艦船頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)最優(yōu)分配問題計(jì)算方法

王明豐

(中國艦船研究院，北京 100192)

艦船頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)最優(yōu)分配問題計(jì)算方法

王明豐

(中國艦船研究院，北京 100192)

基于大型復(fù)雜工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化算法，開展了艦船頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)最優(yōu)分配的計(jì)算方法研究，基于協(xié)同優(yōu)化算法提出了艦船頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)最優(yōu)分配的一種通用算法框架。

艦船;設(shè)計(jì)指標(biāo);最優(yōu)分配;計(jì)算方法

0 引言

現(xiàn)代艦船頂層設(shè)計(jì)是一項(xiàng)大型的復(fù)雜系統(tǒng)工程，涵蓋多個(gè)學(xué)科和專業(yè)，存在大量的設(shè)計(jì)變量和約束條件。隨著艦船工業(yè)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代水面作戰(zhàn)艦船對(duì)總體綜合性能的要求越來越高，采用傳統(tǒng)的指標(biāo)分配方法越來越難以滿足現(xiàn)代艦船綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)的需要。本文將基于大型復(fù)雜工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化算法思想，開展現(xiàn)代水面作戰(zhàn)艦船頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)最優(yōu)分配的計(jì)算方法分析研究。

1 艦船頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)最優(yōu)分配研究的意義

艦船頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)最優(yōu)分配問題本質(zhì)上是一個(gè)最優(yōu)化問題，主要是將艦船研制總要求分解為各系統(tǒng)設(shè)備的研制要求，具體是在艦船總體或系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)中，將頂層的“設(shè)計(jì)要求”、“設(shè)計(jì)余量”等分配給各子系統(tǒng)或設(shè)備，以確定各子系統(tǒng)或設(shè)備設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)的總體約束條件。

現(xiàn)代水面作戰(zhàn)艦船發(fā)展和更新速度快，通常有大量新研或改進(jìn)的艦載武器裝備上艦，系統(tǒng)設(shè)備研制周期較短，技術(shù)狀態(tài)要求較高。如何根據(jù)我國艦船工業(yè)實(shí)際能力，提出滿足用戶作戰(zhàn)使用需求的頂層、總體以及各系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)的技術(shù)指標(biāo)體系，對(duì)于保證艦船的技術(shù)先進(jìn)性以及研制的進(jìn)度、質(zhì)量都至關(guān)重要。

對(duì)用戶來說，往往都期望獲得技術(shù)更先進(jìn)、作戰(zhàn)能力更強(qiáng)、使用維護(hù)更簡單、可靠性更高、造價(jià)更低的艦船。但對(duì)子系統(tǒng)或設(shè)備設(shè)計(jì)師來說，往往都期望獲得更寬松的指標(biāo)要求以便獲得更多的設(shè)計(jì)余量，比如更低的精度指標(biāo)、更大的重量指標(biāo)、更低的可靠性指標(biāo)、更高的造價(jià)指標(biāo)，從而降低本系統(tǒng)或設(shè)備的設(shè)計(jì)難度。在這種情況下，總設(shè)計(jì)師和決策者都不得不面對(duì)頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)的最優(yōu)分配問題。

總設(shè)計(jì)師需要綜合各種約束條件，分層次進(jìn)行綜合權(quán)衡，將頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)以及最優(yōu)方式分配到各系統(tǒng)和設(shè)備，建立起從艦船頂層到系統(tǒng)再到設(shè)備級(jí)的技術(shù)指標(biāo)體系。盲目分配頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)將難以通過設(shè)計(jì)得到整體性能較好的系統(tǒng)，常常會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品在試制、試驗(yàn)過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的技術(shù)問題或質(zhì)量問題，過于苛刻的指標(biāo)要求可能造成整個(gè)艦船系統(tǒng)研制的瓶頸，過于寬松的指標(biāo)約束可能直接導(dǎo)致裝備性能的落后，甚至在交付裝備中出現(xiàn)功能和性能上的缺陷，直接影響整個(gè)艦船的總體性能。

