總體者,集大成也

1 “總體”是什么？

舟船的歷史幾乎同人類的歷史一樣久遠(yuǎn)，蒸汽機(jī)的發(fā)明譜寫了現(xiàn)代艦船的篇章，相應(yīng)地艦船設(shè)計也成為經(jīng)典成熟的技術(shù)門類。

艦船行業(yè)習(xí)慣將艦船劃分為“船、機(jī)、電”三大專業(yè)。為了強(qiáng)化總體在艦船設(shè)計中的地位，將船型、航行性能和總布置獨(dú)立于“船”之外稱為“總體”，就有了“總、船、機(jī)、電”的劃分，它是特殊歷史條件下的特殊產(chǎn)物，而我們沿用這樣的分類已有約半個世紀(jì)的歷史。在這種分類中，艦船“總體設(shè)計”包括幾何特性、重量和容積量度、艦船與水相互作用性能(浮性、穩(wěn)性、不沉性、快速性、耐波性、操縱性等)[1]。

這樣稱謂“總體”，當(dāng)然有以偏概全之嫌。為了適應(yīng)艦船科技的發(fā)展，就有了“大總體”和“小總體”之說[2]。但是，對艦船總體的理解仍停留在以機(jī)械化為特征、以平臺為中心的時代。

“總體”到底是什么？

《高級漢語詞典》釋義：“總”的本義是聚束、系扎；總體是由若干個體組成的事物，或稱整體?！掇o?！?1979年版)將總體定義為“事物的全部”。由此可知，艦船總體應(yīng)是由艦船的全部個體組成的整體，通俗地說，裝在艦船上隨船一起走的一切東西構(gòu)成艦船總體。

著名學(xué)者錢學(xué)森說：“我們把極其復(fù)雜的研制對象稱為系統(tǒng)，即由相互作用和相互依賴的若干組成部分結(jié)合而成的具有特定功能的有機(jī)整體，而且，這個系統(tǒng)本身又是它所從屬的一個更大系統(tǒng)的組成部分?！笨傮w與個體是相對的，某個能作為總體的事物在一個更大的體系中就是個體。單艘艦船在交通體系中，在海軍作戰(zhàn)力量體系中就是個體。我們熟悉的移動通信手機(jī)，個頭雖小，但包含了外殼、鍵盤、顯示屏、射頻系統(tǒng)、處理器、存儲器、軟件等個體，也是一個個體豐富的總體，但是單個手機(jī)發(fā)揮不了通信功能，它是移動通信體系中的個體；雷達(dá)總體包含了天饋、伺服、發(fā)射、接收、信號處理、終端等個體，它是作戰(zhàn)系統(tǒng)中的個體；而載人飛船工程總體包含航天員系統(tǒng)、飛船應(yīng)用系統(tǒng)、載人飛船系統(tǒng)、運(yùn)載火箭系統(tǒng)、測控通信系統(tǒng)、著陸場系統(tǒng)[3]等規(guī)模龐大的個體。航空母艦的總體應(yīng)是母艦上搭載的包括飛機(jī)在內(nèi)的所有個體的集合。

從這個意義上講，總體就是集成，總體設(shè)計就是集成設(shè)計。任何一個工程“總體”都必須明確界定其涵蓋范圍，總體設(shè)計涉及的范圍應(yīng)與工程任務(wù)范圍相對應(yīng)。

至于占大部分設(shè)計工作量的船型、航行性能、總布置、船體等設(shè)計工作，只是艦船總體之中的特殊個體設(shè)計，是艦船設(shè)計的一部分,而不是艦船總體設(shè)計的全部。

