美国舰船概念方案设计方法发展综述

熊治国，胡玉龙中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

美国舰船概念方案设计方法发展综述

熊治国，胡玉龙
中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

舰船的主要总体特性和功能特征是在概念方案设计阶段确定，该阶段对舰船方案的综合效能、研制风险和研制费用具有重要影响。通过分析美国舰船概念方案设计体系和方法发展特点，将其分为舰船综合模型开发、总体方案综合效能评估和总体方案综合优化3个阶段。针对舰船综合模型，归纳整理基本原理和发展历程，分析其不足；阐述基于效能、费用和风险的舰船总体方案综合效能评价体系及方法；对基于综合效能优化的舰船概念方案设计原理及应用进行系统的梳理。美国舰船概念方案设计方法的发展特点与经验对我国舰船概念方案设计体系的研究和发展具有借鉴意义。

舰船设计；概念设计；舰船综合模型；综合效能评估；优化设计

0　引言

现代舰船功能系统结构日趋复杂、系统与设备数量大幅增加，导致现代舰船的研制费用和研制风险不断增长。舰船设计人员越来越认识到在舰船设计早期对舰船的全系统结构和状态进行优化配置，对控制研制费用与风险、避免后续设计阶段出现重大技术状态或指标调整并最终得到总体综合效能均衡的设计方案具有重要作用［1-2］。因此，世界主要海军强国都致力于开展舰船概念方案设计体系和方法的研究，以得到总体效能、费用和风险均衡的设计方案并提高概念设计的效率与决策的科目名称、Taylor标准系列的剩余阻力系数、所有负载明细清单。这些数据只需在开始时读入1次，将会用于该设计船后续所有概念方案的开发计算。子程序DATA2用于对输入的数据进行格式化的存储，便于程序调用。

2）如果方案的垂线间长LBP没有指定，子程序GEOM自动计算水线下的形状来得到LBP，子程序GEOM的输入参数为L/B，B/H，Cp和Cx；如果指定了LBP，则通过给子程序UWDIM提供自由液面修正，Cp，Cx，GM/B，估计的KG和满载排水量等参数，程序自动计算型宽B、吃水H和水线面系数Cwp。

3）子程序HPCALC用来估算方案的最大航速或者最大航速对应的有效马力，同时，也用来计算经济航速下的有效马力。该子程序利用标准泰勒系列试验结果来进行阻力和有效马力的估算。

4）子程序EPLANT用来进行巡航、战斗工况下的电力负载和24 h平均电力负载估算，同时，在没有指定发电机的情况下，该程序还用来决策需要的发电机数量和尺寸。学性。其中，以美国海军组织研究的基于舰船综合模型的舰船概念方案设计流程体系与方法最为完整、适用性最强，目前已应用于美国海军所有水面和水下舰艇的概念方案开发与探索中。本文拟按近50年来美国舰船概念方案设计历经的“舰船综合模型—总体方案综合效能评估—总体方案综合优化”3个阶段对其舰船概念方案设计流程和方法进行系统的跟踪、整理与分析，以期对我国舰船概念方案设计体系的研究和发展提供借鉴。

1　舰船综合模型及其发展

在20世纪60年代之前，美国舰船方案论证是设计者通过对每个方案进行一系列复杂、耗时的标准计算来完成，效率低、可选方案少。从1960年开始，美国海军开始研究利用计算机建立舰船综合模型，开发出了具有代表性的“驱逐舰综合模型DD07”与“舰船概念设计模型CODESHIP”［3-4］。前者只针对驱逐舰这单一舰型，后者虽可用于不同主尺度和类型的舰船（从巡逻艇到航空母舰），但是由于过分强调通用性，导致该程序预报特定船型性能时精度受到限制；因而上述2种基于舰船综合模型的舰船概念方案设计工具的适用性和精度较差。

基于对上述问题的考虑，美国海军上尉军官Reed于1976年发表了题为“水面舰船综合模型”的硕士论文［5］，该文的目的是为水面舰船开发更为实用的综合模型。该模型允许设计者针对设计舰船调整或选择设计标准和设计方法，相比于前述2种综合模型，能够得到更具功能化特性的舰船设计指标。该模型基于标准舰船数据库开展系列计算，同时能够让设计人员通过修改来反映不同的设计需求和标准的设计输入从而得到不同的设计结果。该模型初步具备多方案探索研究能力。