艦船頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)最優(yōu)分配問題的計(jì)算方法分析研究，即如何運(yùn)用計(jì)算方法合理地將艦船總體或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)分配給子系統(tǒng)或設(shè)備，以使艦船總體或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)達(dá)到全局協(xié)調(diào)的總體優(yōu)化，對(duì)提高艦船總體綜合性能具有重要意義。

2 艦船頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)最優(yōu)分配方法分析

現(xiàn)代艦船頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)最優(yōu)分配問題是一個(gè)大型復(fù)雜工程系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，各艦船設(shè)備之間通常只存在弱耦合關(guān)系，通常考慮的電力、可靠性等指標(biāo)常常按照艦船的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能劃分進(jìn)行分配，具有顯著的層次性和可分解性特征。而組成設(shè)備的部件間一般具有較強(qiáng)的相關(guān)性，很難進(jìn)行頂層指標(biāo)的進(jìn)一步細(xì)分，因此現(xiàn)代艦船頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)分配后建立的指標(biāo)體系應(yīng)到設(shè)備級(jí)。對(duì)于大型現(xiàn)代艦船，根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，采用“總體——一級(jí)系統(tǒng)——二級(jí)系統(tǒng)——三級(jí)系統(tǒng)——設(shè)備”這5層分配結(jié)構(gòu)的計(jì)算分配方法，可適用于一般艦船頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)最優(yōu)分配問題。

為方便進(jìn)行艦船指標(biāo)體系多層次結(jié)構(gòu)某一層次指標(biāo)分配過程的數(shù)學(xué)描述，這里將上級(jí)系統(tǒng)或總體稱為主系統(tǒng)，主系統(tǒng)分解后各分布并行系統(tǒng)或設(shè)備稱為子系統(tǒng)。某一層次設(shè)計(jì)指標(biāo)的分配過程可以看作主系統(tǒng)向子系統(tǒng)傳遞設(shè)計(jì)變量和狀態(tài)變量目標(biāo)值，設(shè)計(jì)指標(biāo)分配過程中總體與一級(jí)系統(tǒng)、上級(jí)系統(tǒng)與分系統(tǒng)或設(shè)備之間的反復(fù)協(xié)調(diào)相當(dāng)于求解子系統(tǒng)間一致性約束以協(xié)調(diào)分配量的過程。

根據(jù)上述分析，可以借鑒多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法中的協(xié)同優(yōu)化算法來處理艦船頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)分配這類設(shè)計(jì)優(yōu)化問題，總設(shè)計(jì)師或系統(tǒng)設(shè)計(jì)師向子系統(tǒng)或設(shè)備設(shè)計(jì)師傳遞設(shè)計(jì)向量和相關(guān)狀態(tài)向量的期望信息，各子系統(tǒng)或設(shè)備設(shè)計(jì)師只考慮滿足本系統(tǒng)約束的情況下，使子系統(tǒng)優(yōu)化后得到的最優(yōu)解與主系統(tǒng)傳遞下來的對(duì)應(yīng)期望值的差距最小，然后各子系統(tǒng)或設(shè)備設(shè)計(jì)師將子系統(tǒng)優(yōu)化得到的設(shè)計(jì)向量的最優(yōu)解及目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)值返回給主系統(tǒng)。

對(duì)于艦船指標(biāo)體系某一層次結(jié)構(gòu)，可以通過將所有的狀態(tài)向量當(dāng)作設(shè)計(jì)向量，解除子系統(tǒng)間的耦合關(guān)系。在此基礎(chǔ)上采用具有2級(jí)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的協(xié)同優(yōu)化算法，使該層次設(shè)計(jì)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為“一對(duì)多”模式的主系統(tǒng)優(yōu)化和子系統(tǒng)優(yōu)化，在該層次內(nèi)各個(gè)子系統(tǒng)優(yōu)化獨(dú)立并行實(shí)現(xiàn)。在這一層次內(nèi)，來自各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)向量最優(yōu)解不同，存在不一致，主系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可根據(jù)子系統(tǒng)的返回信息，根據(jù)子系統(tǒng)最優(yōu)解與主系統(tǒng)期望值之間的差距，按照一定的規(guī)則協(xié)調(diào)子系統(tǒng)間的不一致，從而得到該層次主系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值以及有關(guān)狀態(tài)向量的最優(yōu)解。然后，將這一層次的主系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果返回給上一級(jí)系統(tǒng)，上一層次采用同樣方式對(duì)主系統(tǒng)優(yōu)化和子系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，在該層次根據(jù)子系統(tǒng)最優(yōu)解與主系統(tǒng)期望值之間的差距進(jìn)行子系統(tǒng)間的一致性協(xié)調(diào)。如此迭代完成頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)的分配，使得原問題目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)。