2 “總體”干什么？

作為艦船總體設(shè)計工作者，我們極不情愿將艦船總體設(shè)計局限于安裝設(shè)計，但在實(shí)踐中，我們的工作卻往往帶有濃重的安裝設(shè)計的烙印?？傮w設(shè)計就是船體設(shè)計加上負(fù)載安裝設(shè)計的觀念仍然盛行：總體的任務(wù)就是設(shè)計一個好的船型，匹配一套好的動力系統(tǒng)，按用戶要求配設(shè)備，“總體”盡力而為，能裝多少就裝多少，并盡量滿足負(fù)載的環(huán)境和供給需求。比較有代表性的論述是：艦船的研制在限定條件下，應(yīng)盡量為提高艦船作戰(zhàn)能力和生存能力創(chuàng)造條件，并權(quán)衡可用性、可靠性、維修性、保障性、安全性、隱蔽性、兼容性、居住性和經(jīng)濟(jì)性之間的關(guān)系[4]。

總體設(shè)計不只是安裝設(shè)計，總體到底干什么？

總結(jié)傳統(tǒng)的設(shè)計理論和設(shè)計實(shí)踐，結(jié)合現(xiàn)代系統(tǒng)工程理論和方法，艦船總體設(shè)計應(yīng)包括能力集成、相互作用集成和空間集成，這些方面的集成內(nèi)容也是相互關(guān)聯(lián)的。

2.1 能力集成

艦船能力集成包括功能和性能兩個方面，反應(yīng)目標(biāo)系統(tǒng)(艦船)完成使命任務(wù)的能力度量。一般從定性分析和定量分析兩方面進(jìn)行能力集成分析。

能力集成是艦船總體設(shè)計最核心的工作內(nèi)容?？傮w能力不是個體能力的簡單相加或疊合，若干個體集成后的綜合能力是否最優(yōu)，是總體設(shè)計者首要關(guān)心的問題，個體能力能否在總體集成后得到最充分的發(fā)揮，也是體現(xiàn)總體設(shè)計水平的重要標(biāo)志。我們都知道，艦船總體集成后的個體性能是不可能全部等同于其在自由空間的性能。聲納的性能受艦船輻射噪聲的影響；電子對抗系統(tǒng)性能受艦船雷達(dá)波散射面積(RCS)影響；船、機(jī)、槳匹配不好也不能充分發(fā)揮每個個體的能力。同樣的例子不勝枚舉。

能力集成是在規(guī)定的限制條件下追求規(guī)定的目標(biāo)。基于不同的總體觀，會有不同的表述：

1) 在配置了數(shù)量眾多性能先進(jìn)的電子武器裝備之后，能達(dá)到航速、穩(wěn)性等總體要求；

2) 在滿足航速、穩(wěn)性的前提下，配置的電子武器裝備達(dá)到了最佳的總體使用效能；

3) 以有限的可選裝備集成綜合性能兼優(yōu)的艦船。

第二條表述較第一條更直接地反映艦船的軍事用途，第三條表述更能被大多數(shù)人接受。在經(jīng)濟(jì)和科技都處在發(fā)展中的特殊歷史階段，可供總體設(shè)計選用的動力裝置、機(jī)電設(shè)備、電子武器裝備確實(shí)非常有限，艦船總體設(shè)計常面臨巧婦難為無米之炊的窘境。所以，以有限的可選裝備集成綜合性能兼優(yōu)的艦船，就成為總設(shè)計師的追求。

但是，什么是艦船的綜合性能呢？我們已經(jīng)有了部分能反映集成后能力的指標(biāo)，如航行性能就是船體與推進(jìn)系統(tǒng)能力的綜合，但是，我們還未建立能反映艦船完成其使命任務(wù)能力的頂層指標(biāo)體系。我們要幫用戶回答：“我買這艘船干什么?”或者我們向用戶推薦產(chǎn)品時告訴他“這艘船能干什么”。雖然航速指標(biāo)很重要，但是，艦船絕不是用來比賽速度的。艦船不同于貨船或客船，不能僅僅以航行性能和裝載能力來表征總體能力，而應(yīng)將其搭載的軍事用途的特種裝置和艦員一起，將整體所表現(xiàn)出的能力作為總體能力。