舰船综合模型应该能够满足可行解所要求的条件：1）重量和舰船排水量的平衡；2）内部可用空间必须大于或等于系统设备空间需求；3）可用能量必须满足能源需求，包括推进、辅机、电力需求等；4）重量和排水体积的分布必须满足规范的要求，例如横稳性、总纵强度、耐波性等。满足上述约束的可行方案需要通过综合模型的反复迭代来获得。该综合模型程序的逻辑流程图如图1所示。

该综合模型主要由主程序（Main）和16个子程序组成，由主程序按图1所示的逻辑流程对子程序进行调用。

其基本流程如下所示。

1）程序开始时，读入的数据为：需要输出的项

图1　舰船综合模型逻辑流程图Fig.1　 Logical program flow of ship synthesis model

5）子程序MACHLQ用来估算饮用水、储备供给水、润滑油、燃油和柴油等液体载荷的重量及对应的液舱容积需求。

6）子程序MBSIZE用来估算船体的最小型深。

7）子程序VOLUME开始计算需求容积和可用容积，并通过调整船体主尺度要素来实现上述容积的平衡。

8）子程序WEIGHT用来估算空船重量和载荷重量，计算得到满载排水量并与上次估算的排水量进行比较。如果偏差在设定的范围内，程序进行重心高的估算；如果偏差超出设定的范围，则调用子程序GEOM和UWDIM对主尺度要素进行调整迭代，直至偏差在设定的范围内。

9）子程序VRTCG用来估算全船重心高度（VCG），并与上次估算的结果进行比较。如果偏差在设定的范围，程序进入下一个模块；否则，调用子程序GEOM和UWDIM对主尺度要素进行调整迭代直到偏差控制在设定的范围内。此时，程序会检查增加的抬升甲板（艉部直升机起降平台形成的结构）的长度是否超过了垂线间长LBP。如果超过，主程序会调用子程序GEOM和UWDIM对主尺度要素进行调整并重新迭代；如果没有超过，便生成一个平衡可行的总体方案。

10）子程序FNCGPR将重量和体积分给对应的功能组。

11）子程序SEASPD对平衡方案在北大西洋海浪环境下的经济航速和耐波性进行估算，以作为不同可行方案比较的参考依据。

12）子程序OUTPUT输出最后的平衡方案，主要包括主尺度及船型系数、功能组重量列表、功能组电力需求负荷等。

13）调整输入，程序进行下一个方案的迭代过程。

上述综合模型解决了方案论证设计过程中需要大量人力反复迭代计算的问题，大大提高了方案论证的效率。

上世纪80年代末，美国海军海上系统司令部在该综合模型的基础上通过进一步拓展设计空间的约束集并增强适用性和预报程序的精度，开发出了基于图形化操作界面的高级水面舰船评估工具（Advanced Surface Ship Evaluation Tool，ASSET）［6］，如图2所示。

ASSET可以针对不同的舰船类型（普通水面舰船、航空母舰、两栖攻击舰等）进行可行总体方案的迭代生成和评估。在ASSET中，设计方案以数据的形式存储在数据库中，每个数据包含舰船不同组件的信息。ASSET用多级树状结构来组织数据，舰船的主要组件，如推进设备、电力设备、船体设备等作为第1级，每个主要组件进一步被分解为二级部件，如船体设备细分为船型、分舱和船体结构，并作为第2级数据；同样，第2级部件还可以进一步细分为第3级部件，这种细化分解一直进行到能用参数来表达该部件的物理特性，所有这些参数的列表称为模型参数列表（MPL）［7］。同时，按照舰船工作分解结构（SWBS）将舰船的不同组件分解为7个重量组，每个重量组分为3个层级，采用自下而上的方式来得到全船重量。7个重量组分别为船体结构、推进设备、电力设备、指挥和监视系统、辅助系统、舾装和家具、武备，用W 100，W 200，…，W 700来分别表示，储备排水量与载荷装载量分别用WM00和WF00表示，上述9个重量组求和便得到了舰船总重量。

