集成优化思想在舰船总体设计应用中的思考

范则阳，谢 坤，任赛林，许 建，易 宏

(1. 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240；2. 中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064)

0 引 言

我国舰船经历了几代跨越式发展，其自动化水平有了很大提高，各种新技术的应用也越来越广泛。譬如，电子技术从早期的模拟电路发展到数字电路；显示技术从早期体积庞大的CRT到现在的加固液晶显示器；控制技术从早期的人工控制到PLC等计算机控制。然而，我国舰船总体设计仍存在诸多问题，设计保守，各系统、专业设计相对独立，总体设计所对各设备厂、所缺乏有效的约束力，对设备重量体积和接口较难控制等。这些问题造成我国舰船系统、设备种类繁多，堆砌严重，资源共享不足，总体系统集成化水平低等，制约了我国舰船总体性能的进一步提高[1]。

通过在总体设计中引入集成优化的思想，增加网络信息技术应用，对资源进行整合优化等策略，可以解决现役舰船典型的堆砌式设计问题，提高舰船可利用空间，降低维修保养难度。同时，集成优化思想的应用也可以促进总体设计部门人员自身素质与设计手段的提高。

1 总体设计存在的问题

1.1 堆砌式设计方式

舰船总体设计思想和我国航空工业二代战斗机的设计思想相同。其中很大一部分的工作是将各设备制造单位的设备安装到舰船船壳里，然后按照设备要求供油、供气、供电、供水[2]。当设备数量不多时，完成这种工作还比较容易。随着对舰船性能的不断提高，堆砌的设备越来越多，船壳内渐渐被塞满，“蒜瓣”包不住，于是只有增大排水量。随之而来的，舰船总体快速性、续航力等指标会下降，陷入恶性循环，问题愈发暴露出来。

1.2 各系统、专业的设计相对独立

舰船总体设计是总、船、机、电各专业紧密配合的一项工作，一般项目均需上述专业共同合作完成。但是在进行论证和技术协调时，提到总体专业，被关心得最多的是多重、多大和总体性能；提到船体专业时，被关心得最多的是结构强度和安全[3]；提到机械专业时，被谈及最多的是液压和冷却需求；提到电气专业，被谈及最多的是用什么电制，负荷多大。在总体设计中缺少一个站在更高层面的角色，来整合优化资源。例如：目前舰船上各系统的信号采集、指示、报警等绝大部分是相对独立设计的，因此在舰船上可见形形色色的信号处理箱、指示灯盒、报警器。它们的生产厂家众多、结构形状不一、设备功能重复，给船员的使用、维护带来了不便，也占用了舰船上宝贵的空间。

1.3 总体设计工作不够精细

目前，舰船的总体设计比较粗放。设计的依据仍是现有的标准规范以及一些设计经验。随着新技术的快速发展，对舰船的性能提出了更高要求，这时，现有的一些标准规范会显得过于保守（如设计裕量过大），制约了新技术的应用，也给总体设计造成了一定的负担。例如：在设备马脚的选型及其高度的选取时，在设计设备的基座时，在设备电缆与管路的选型时，以及在船体结构部件的设计中，都存在设计裕量过大这种现象。另外，在系统油、水、气等容量的设计，以及辅机的功率选取时也存在冗余过大的问题。

1.4 总体对设备体积重量控制不够严格

由于总体对各设备制造单位约束力不够，各设备单位考虑到自身利益，设备的体积和重量裕量往往保留得过大。例如，某型舰船上的液压站中间控制箱，在总体设计时预留的体积为 390 mm×475 mm×280 mm，重量为24 kg。实际上，该设备仅由一个万能转换开关、一个继电器板和端子排组成。按照上述预留空间制造的设备，其内部绝大部分的空间被浪费了。另外，在产品研制过程中，相关的新设备研制同步进行。往往设备的技术规格书签署时设备还没有开始研制。因此在确定设备体积和重量时，设备生产厂家会给自己留非常大的裕量。由于设备组成及结构形式均没有定论，因此总体单位此时也无法对设备体积和重量进行干预。经初步统计，在某型舰船设备技术规格书修改的文件中，80%以上都涉及到设备重量的修改。

1.5 总体对设备接口控制不够严格

除体积和重量控制不够严外，在新设备和产品同步研制过程中，设备单位提出的油、水、气、电接口参数会留较大的裕量。总体部门根据各设备单位提供的参数进行总体油、水、气、电系统的设计，往往也会留一定的裕量，造成“过设计”。系统的液压源、水源、气源、电源设备体积重量会增加，系统管路、电缆均会过粗或过重，对总体造成沉重的负担。例如：某电气设备的技术规格书规定其额定功率为250 W，而实测只需60 W，实测值与规定值相差几倍，造成电缆选型、保护器件选型等均不同程度的放大。