因此，如何建立反應(yīng)艦船總體能力的指標(biāo)體系，成為總體集成設(shè)計的關(guān)鍵。

為滿足海軍履行新世紀(jì)新階段使命任務(wù)所面臨的轉(zhuǎn)型要求，艦船的總體能力應(yīng)從如下幾個方面描述：

1) 單艘艦船在海軍作戰(zhàn)力量體系中的地位和作用；

2) 兵力投送范圍、速度和強(qiáng)度；

3) 對抗各種威脅的空間范圍和強(qiáng)度。

艦船的總體性能應(yīng)是艦船能力的最頂層描述，它決不是各個分系統(tǒng)性能的簡單疊加，不能將艦船平臺及其搭載的任務(wù)系統(tǒng)完全隔離開來討論艦船總體頂層性能。例如：對導(dǎo)彈或魚雷的防御能力，反導(dǎo)或防魚雷的軟硬武器只是主動防御，艦船的抗打擊能力是被動防御，主動防御和被動防御共同構(gòu)成艦船總體的防御能力，艦船總體設(shè)計者就要綜合權(quán)衡主動防御與被動防御的效果及其代價,以取得最佳效費(fèi)比。再者，防御武器的對抗效能與艦船平臺的特性密切相關(guān)，船越大目標(biāo)特性越明顯，越難防；但是，船越大，可供裝載主動防御武器的空間就越多，裝甲越堅固。因此，作為總體設(shè)計的一項(xiàng)重要內(nèi)容，就是描述各個裝備集成到艦船后所形成的綜合能力。

2.2 相互作用集成

在集成環(huán)境中，每個個體都不是孤立的，都是相互關(guān)聯(lián)的。它們之間存在大量的相互作用關(guān)系，有直接的機(jī)械力作用，能量轉(zhuǎn)換與傳遞作用、場作用、信息傳遞作用，這些相互作用的集成設(shè)計是能力集成的物質(zhì)基礎(chǔ)。如果將艦員也作為基本集成單元——特殊的個體，那么，還應(yīng)包括人與設(shè)備及其工作和生活環(huán)境的相互作用，相互作用集成的內(nèi)涵就更豐富、更準(zhǔn)確。概括起來，相互作用包括力、能、場、信、人等方面。

實(shí)際上，艦船與外界的相互作用構(gòu)成了艦船總體性能。航速就是船與水的相互作用結(jié)果，對抗能力反映了艦船與典型威脅目標(biāo)的相互作用的結(jié)果。當(dāng)然，艦船與自然環(huán)境的相互作用有更多的不確定性，與威脅目標(biāo)的相互作用具有明顯的博弈性質(zhì)，而艦船內(nèi)部的相互作用的可控性，完全掌握在艦船總體設(shè)計者手中。

2.3 空間集成

艦船是水上活動建筑物，在有限空間范圍內(nèi)完成能力的集成和相互作用集成，基礎(chǔ)的工作就是空間集成，也就是傳統(tǒng)的安裝設(shè)計?？臻g集成應(yīng)服從于能力集成和相互作用集成。

空間集成的關(guān)鍵是船型和總布置。船型設(shè)計除了考慮水動力特性、隱蔽性、堅固性以外，還必須為空間集成奠定容積基礎(chǔ)?？臻g集成的對象實(shí)體是硬件。

空間集成受艦船總?cè)莘e和重量重心制約，空間集成的目標(biāo)應(yīng)有利于個體之間高效、穩(wěn)定、可靠地進(jìn)行有益的相互作用，最大限度地減少有害的相互作用，最終體現(xiàn)在總體能力最優(yōu)。

3 “總體”怎么干？

總體由若干個體集成而得，某個總體又是更上一層總體的個體，某個個體還可劃分成更小的個體?？傮w設(shè)計應(yīng)將個體視為整體，重點(diǎn)關(guān)注個體與個體之間的關(guān)系，至于個體中各子個體之間的關(guān)系，則由該個體的設(shè)計者重點(diǎn)負(fù)責(zé)。艦船總體設(shè)計應(yīng)該在能力集成、相互作用集成、空間集成等方面描述組成艦船的各個個體之間的關(guān)系、個體與總體之間的關(guān)系以及艦船總體與環(huán)境的關(guān)系(水、電磁場、聲場、敵我目標(biāo)等等)。