ASSET分为计算模块和输入/输出模块，计算模块又分为综合模块和分析模块，综合模块起舰船综合模型的作用，主要进行可行总体方案的迭代生成。计算模块主要用于可行总体方案的性能特征计算；输入/输出模块履行人机交互数据输入、结果图形化显示、数据库存储等功能。随后，相关学者通过引入进化算法和设计公理（AAD）来不断地对综合模型的结构进行分解和优化，减少了迭代次数，提高了总体方案论证生成的效率［8］。

美国海军在其海上系统司令部的组织与领导下，依托科研机构和院校，建立了基于舰船总体资源与功能需求迭代平衡思想的舰船综合模型框架，在拓展设计空间的约束集并增强适用性和预报程序精度的基础上，吸收当时计算机科学技术领域的最新成果，研制出以ASSET为代表的实用化舰船总体概念方案论证软件平台，解决了传统概念方案论证过程需要依靠大量人工开展耗时计算的问题，实现了概念设计论证流程的通用化与程序化。以ASSET为代表的实用化的舰船总体概念方案生成体系与方法，增强了总体方案论证的效率和科学性。但总的来说，基于迭代生成的总体概念方案论证还存在以下2个问题：

图2　 ASSET图形用户界面Fig.2 The graphicaluser interface of ASSET

1）综合模型主要关注总体方案是否满足总体资源与系统功能需求的平衡（容积、重量、重心、能源）以及主要平台技术性能指标，没有系统考虑综合效能、经济性、风险等因素，不能适应现代舰船强调总体效能均衡优化的设计理念；

2）综合模型的基本思想是在设计人员提供输入和选择设计手段及标准的前提下，提供一组总体可行的总体方案作为设计基线，不能保证这些方案在方案解空间内较其他可行解是较优的。

上述基于迭代的舰船综合模型已经不能满足现代舰船概念方案论证和设计阶段越来越注重舰船综合效能均衡优化设计的需求，为此，美国海军研究机构组织科研力量开展了舰船综合效能评价体系和方法的研究。

2　舰船方案总体综合效能评估

针对舰船总体多方案决策问题，美国海军组织研究开发了基于综合效能、费用和风险的舰船总体综合效能评价指标体系和方法，作为舰船概念方案量化评价的手段和方案之间比较的依据，其基本评估流程如图3所示。

图3　舰船效能与风险评估流程图Fig.3 The assessment flowchart for OMOE and OMOR

2.1综合效能评估

舰船综合效能指标（OMOE）被定义为系统满足任务需求的程度，OMOE用0～1来表示舰船在特定任务中的效能［9-10］。舰船综合效能评估流程为：

1）根据使命任务分析，确定作战能力需求（ROC）列表，该工作在需求分析阶段完成；

2）列举出为满足每项作战能力需求而要求的性能指标（MOP）及其取值范围（由门限值和目标值构成）；

3）使用多属性价值理论（MAVT）建立各性能指标的性能值（VOP）函数（直线或S形曲线），并根据此函数计算性能指标对应的VOP值。例如：最大航速的基本值为20 kn，对应的VOP值为0；最优值为30 kn，对应的VOP值为1；

4）用层次分析法（AHP）形成水面舰船效能评估指标体系，并根据专家打分结果计算各指标的权重；

5）使用如式（1）所示的效能评估数学公式计算水面舰船综合效能。

式中：VOP（MOP）为性能指标对应的性能值；wi为性能指标的权重。经过加权相加计算得到方案的作战效能。

2.2费用评估

目前，美国海军用于舰船概念方案设计论证时的装备费用估算由于涉及敏感信息，因此其估算方法和相关数据没有向工业界和学术界公开。早期使用的费用估算模型是建立在费用—重量数据回归统计分析基础上［11］。该模型采用首舰采办费（Lead Ship Acquisition Cost，LCA）作为衡量舰船方案经济性的指标，首舰采办费分为建造费、管理费和后期维护费3部分。该费用估算模型需要采用7个舰船工作分解结构组的重量、内部通信系统的重量、武器弹药载荷的重量、航空保障设备和推进系统需要的燃料重量作为估算的输入，估算过程中，考虑相对参考年（如1981年）10%的年通胀率来计算基准年的舰船费用，通胀因子按式（2）计算。