1.6 总体对新技术、新产品的运用不够

在舰船总体设计中，即使有新技术、新产品可供选用，但是为了降低技术风险以及减少工作量，通常会沿袭以往设计的做法。这样做虽然可以减少技术风险，减少工作量，但是难以满足甲方的使用需求，也跟不上时代的发展。例如，舰船上用的开关、接线盒，从20世纪60年代到现在都没变过。材质采用的是黄铜，重量都在1 kg以上。实际上，现在有很多采用非金属材料的开关、接线盒可供选择。其重量只有黄铜材质开关、接线盒的1/4。如果能运用这些新产品，不仅可以减小总体设计的压力，还可以带来显著的技术和经济效益。

2 集成优化思想在舰船总体设计中的实现途径

舰船配置系统复杂，参与人员众多，其操作、运行需要多个专业，多个战位的人员协调配合完成。操作形式既有遥控操作，也有现场手操，还包括传令和回令等。在舰船总体设计中实现集成优化要求有多种途径。

2.1 网络信息技术的运用

网络技术的优点是传输数据量大，扩展方便。现在工业控制中现场总线技术、网络技术已经相当发达，而目前我国舰船上大部分的信息交互仍然停留在点对点的水平。通信协议各式各样，线路繁多复杂，无法实现信息真正的互联互通。不但造成了资源浪费，也为后期升级改造增加了难度。因此以自动化、网络化为基础，借助现代信息技术，可以加快舰船平台设计模式和体系结构的升级与改革。通过对动力、电力、操船、保障、大气监控等系统实施信息化、网络化综合集成，来实现对全船的综合管理与控制，达到提高舰船操作效率、降低船员配置、进而提高舰船总体性能等目的[4 – 5]。

2.2 标准化的硬件

目前舰船上大部分的系统、设备是独立开发的，还没有统一的规范，设备的标准化程度很低。例如，各类监控设备的设置由于总体单位的约束不够，导致功能单一、可扩展性差，造成大量的资源浪费，对舰船的后期维护升级改造也带来很大的困难。图1为典型的舰船信息化系统构架图，其主要控制流程为：信号采集→信号处理→信号传输→控制逻辑→反馈。具体对应的硬件设备为传感器→I/O设备→网络设备→显控设备→I/O设备[6]。如果采用标准化的传感器、标准化的现场信息处理设备、标准化的显控台，实现设备的标准化、模块化和系列化，则可提高系统的通用性、灵活性和开放性，这也有利于装备的改造升级。

图 1 舰船信息化系统构架Fig. 1 Basic system structure of warship information system

2.3 以“软”代“硬”

目前舰船上设备的控制都是通过自带的控制器或者集控台来实现，各控制器和控制台数量繁多，功能单一，兼容性差。如果后续升级改造，必须通过新增设备或者连同原有设备一起更换，大大增加了后续升级时间和成本。而设备的控制如果采用软件实现，则有利于实现标准化和模块化，具有功能扩展方便、不占体积等优点。结合网络化信息化技术和标准化的硬件，可轻松实现设备功能的扩展。因此，应尽量开发、使用通用型的多功能设备，充分发挥软件的优势，以适应任务变化对功能变化的需求，提升系统及设备执行多任务的能力和适应任务变化的能力[7 – 8]。图2为典型的软件结构图。这种系统结构具有良好的开放性，可实现包括平台、动力和作战系统任务应用软件的同时运行。具体实施时，可将应用软件划分成多个组成模块，每个模块都是具有一定功能、具备对外接口的软件实体，以便于升级维护管理和软件复用。

图 2 典型的软件结构Fig. 2 Typical software structure

2.4 资源整合优化

在增加信息化指标要求的同时，总体、系统应该勇于主动打破传统设备、系统的条条框框及利益划分，从有利于提高总体性能的角度开展资源整合优化工作。例如：可从优化总体、系统功能需求出发，尽可能地取消、整合各类单一功能设备；深入参与各类设备的具体设计工作，并为设备的标准化、模块化提供帮助；统一考虑供油、供气、供电、供水等几个方面接口的标准化；通过设备、系统功能的整合优化人员编制。

图3为某舰电力系统集成优化设计前后对比图。可以看出，集成化优化设计不仅可以减少设备的重量和数量，还有利于节省人力成本，提高舰船的综合性能。

图 3 某舰电力系统集成优化设计前后对比Fig. 3 Comparison of integrated optimization design of a warship's power system

3 集成优化设计思想对舰船总体设计提出的要求

集成优化设计思想的提出并非偶然。它能显著改善舰船空间的利用率，降低后期维护难度，简化船员的操作。然而，要实现装备的集成优化难度非常大。对于总体设计部门而言，需要协调好各设备单位之间的利益关系，并给予一定的设计授权。反过来，集成优化思想对总体设计也提出了更高要求。

