船舶总体性能优化设计研究综述

王 鹏，许 骥，焦德义

（海军蚌埠士官学校机械系，安徽蚌埠 233012）

船舶总体性能优化设计研究综述

王 鹏，许 骥，焦德义

（海军蚌埠士官学校机械系，安徽蚌埠 233012）

文章对船舶总体性能优化设计的国内外研究进展进行了介绍，分析了船舶总体性能优化设计的主要特点，总结了船舶总体性能优化设计用到的主要方法，最后提出了船舶总体性能优化设计时所要研究的关键问题，对进行船舶总体性能优化设计有一定的指导意义。

船舶；总体性能；优化设计

0 引言

船舶总体性能设计是指依据研制任务书，通过分析、论证、计算、试验和绘图等工作，提供一系列技术资料，满足研究单位的设计要求，确保造船厂能建造出性能优良的船舶。一般地，船舶总体性能设计工作包括总体设计和局部设计两个方面。其中，总体设计的主要任务是解决设计中的主尺度方案以及船体型线、上层建筑、结构形式、动力装置、电子设备及武器系统选型等一些最基本的问题；局部设计是在总体设计基础上作进一步的细化设计。

1 船舶总体性能优化设计研究进展

国外学者利用优化理论在船舶总体性能优化设计领域取得了很大进展。美国海军在20世纪60年代就开始以“综合模型”对船舶总体方案进行评估，获得了巨大的军事与经济效益，并研制了先进的船舶综合模型开发与评估工具ASSET。英国海军研制了船舶多目标概念设计工具Paramarine，目前英国海军的水面舰艇、潜艇以及大型水面船舶均采用Paramarine进行建模分析。在船舶工程领域，总体性能优化设计的研究也取得了一些发展。Boulougouris等人[1]应用Shipflow软件，对阻力和重心最大垂向运动构成的多目标优化模型进行优化。Steel[2]和Thomas[3]等人使用遗传算法探讨了船型优化的设计问题。在固定船舶航速的情形下，Harries等人[4]以单位排水量下的总阻力和排水量为设计变量，以耐波性为优化目标，对滚装船的型线开展了优化设计。Lee等人[5]以船舶建造费用为优化目标，对船舶的主尺度及型线进行了并行优化。Peri[6]发表了与船舶全局优化问题有关的相关文献。Boulougouris和Papanikolaou[1]使用多目标遗传算法研究了船舶的生命力问题。Brown等人[7]使用综合效能指数（OMOE）和全寿命周期费用（LCC）建立了船舶总体性能的多目标优化模型，采用多目标遗传算法进行主尺度方案优化。Peri和Campana[8]以船舶最小总阻力及最小化垂荡和纵摇作为优化目标，对船体的线型进行优化设计。

国内也开展了船舶总体性能优化设计的研究工作，目前在该领域的一些院所和科研单位主要有：上海交通大学、华中科技大学、海军工程大学、武汉理工大学、大连理工大学、中船重工701所等。1989年，薄林槐[9]应用多元回归分析方法，对当时的水面船舶阻力图谱提出了回归表达式，并在分析国内外25条典型船舶阻力试验的基础上，对该数学表达式做了扩充和修正，提高了船舶阻力估算的精度，扩大了其应用范围。1992年，程智斌和陈仁铃[10]以不沉概率作为船舶不沉性评估指标进行了讨论，提出了用于船舶战术技术论证阶段和初步设计阶段的不沉概率的计算方法，并用该方法编制了计算机程序，对我国当时海军部分水面战斗舰艇进行了实船计算。2003年，黄炳涛和沈远海[11]通过系统分析的方法，对水面舰艇的作战效能作了分析，构造了对作战系统效能评估的研究框架，综合考虑了作战能力、作战环境、作战使命的相互关系。2005年，吕建伟、易慧、刘中华等人[12]针对船舶研制特点，运用系统工程原理，通过对任务目标的分解与技术指标的分析，考虑船舶全系统、全寿命和用户需求等方面，构建了可用于船舶研制方案的评估、权衡、优化的船舶研制指标体系，并对其应用条件和应用形式进行了初步探讨。2006年，蒋铁军和王树宗[13]建立了船舶装备总体设计指标体系，提出了综合效能的概念。能同时体现对作战能力和后勤保障能力的描述。在系统分析目前广泛采用的船舶装备总体设计准则及其优缺点的基础上，提出了基于效费比的优化设计准则。在强调装备综合效能的前提下，充分考虑装备的经济承受能力，为有效提高经费的使用效益创造条件。2006年，刘佳、王威和杨建军等人[14]建立了将Fisher判别分析方法应用于效费分析的模型，能够直接通过性能评估指标进行船舶方案的初步筛选，将性能方案分为效费比高和效费比低两类，剔除效费比低的方案。并通过实例说明该方法能够减少费用估算的工作量，提高了工作效率。2012年，张涛和毕毅[15]在熵权法和模糊集的基础上，提出了应用于船舶操纵性综合评估的新方法，且获得了较好的评估结果。