3 基于協(xié)同優(yōu)化算法的艦船頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)最優(yōu)分配通用算法框架

基于協(xié)同優(yōu)化算法思想，可以按設(shè)計(jì)指標(biāo)分配關(guān)系將艦船頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)最優(yōu)分配問題轉(zhuǎn)化為層層迭代的2級(jí)優(yōu)化問題。在每1個(gè)層次的2級(jí)優(yōu)化結(jié)構(gòu)相當(dāng)于1個(gè)主系統(tǒng)優(yōu)化問題和若干個(gè)子系統(tǒng)優(yōu)化問題:子系統(tǒng)優(yōu)化以最小化子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)量與指標(biāo)分配量的差距為目標(biāo)，對(duì)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)，按系統(tǒng)組成劃分細(xì)化分配指標(biāo);子系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)束后將最優(yōu)解信息返回主系統(tǒng)優(yōu)化，構(gòu)成一致性約束;主系統(tǒng)優(yōu)化以主系統(tǒng)性能最優(yōu)為目標(biāo)，在一致性約束條件下尋找各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)指標(biāo)最優(yōu)分配方式;優(yōu)化后對(duì)各子系統(tǒng)重新分配設(shè)計(jì)指標(biāo);采用層層迭代的方式進(jìn)行這個(gè)過程直到得到各層次子系統(tǒng)都基本滿意的設(shè)計(jì)指標(biāo)最優(yōu)分配方案。

對(duì)于艦船指標(biāo)體系某一層次，如果有N個(gè)子系統(tǒng)或設(shè)備，那么對(duì)于涉及N個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化問題可用數(shù)學(xué)描述為:

式(1)中，Gi(X)≤0和Hi(X)=0分別為屬于第i個(gè)子系統(tǒng)的不等式約束和等式約束。

對(duì)于艦船指標(biāo)體系某一層次設(shè)計(jì)指標(biāo)分配問題的主系統(tǒng)優(yōu)化模型為:MinF(Z)，

式(2)中，原優(yōu)化問題的全局設(shè)計(jì)向量ZS和耦合狀態(tài)向量ZC共同構(gòu)成系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)向量，Ji(Z)=0為協(xié)調(diào)第i個(gè)子系統(tǒng)不一致性的一致性約束。

對(duì)于艦船指標(biāo)體系某一層次設(shè)計(jì)指標(biāo)分配問題的子系統(tǒng)優(yōu)化模型為:

按照式(1)～式(3)所述數(shù)學(xué)模型，根據(jù)艦船設(shè)計(jì)實(shí)際的指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)劃分，對(duì)頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)的分配過程按層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行主系統(tǒng)優(yōu)化和子系統(tǒng)優(yōu)化并進(jìn)行層層迭代計(jì)算，可求解得到各個(gè)分系統(tǒng)和設(shè)備的設(shè)計(jì)指標(biāo)最優(yōu)分配方案。

4 結(jié)語

基于協(xié)同優(yōu)化算法思想按本文通用算法框架建立艦船頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)分配數(shù)學(xué)模型可適用于求解艦船頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)的最優(yōu)分配問題。關(guān)于各類優(yōu)化算法移植到本文算法框架后的收斂性和魯棒性尚需要在后續(xù)實(shí)踐中通過實(shí)例計(jì)算研究進(jìn)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

王明豐(1981－)，男，工程師，主要從事艦船科技管理。