3.1 要求总体设计人员转变思路，勇于创新

目前，我国军工受益于集成化的典型案例是战斗机。航空工业二代战斗机向三代战斗机设计理念的转变经历了一个很大的阵痛期，但最终克服了种种困难，实现了技术上质的飞跃。舰船上的设备众多，对集成化设计的需求也很迫切，但目前进展比较缓慢。为此，需借鉴航空部门的经验，转变思路，结合自身特点，将被动拼凑式设计方式改为主动规划式设计方式，勇于开展技术创新，并探索由于技术创新引起的管理创新，实现跨越式发展。

3.2 要求总体设计人员素质更加全面

一方面集成化要求各方面的资源能优化利用。这要求总体设计人员具有较高的大局观，较好的前瞻性，能够打破专业、系统的限制；另一方面总体设计人员以往只关心设备的重量、体积、接口以及性能指标，对设备内部组成以及工作原理并没有深入的研究。随着集成优化对设备的体积和重量有更严格的要求时，这需要总体设计人员对设备的组成、工作原理等有详细的了解。同时，还需要对电气设备结构设计、热设计、电磁兼容设计、三防设计等具有较高的理论和实践经验。如前所述，网络化、信息化以及现代控制技术都是以软件为核心的，这也需要总体设计人员克服相关理论不足的短板，能熟悉软件的相关标准规范，具有一定的制定软件的理论水平。

3.3 要求总体设计更加精细

目前，集成化需求比较紧迫的是对舰船上各种电气电子设备进行优化整合。除此之外，对舰船上的机械部分，例如船体结构设计、设备管路马脚、基座设计、电缆与管路选型等，也需要进行优化整合。为保证设计的精细度，建议利用计算机辅助设计技术、计算机仿真技术对设计进行分析，打破标准规范的约束，实现设计的最优化。通过先进的仿真设计技术使电力负荷计算、电力系统结构、控制网络设计、总体电磁兼容设计等工作更加合理和精准。

3.4 要求总体设计手段更加先进

总体设计单位能够让各设备、系统单位根据其总体规划和构架开展工作，必须能够拿得出充足的理论和实验数据来证明其顶层设计的合理性。目前先进的数字式系统仿真技术、数字式控制机电系统技术、计算机辅助设计/分析技术、计算机辅助实验技术、计算机辅助制造技术等手段来都可以验证设计结果的合理性。对于舰船总体设计而言，也应采用更加先进的设计、验证手段，采用计算机辅助仿真/实验技术等设计手段来验证总体设计的合理性[9 – 11]。

4 舰船总体设计集成优化工作开展的建议

集成优化工作不是一蹴而就的，需要进行长期的研究和探索，并充分发挥总体设计部门的大局观、协调抓总能力、技术创新能力。为便于舰船总体设计集成优化工作的开展，建议从4个方面尽快开展设计工作。

4.1 尽快开展顶层设计研究

集成优化工作如果到产品的论证阶段再实施的话已经来不及，在产品论证阶段只能是对设备选型和设计优化、对部分设备进行整合优化、对操作模式进行优化。然而，这些优化均不能从总体、系统的顶层开始进行全新的设计。因此，在产品的论证阶段前，总体设计部门应对各系统工作流程进行清理，开展顶层设计研究。在装备需求定义、总体顶层设计和各系统性能分配、各系统的规划和构架、实验体系规划、综合保障规划等方面开展工作。

4.2 尽快开展标准规范的研究和制定

为落实2.1，2.2和2.3的优化工作，应尽快开展《舰船重量体积与总体接口管理规定》，《舰船多功能标准显控台设计规范》，《舰船控制设备网络接口设计规范》，《舰船现场控制设备指导性设计规范》，《舰船传感器、执行器指导性选型规范》，《舰船软件设计规范》，《舰船软件测试规范》和《舰船平台综合管理系统接口协议制定规范》的研究和制定。

4.3 进行相关专题的研究

为落实2.4的优化工作，应尽快开展集成优化与设备、系统可靠性关系的研究；开展集中控制与分散控制对比分析研究；开展人机工程研究；开展专用电源整合技术研究；开展网络信息安全技术研究；开展船员任务决策支持、综合运行管理、舰船健康状态评估技术研究等专题的研究工作。

4.4 复合型人才的培养

3.2节提到集成优化设计要求总体设计人员既要懂系统又要懂设备，更要懂总体；既要懂硬件又要懂软件。因此在人才培养中可多派人员参加一些专业的研修班，多深入到设备生产单位掌握一些电子设备结构与工艺设计、软件可靠性与测试性技术、可靠性系统工程设计、电子产品可靠性与环境实验设计、电子设备及产品热设计等技术。另外在人才引进时，可优先考虑具有软件背景的自动控制专业人才。

5 结 语

在舰船总体设计中采用集成优化设计思想刻不容缓。各专业应贯彻集成优化思想，转变思路，勇于创新，勇于合并集成，同时还需提高自身素质，采用更先进的设计手段，进行更精细化的设计，实现总体资源的优化利用，以提高舰船空间利用率以及舰船综合性能。