那么，艦船總體到底由哪些基本的個體組成？或者說，艦船總體集成的基本個體單元“粒度”(所含事物數(shù)量、規(guī)模)多大合適？以什么為準(zhǔn)則將艦船劃分成若干個“粒度”合適的個體？這是我們在工程設(shè)計中必須解決的問題，這也是如何發(fā)揮總體設(shè)計龍頭牽引作用的關(guān)鍵所在。

如何將艦船總體劃分成若干個體，最重要的準(zhǔn)則是有利于分析研究解決問題，有利于總體設(shè)計。

3.1 “粒度”適度

集成設(shè)計所涉及的個體“粒度”越小，其工作量越大，反之亦然。個體“粒度”越小，越有利于優(yōu)化資源配置效益，總體設(shè)計發(fā)揮的作用越顯著。我們的目標(biāo)是找到一個平衡點(diǎn)，在充分發(fā)揮總體設(shè)計作用，達(dá)到最優(yōu)集成效果的前提下，“粒度”適中。信息化能力的提高，使扁平化管理成為可能，同樣，隨著設(shè)計手段的信息化水平提高，使小“粒度”總體設(shè)計成為可能。

3.2 “內(nèi)聚”性強(qiáng)

一切事物都是互相聯(lián)系的,但事物之間聯(lián)系的緊密程度是有差異的,我們把少依賴其它事物的性質(zhì)稱為“內(nèi)聚”。內(nèi)聚性強(qiáng)弱確實(shí)是我們分析事物的基本依據(jù)。例如：為了科學(xué)研究的方便，高級生物體被劃分成運(yùn)動系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)等系統(tǒng)，這是使各個系統(tǒng)之間關(guān)聯(lián)度最小、系統(tǒng)功能內(nèi)聚性最好的劃分結(jié)果。與此相仿，構(gòu)成艦船的基本要素包括船體、推進(jìn)系統(tǒng)(帆、櫓、槳……)、操控機(jī)械(舵、錨、系纜……)、任務(wù)系統(tǒng)(觀察、通信、指控、武器……)、能源系統(tǒng)(供、配電)、生活保障系統(tǒng)等。按相互關(guān)聯(lián)緊密程度，可以將船體、推進(jìn)系統(tǒng)、機(jī)械和能源系統(tǒng)劃并為“平臺系統(tǒng)”，相應(yīng)地艦船可大致分為“平臺系統(tǒng)”和“任務(wù)系統(tǒng)”兩大部分，這是我們熟知的按功能劃分系統(tǒng)的辦法，簡單易行。

在能力集成時，我們強(qiáng)調(diào)總體的綜合性，即描述艦船綜合性能，而不能將艦船總體性能簡單地分為平臺性能和任務(wù)系統(tǒng)性能。但是，以“高內(nèi)聚”、“低耦合”原則，將艦船總體劃分成若干相對獨(dú)立的“個體”有利于簡化分析問題。這也是科學(xué)研究常用的綜合與分析相結(jié)合的方法。

但是，隨著科技進(jìn)步，一方面專業(yè)越來越細(xì)，另一方面，各專業(yè)的融合產(chǎn)生新的集成系統(tǒng)，各個層面的一體化趨勢越來越明顯。當(dāng)前，我們已經(jīng)面臨著電力推進(jìn)帶來的動力系統(tǒng)與電力系統(tǒng)之間重新劃界問題；集成射頻技術(shù)帶來的雷達(dá)、對抗、通信等系統(tǒng)之間的界面問題；多功能垂直發(fā)射裝置帶來的各種導(dǎo)彈、魚雷傳統(tǒng)界面劃分問題。傳統(tǒng)的功能系統(tǒng)正面臨著挑戰(zhàn)，艦船總體“進(jìn)化”的需求越來越強(qiáng)烈。