式中：FI为计算基准年的通胀因子；RI为年通胀率；n为基准年与1981年之间的时间间隔（以年为单位）。舰船工作分解结构组的总费用（ΣCLi）由7个分解结构组重量费用CLi求和得到，各分组费用计算公式分别为：

系统集成费用按式（10）计算。

总装建造费用按式（11）计算。

根据上述估算公式，首舰建造费为上述9项之和，首舰价格在首舰建造费的基础上考虑10%的利润。首舰承制费用还要在首舰建造费的基础上加上由于订货或计划延误等造成的成本增加部分，该部分费用大约占首舰价格的12%。因此，首舰采办费中的首舰承制费用为112%的首舰价格。首舰采办费中的管理费主要包括武器弹药、小艇采购费、舾装费和生产中的储备费用，该部分约占首舰价格的20%。后期维护费约占首舰价格的5%。最后，首舰采办费由舰船承制费、管理费和后期维护费求和得到。

上述基于重量的舰船费用估算模型不能很好地反映费用随机械设备配置的变化而变化。事实上，舰船的很多装备或系统的价格并不是由其重量而是由其功能决定。因此，上述费用模型在实际应用中还存在一定的局限性。

2.3风险评估

舰船综合风险指标（OMOR）通过量化函数表征全船研制的总体风险，美国在舰船方案评估过程中通常将其划分为性能风险Wperf、费用风险Wcost和进度风险Wsched。每项风险函数由风险事件的发生概率Pi和预期后果Ci所组成：Ri=PiCi。计算综合风险需要性能风险Wperf、费用风险Wcost与进度风险Wsched等各项风险的权重，各风险事件的权重用wi，wj与wk表示。

在风险识别、风险分析和风险评价这3个阶段中，每个阶段都有多种方法可供选择，也可组合不同的方法用于风险评估。风险识别常见的方法有专家调查法、历史记录统计法、现场调查法、故障树分析法、流程图法、聚类分析法、模糊识别法、人工神经网络法等；风险分析和风险评价常见的方法有专家咨询法、概率树法、决策分析法、层次分析法、类推比较法、网络分析法、矩阵分析法及分解估算法等。风险评估采用的方法要全面而科学，既要确保专家对每一项指标能够顺利地给出量化评价，又要做到简便有效。

针对开展总体方案综合效能评估，标志着美国海军舰船研制由只注重方案性能指标向注重方案总体效能、经济性和研制风险均衡的设计理念的转变，确立了以系统工程思想为指导的舰船装备论证研制与管理体系。通过引入系统工程、管理和金融领域的相关理论与方法，美国海军建立了完善的舰船总体方案总体效能、费用和研制风险评估指标体系；增强了舰船总体方案决策的全面性和科学性。通过与ASSET概念方案生成软件的配合，在用户提供需求输入的前提下，实现了概念总体方案的自动化生成与评估。

3　基于总体综合效能优化的舰船概念方案设计及应用

通过开展舰船综合模型的研究，美国海军可根据用户使用需求，在提供相关系统输入的前提下得到满足战术技术指标需求的方案设计基线；然而由于用户使用需求在舰船的研制早期或后续阶段会面临部分调整，而且现代舰船可选用的功能系统选择范围也在进一步扩展，导致对应于使用需求的方案设计基线不唯一，也就是说综合模型通过迭代调整得到的设计基线只是满足设计需求和约束条件的解空间内的一个可行解。舰船总体综合效能评估体系和理论的建立使得美国海军建立起了针对效能、费用和风险进行方案设计基线评价的能力，从而实现了对方案设计基线的比较优选手段。借助人工智能领域不断发展的智能优化搜索技术，通过融合综合模型和舰船综合效能评价模型，美国海军实现了从用户使用需求到总体概念优化方案的快速响应能力，即基于总体综合效能优化的舰船概念方案设计体系及手段［1］。