2 船舶总体性能优化设计主要特点

船舶总体性能的优化设计具有以下特点：

1）矛盾错综复杂

由于船舶自身的内在矛盾错综复杂，使得船舶总体性能的优化设计更加复杂。如在排水量不变的前提下，船舶负重量与船舶航速之间的矛盾，船舶耐波性与初稳性之间的矛盾，船舶航向稳定性与操纵灵活之间的矛盾等。在船舶总体性能的优化设计中，要妥善处理这些错综复杂的矛盾，不能简单地采用折中的办法来解决，应遵循如下原则：局部服从总体；次要矛盾服从主要矛盾；总耗能服从经济效益，并以最小的代价获取利益。

2）问题具有多解性

一艘设计成功的船舶，其总体性能方案应能最大限度地满足研制任务书中各项战术和技术性能指标的要求。为此，对同一个设计目标来说，往往设计出的多种方案都能满足同一设计目标要求，因此需要对多个方案进行分析评估，决策部门可根据任务需要和实际情况，从待选的设计方案中选取出“最优方案”。

3 船舶总体性能优化设计主要方法

船舶总体性能优化设计是一个逐步近似并反复迭代的复杂过程，该项工作主要包括方案设计、初步设计、详细设计等设计阶段。为了对多个设计方案开展船舶总体性能的综合评估，并获得船舶整体系统的总体最优解，合理的做法是在船舶设计初期同时考虑船型、推进、布置等指标的设计，给出相应的设计变量、约束条件以及各子系统之间的相互耦合关系，即船舶总体性能设计是一个不断反复逐步近似的串行设计过程，这种设计模式可用图1所示的设计螺旋线表示。只有随着设计过程的深入，对设计对象的认识才会不断增加。

船舶总体性能优化设计的最终目标是找到最佳的主尺度方案，常用的方法有逐步改进法、变值法、最优化方法和智能优化算法等[16-18]，下面逐一进行简要介绍。

1）逐步改进法

这是船舶总体性能设计中最常用的一种方法，它建立在分析估算的基础之上。首先分析研制任务书中的任务，从设计船舶的备选方案中选出一套方案，估算该套方案的排水量、主尺度及各种性能。这样经过多次反复，直到达到满意的结果为止。逐步改进法在资料丰富的时候，可通过较少的工作量获得较满意的设计结果，其缺点在于难以证实所选方案是否是最佳的设计方案。

2）变值法

也称网格法或参数分析法，是船舶总体性能设计中经常使用的方案优选方法。通过系统地改变对设计船舶有显著影响的主尺度参数，在其可能的范围内，各选若干数值组成的一系列方案，对每组方案都进行各种性能的数值计算。在计算出的结果中，抛弃哪些明显不适用的方案，然后在剩余方案中，考虑到主尺度参数对船舶总体性能的影响规律，全面地开展分析比较后，选出最好的一个方案作为设计结果。

3）最优化方法

这是利用近代数学方法，通过求解多变量、有约束目标函数的极小值，进而获得最佳设计方案的一种方法。与变值法相比，最优化方法能够对更多的变量以更小的变化步长在更为广大的设计空间中搜寻最优解，因而可获得更为理想的最优设计方案，可有效解决计算时间长等问题。船舶总体性能优化设计是一个最优化问题，首先要把它用数学式表达出来，也就是要建立一个船舶总体性能的数学模型，同时还应完整地描述出设计变量、约束条件和目标函数等三大要素，最后通过求解目标函数的最小值得到最优的总体性能设计方案。

4）智能优化算法

这是一类通过模拟某一自然现象或过程而建立起来的优化方法。应用智能优化算法可有效地避免传统逐步优化方法搜寻不到全局最优解的缺点。船舶总体性能优化设计是典型的多目标优化问题，设计过程错综复杂，许多子目标之间存在着不同程度的耦合关系。对一个目标性能的改变，往往会造成其他目标性能的降低。为获得总体目标的近似最优解，合理的做法是在确定船舶主尺度方案时同时考虑多个子目标的因素，给出各目标的设计变量和约束条件，通过综合平衡各子目标之间的关系，使总体目标达到令人满意的程度。目前在船舶总体性能优化设计中，智能优化算法已获得初步应用，典型的算法包括神经网络优化算法、遗传算法等。

4 船舶总体性能优化设计关键问题

船舶总体性能优化设计中的关键问题有如下四个方面：

1）明确设计变量

设计变量也称决策变量，是指设计过程中可自由选择的独立变量。设计变量的数目应适当控制，虽然设计变量的数目越多，设计的自由度越大且设计效果越理想，但是设计变量数目过大会造成问题过于复杂、设计时间过长。在实际设计过程中，在满足工程要求的前提下，应尽量减少设计变量的个数。另外，设计变量应选取与目标函数和约束条件直接关联的、反映设计船舶主要特征且彼此间相互独立的参数。设计变量一般从以下两个方面选取：一是估算船舶各项性能所用到的主尺度参数；二是与后续设计过程紧密联系的主尺度参数作为设计变量，以保证设计工作的连续性并体现后续工作的要求。

