系统或设备，那么对于涉及N个子系统的设计优化问题可用数学描述为:

式(1)中，Gi(X)≤0和Hi(X)=0分别为属于第i个子系统的不等式约束和等式约束。

对于舰船指标体系某一层次设计指标分配问题的主系统优化模型为:MinF(Z)，

式(2)中，原优化问题的全局设计向量ZS和耦合状态向量ZC共同构成系统级优化设计向量，Ji(Z)=0为协调第i个子系统不一致性的一致性约束。

对于舰船指标体系某一层次设计指标分配问题的子系统优化模型为:

按照式(1)～式(3)所述数学模型，根据舰船设计实际的指标体系层次结构划分，对顶层设计指标的分配过程按层次结构进行主系统优化和子系统优化并进行层层迭代计算，可求解得到各个分系统和设备的设计指标最优分配方案。

4 结语

基于协同优化算法思想按本文通用算法框架建立舰船顶层设计指标分配数学模型可适用于求解舰船顶层设计指标的最优分配问题。关于各类优化算法移植到本文算法框架后的收敛性和鲁棒性尚需要在后续实践中通过实例计算研究进一步分析。

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Mathematical method of optimum allocation problem of integrated requirements in ship design

WANG Ming-feng
(China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China)

The paper analyses the mathematical method of optimum allocation problem of integrated requirements in ship design based on multidisciplinary design optimization method.Using collaborative optimization method as reference，a mathematical model is established to be applied to optimum allocation of ship design requirements.

ship;design requirements;optimum allocation;mathematical method

U662.2

A

1672－7649(2011)06－0031－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.008

2011－05－06

王明丰(1981－)，男，工程师，主要从事舰船科技管理。