美国弗吉尼亚理工大学Brown教授等［12］于2003年提出了最新的基于综合模型的舰船概念方案设计与论证评估（美国称之为“方案探索”）体系，其流程如图4所示，将效能、费用、风险量化和软件化，并纳入舰船综合模型，使决策者全面掌握各方案的效能、费用和风险，从而科学、合理地进行决策。

图4全面描述了舰船总体方案论证评估流程。首先，任务说明书叙述用户对舰船任务及目标图像的需求。然后，确定任务所需的战术技术能力，整理出战术技术指标体系，继而确定出设计变量（包括主尺度及船型系数的允许范围、船型和各装备型号的选项等）。最后，进入核心阶段——舰船综合模型，将反映舰船性能的物理模型与响应曲面模型（推进模块、阻力模块、船体模块、电力模块、重量模块、可用空间模块及液舱模块等）、效能模块、费用模块和风险模块集成到舰船综合模型中，输出满足可行性要求的一系列初始方案。美国海军通常联合使用ASSET、多目标优化程序Darwin Optimizer与模型集成程序ModelCenter来进行舰船方案评估论证［13-14］。该论证过程包括：

1）Darwin产生系列初始方案集，形成优化种群，然后按照ModelCenter过程集成环境中提供的方法输入给ASSET，经过ASSET迭代形成可行的方案集（方案数量和初始方案集保持一致），并得到这些可行方案集的主要性能指标参数；

2）Model Center的内部组件利用ASSET计算出的性能指标确定该方案的综合效能、首舰采办费和综合风险；

3）将这些数值传送回Darwin优化算子作为优化的目标函数，Darwin优化算子根据目标函数并利用进化算子对方案集变量进行修改更新形成新的方案集，进入下一个优化过程，这个过程将持续产生可行方案，直到迭代次数达到用户要求为止。按照上述流程在ModelCenter中建立的概念设计程序集成环境如图5所示。

通过构建基于舰船综合模型、综合效能评估模型和集成工具的舰船概念方案设计体系和平台，借助于多目标智能优化算法，美国海军可以通过设定不同的使用需求、备选系统配置、设计规则和方法来完成舰船概念方案的优化生成研究，在较大的方案空间内进行探索，得到一系列总体综合效能（综合效能、费用和风险）均衡的备选方案集，并以Pareto前沿解（图6）的形式展示给决策者，使决策者通过效能—风险—费用数据点图进行方案决策。图6中的每一个点代表一种总体概念方案，设计人员根据每个方案的总体综合效能，采用决策理论进行方案决策，优选出设计基线进行深入设计。目前，美国海军所有的水面舰船在概念开发阶段都采用上述概念方案设计体系进行方案的探索研究，其海军论证机构10个人、3个月可以完成数百个方案的论证与对比分析，大大提高了舰船概念方案探索的效率和科学性。

图4　舰船概念方案优化设计流程Fig.4 The optimal design flow for naval ship conceptual design

图5　概念设计程序集成环境Fig.5 The integrated code environment for naval ship conceptual design

图6　总体概念方案Pareto解Fig.6 The Pareto points for conceptual design

受美国海军的委托，Brown教授及其团队根据上述舰船概念方案设计流程体系开展了31项舰船总体概念方案探索与开发工作［15-25］，其中包括：无人舰载机航空母舰2艘、导弹巡洋舰4艘、导弹驱逐舰1艘、护卫舰1艘、常规动力潜艇5艘、新概念濒海作战潜艇2艘、敏捷作战舰船3艘、中型水面舰船3艘、小型水面舰船2艘、海洋考察船1艘、大型油轮4艘和后勤补给船3艘。另外于2006年，利用最新的舰船综合模型与评估、优化方法，对上世纪80年代研发并服役的DDG51导弹驱逐舰重新进行了方案优化探索，得到了效能与费用均优于原方案的优化解。图7按时间顺序列出了典型舰船概念设计方案的效果图。Brown教授开展的相关工作有力地支撑和推动了美国海军在舰船平台及其装备发展方面的原始创新。