2）建立目标函数

目标函数是用设计变量的数学关系式表达的设计目标，目标函数是评估设计方案优劣程度的依据，选择目标函数时要兼顾若干个设计准则，如设计一艘船舶，不仅要考虑到它具有较高的经济效益，同时还应满足航速高、造价低等要求，故选取目标函数可能是整个多目标优化过程中最重要的决策之一。

3）表达约束条件

在船舶总体性能优化设计过程中，设计变量总是要受到某些条件的限制，这种限制在数学上称为约束条件。约束条件可分为界限约束和性能约束两类，其中界限约束是指设计变量许可变化的范围，如长宽比满足 7.0＜L/B＜11.0，方形系数满足0.40＜CB＜0.58等；所谓性能约束是指对设计船舶的性能所提出的一些限制条件，如快速性要求、耐波性要求等。在船舶总体性能优化设计过程中，约束条件的引入是十分必要的，满足约束条件的方案称为可行方案，不满足约束条件的方案称为不可行方案。

4）构建多目标优化数学模型

为实现船舶总体性能的多目标优化，应构建相应的数学模型平台。其目的是按照多目标优化设计流程，针对具体的优化设计问题，将多目标优化程序、优化模型、优化方法、优化策略集成起来形成多目标优化系统。

5 结论

随着国内外造船行业竞争日益激烈，造船界不断寻找生产效率高的船舶设计方法，本文主要对船舶总体性能优化设计方法的相关研究进行了梳理总结，通过对该方法国内外研究进展的介绍，并从船舶总体性能优化设计的主要特点和主要方法两个方面的分析着手，提出了应用该方法需要研究的关键问题，对进行船舶总体性能优化设计有一定的指导意义。

[1]Boulougouris E K, Papanikolaou A D, Zaraphonitis G.Optimization of Arrangements of Ro-Ro Passenger Ships with Genetic Algorithms[J].Ship Technology Research, 2004, 51(3): 99-105.

[2]Lowe T W, Steel J.Conceptual Hull Design Using a Genetic Algorithm[J].Journal of Ship Research, 2003,47(23): 222-236.

[3]Thomas R W.Genetic Function Approximation Experimental Design: A New Method for Experimental Design[J].Journal of Chemical Information and Computer Sciences, 1998, 38(5): 858-866.

[4]Harries S, Valdenazzi F, Abt C, et al.Investigation on Optimization Strategies for the Hydrodynamic Design of Fast Ferries[C]//6th International Conference on Fast Sea Transportation, Southhampton, UK, 2001.

[5]Lee K Y.Roh M I.A Hybrid Optimization Methods for Multidisciplinary Ship Design[J].Ship Technology Research, 2000, 47(4): 181-185.

[6]Peri D, Campans E F.High Fidelity Models and Multiobjective Global Optimization Algorithms in Simulation based Design[J].Journal of Ship Research, 2005, 49(3): 159-175.

[7]Brown A J, Solcedo J.Multiple-objective Optimization in Naval Ship Design[J].Naval Engineers Journal, 2003, 115(4): 49-61.

[8]Peri D, Campana E F, Dattola R.Multidisciplinary Design Optimization of a Naval Combatant[J].Journal of Ship Research, 2003, 47(1): 1-12.

[9]薄林槐.水面舰船阻力图谱的数学表达[J].舰船科学技术, 1989(5): 22-27.

[10]程智斌, 陈仁铃.舰船不沉性评价指标初探[J].船舶工程, 1992(3): 17-21.

[11]黄炳涛, 沈远海.水面舰艇作战系统效能评估方法初探[J].舰船电子工程, 2003(6): 75-77.

[12]吕建伟, 易慧, 刘中华.舰船设计方案评估指标体系研究[J].船舶工程, 2005(4): 53-57.

[13]蒋铁军, 王树宗.研制阶段舰船装备总体设计指标体系及其准则[J].舰船科学技术, 2006(4): 91-95.

[14]刘佳, 王威, 高辉.核Fisher判别分析方法在项目评估中的应用[J].武汉理工大学学报(信息与管理工程版), 2006(2): 131-134.

[15]张涛, 毕毅.基于熵权法和模糊集的船舶操纵性综合评价研究[J].中国舰船研究, 2013(3): 45-49.

[16]唐志拔.水面舰艇设计[M].武汉: 海军工程大学, 1999.

[17]曾广武.优化设计方法及其船舶设计中的应用[M].北京: 国防工业出版社, 1986: 21-73.

[18]林焰, 纪卓尚.船舶主尺度神经优化分析[J].中国造船, 1993(12): 47-52.

Summary of Research on Optimized Design of Ship Overall Performance

Wang Peng, Xu Ji, Jiao Deyi
(Bengbu Navy Petty Officer Academy, Department of Machine Engineering, Anhui Bengbu 233012, China)

The paper introduces the research progress of optimized design of ship overall performance at home and abroad.It analyzes the main characteristics of optimized design of ship overall performance, and summarizes the main methods proceeding the optimized design of ship overall performance.Finally it puts forward the key problems when researching optimization design of ship overall performance, which offers guiding significance.

ship; overall performance; optimized design

U674

A

10.14141/j.31-1981.2017.01.004

王鹏（1988—），男，助教，硕士，研究方向：舰船设计制造与维修保障。