3.3 二維架構(gòu)

既然傳統(tǒng)的功能系統(tǒng)劃分面臨挑戰(zhàn)，總體集成能否另辟蹊徑呢？借鑒信息系統(tǒng)、管理系統(tǒng)矩陣式的思想，艦船總體設(shè)計也可突破傳統(tǒng)的一維系統(tǒng)劃分模式，分別以相互作用形式和功能系統(tǒng)為正交軸的二維矩陣式方式劃分系統(tǒng)，以適應(yīng)不斷變化、發(fā)展的技術(shù)潮流。

艦船總體設(shè)計所涉及的基礎(chǔ)學(xué)科范圍涉及力(水動力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué))、能(動力及能源裝置、制冷、熱輻射控制)、場(無線電設(shè)備、電磁輻射特性控制、聲吶、聲場特性控制)及信(信號、信息、知識智能)等，這些基礎(chǔ)學(xué)科類別與艦船總體集成所涉及的個體間相互作用類別相對應(yīng)。以相互作用形式為基礎(chǔ)，可以建立水動力系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、電磁場系統(tǒng)、聲學(xué)系統(tǒng)等，其它所有派生出來的技術(shù)門類都可以作為它們的子系統(tǒng)。這樣，我們完成了橫向系統(tǒng)構(gòu)建。

傳統(tǒng)的功能系統(tǒng)作為與相互作用形式正交的垂直系統(tǒng)，每個功能系統(tǒng)都是由若干個橫向系統(tǒng)個體組成。例如：船體系統(tǒng)包括了水動力、結(jié)構(gòu)、電磁場、聲學(xué)等系統(tǒng)；動力系統(tǒng)包括了水動力、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、信息、電磁場、聲學(xué)等系統(tǒng)；艦炮系統(tǒng)包括了結(jié)構(gòu)、機(jī)電、信息、電磁場、聲學(xué)等系統(tǒng)，以此類推，可以分析其它所有功能系統(tǒng)。

這樣的系統(tǒng)劃分模式兼顧了功能內(nèi)聚性和專業(yè)的內(nèi)聚性，具有良好的可擴(kuò)充性和重組特性，適應(yīng)專業(yè)細(xì)分的“擴(kuò)容”和一體化的功能“融合”，而且非常有利于研發(fā)、設(shè)計資源的優(yōu)化配置。

4 以能力為本

艦船總體設(shè)計應(yīng)以提升艦船能力為根本出發(fā)點(diǎn)。艦船是典型的多任務(wù)系統(tǒng)，在強(qiáng)調(diào)體系對抗的時代，我們不再追求單個平臺面面俱到，而是突出主要能力，突出協(xié)同攻防，兼顧自身防御。

艦船總體設(shè)計應(yīng)以提升艦船能力為根本出發(fā)點(diǎn)，提升艦船能力不是簡單地增加設(shè)備。在不可能無休止地增加設(shè)備的情況下，如何取舍，體現(xiàn)總體設(shè)計者對主要任務(wù)能力的把握?？梢陨釛墝傮w主要任務(wù)能力指標(biāo)不敏感的部分設(shè)備，重點(diǎn)確保對總體主要任務(wù)能力貢獻(xiàn)巨大的系統(tǒng)設(shè)備。因此，建立評價總體能力的頂層指標(biāo)體系至關(guān)重要。

艦船總體設(shè)計應(yīng)以提升艦船能力為根本出發(fā)點(diǎn)。單靠增加設(shè)備提升能力是會出現(xiàn)拐點(diǎn)的。為了騰出更多的空間，減輕重量，減少有害相互作用，必須想方設(shè)法剔除掉“冗余”的、無貢獻(xiàn)的“個體”。只有做好“減法”，才有可能做“加法”。減少設(shè)備的種類、數(shù)量、體積、重量，對艦船總體能力的提升帶來的益處不言而喻。總體層面一體化是“做減法”的唯一有效手段，小“粒度”的總體設(shè)計就是一體化的高端體現(xiàn)。