图7　主要舰船概念方案效果图Fig.7 The design sketches of main conceptual projects

4　结语

美国海军海上系统司令部自上世纪70年代以来组织领导其国内科研院所和高校共同开展了舰船概念设计流程与方法的研究，形成了紧贴舰艇装备论证、设计与使用保障需求的通用型舰船概念设计体系与设计手段，提升了其在舰艇装备发展方面的原始创新能力。总的来说，美国舰船概念方案设计发展历经了“舰船综合模型—总体方案综合效能评估—总体方案综合优化”3个阶段，通过对其发展历程的综述，可以总结以下发展特点与经验：

1）重视技术发展的顶层规划和多学科融合牵引。美国海军海上系统司令部在不同的时期瞄准未来10～20年舰艇发展需求，制定了舰船概念设计不同阶段的发展目标，即按照“论证流程程序化—论证体系通用化—论证目标多元化—论证手段智能化、信息化”的发展思路，不断调整和完善技术框架体系，积极引导国内高校和研究机构结合自身优势开展针对性研究，对研究成果进行集成并积极应用。同时，在设计流程体系建设过程中，逐步引入融合了系统工程、管理、金融和人工智能的最新成果，不断创新和充实舰船概念设计流程与方法。

2）重视舰船经济性、研制风险在装备论证研制过程中的重要作用。舰船装备研制具有周期长、风险高的特点，在美国海军装备发展投资中占有很大的比例，因此，为了提高装备研制效费比并有效管控研制风险，在本世纪初，美国海军将舰船概念方案的研制费用、研制风险与其综合效能一起作为方案论证决策的依据，并针对研制费用和研制风险指标评估开展了系统研究，建立了舰船概念方案经济性和研制风险指标体系与评估手段。

3）重视对设计经验和历史数据的整理、挖掘与应用。舰船概念方案设计一方面面对许多不确定的因素，另一方面又要尽可能对方案开展全面和较为准确的评估。针对这一矛盾，美国海军在舰船概念设计体系建设过程中非常重视对设计经验、已有型号数据和作战使用维护数据的整理、挖掘与应用。针对舰船概念设计需求特点，建立了动态化的装备总体数据库，并引入统计学、知识工程和智能推理的相关理论与手段对设计经验和知识进行处理以便于知识的直接应用。舰船总体知识库的建设有力支撑了舰船概念设计体系的发展。

4）重视智能化与信息化技术的应用。随着舰船概念设计变量与设计约束范围的不断扩展，在高维、强非线性的舰船概念方案解空间中确定最优化的舰船概念方案变得越来越困难，设计效率提升也受到制约。针对该问题，美国军方和学术界通过研究，积极引入人工智能优化与分布式协同设计技术，建立了集方案生成、评估和方案搜索于一体的舰船概念方案自动化设计集成环境与设计工具，大大提高了设计决策的科学性和效率，利用目前建立的舰船概念集成设计环境与工具，美国海军论证机构10个人、3个月就可以完成几百个方案的论证研究。

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［责任编辑：易基圣］

Review on the development of naval ship conceptual design methods of USA

XIONG Zhiguo，HU Yulong China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The conceptual design of naval ships is of vital significance to the overall effectiveness，development risk，and cost of ships，since the main characteristics and functions of the ship are all determ ined during this phase.By analyzing the conceptual design progress of US naval ships，three stages can be observed：the development of the ship synthesis model，the research on overall effectiveness，and the general optimization of the conceptual plan.Firstly，the basic principles and drawbacks of the ship synthesis model are analyzed.Secondly，the systematical framework and methods for evaluating the total effectiveness，which are represented by overall effectiveness，development risk，and cost，are presented.Lastly，the optimization of the scheme and its applications are proposed.In brief，certain lessons can be drawn from the progress of US naval ship conceptual exploration methods，which could in turn help us to perfect our own conceptual design systems.

ship design；conceptual design；ship synthesis model；overall measure of effectiveness；op timal design

U662.2

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.04.002

2014-10-09网络出版时间：2015-7-28 17:25:04

熊治国，男，1974年生，硕士，高级工程师。研究方向：舰船总体研究与设计胡玉龙（通信作者），男，1985年生，博士，工程师。研究方向：舰船总体研究与设计。E-mail：huyulong1986@163.com