“一體化”的本質(zhì)是在更高的層面實(shí)現(xiàn)資源整合?！翱傮w”與“個體”的一體化是矛盾的對立統(tǒng)一體。一體化的前提是將既有的個體分解成“粒度”更小的個體，進(jìn)而將功能相同或相似的小“粒度”個體在總體層面進(jìn)行資源整合。一體化是針對特殊用途的特定封裝，絕不是封閉，絕不意味著總體對“一體化的分系統(tǒng)”必須照單全收。開放的小“粒度”設(shè)計可支持各層次的一體化封裝。

由于大型相控陣天線、多功能垂直發(fā)射裝置等大構(gòu)件上艦，艦船結(jié)構(gòu)加強(qiáng)帶來的增重等惡性循環(huán)越來越制約艦船總體能力的提高。如果艦船結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計，將大構(gòu)件拆分成小安裝單元，結(jié)構(gòu)減重帶來的積極效應(yīng)非同小可。初步估算，相控陣?yán)走_(dá)與艦上層建筑結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計，可減重20%～30%，這樣可極大緩解由于重量重心對于陣面陣元數(shù)量的限制，因而可提升艦船的探測距離及精度。當(dāng)然這樣會使總體設(shè)計變得復(fù)雜，工作量加大，還要解決制造工藝難題。為了總體能力的提升，難道不值得我們?yōu)榇伺幔?/p>

當(dāng)靠增加設(shè)備提升艦船能力出現(xiàn)瓶頸時，就應(yīng)該像設(shè)計戰(zhàn)斗機(jī)一樣設(shè)計艦船，將獨(dú)立安裝單元從機(jī)柜變成抽屜甚至插件，斤斤計較每個部件，精細(xì)設(shè)計每個單元。

制冷和電源技術(shù)是專業(yè)性較強(qiáng)的行當(dāng)，全船統(tǒng)一設(shè)計、配置會極大提高制冷和電源的性能及穩(wěn)定性，減少配套設(shè)備種類和數(shù)量。所謂“術(shù)業(yè)有專攻”，為了提升艦船總體能力，值得為此努力。

由于天饋線、發(fā)射接收等公共資源可以共用，雷達(dá)、電子對抗、通信等無線電設(shè)備具有一體化的基礎(chǔ)。由于不可能無節(jié)制地增加艦船上的無線電設(shè)備，當(dāng)能力提升出現(xiàn)瓶頸時，射頻一體化就會從愿望變成現(xiàn)實(shí)。

凡是有協(xié)同功能需求的設(shè)備之間必然有信息的交互。由于信息技術(shù)的專業(yè)性和通用性，全船信息系統(tǒng)一體化設(shè)計是最容易在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)的，需要克服的困難只是利益分配問題。信息系統(tǒng)一體化設(shè)計最大的益處在于“減員增效”，裁減“冗員”對提升艦船總體能力的貢獻(xiàn)不言而喻。

艦船總體層面的一體化集成還有許多大有可為的領(lǐng)域，如：電力推進(jìn)與綜合能源系統(tǒng)、綜合的集體防護(hù)系統(tǒng)等等，限于篇幅，不一一列舉。

船小能力強(qiáng)是艦船總體設(shè)計者的追求。斤斤計較地進(jìn)行小“粒度”精細(xì)設(shè)計，進(jìn)而在總體層面進(jìn)行一體化集成是提升艦船能力的有效途徑和歷史必然。

[1] 邵開文，馬運(yùn)義.艦船技術(shù)與設(shè)計概論[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005.

[2] 尤子平.艦船總體系統(tǒng)工程[M].北京：國防工業(yè)出版社，1998.

[3] 袁家軍.神州飛船系統(tǒng)工程管理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[4] GJB4000-2000艦船通用規(guī)范.