水面艦船航行性能MDO系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)研究

趙 峰 ，程素斌 ，楊 磊 ，韋喜忠 ，李勝忠

（1中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫 214082；2同濟(jì)大學(xué)，上海 20092）

水面艦船航行性能MDO系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)研究

趙 峰1，程素斌2，楊 磊1，韋喜忠1，李勝忠1

（1中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫 214082；2同濟(jì)大學(xué)，上海 20092）

水面艦船航行性能設(shè)計(jì)是一個(gè)典型的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化問題，適宜于采用基于系統(tǒng)工程思想的MDO創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念和方法。文章首先分析了水面艦船航行性能設(shè)計(jì)領(lǐng)域開展MDO應(yīng)用研究的重要意義，之后闡述了MDO概念內(nèi)涵；制定了總體研究思路，確定了系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)及頂層設(shè)計(jì)技術(shù)方案，剖析了需要首先解決的若干關(guān)鍵技術(shù)，并給出關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)建議。

水面艦船；航行性能；MDO；頂層設(shè)計(jì)

1 引 言

航行性能是水面艦船的基本性能，它直接影響著艦船的作戰(zhàn)效能和海上生存能力。因此，航行性能設(shè)計(jì)一直被作為水面艦船總體設(shè)計(jì)的核心基礎(chǔ)內(nèi)容。

航行性能設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)性很強(qiáng)的復(fù)雜過程，它涉及多個(gè)學(xué)科，這些學(xué)科高度關(guān)聯(lián)、相互影響，使得直接進(jìn)行系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)相當(dāng)困難。傳統(tǒng)上將其分解為快速性、耐波性和操縱性三大子學(xué)科，采用序列式設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)優(yōu)化在各子學(xué)科內(nèi)部進(jìn)行，各子學(xué)科之間的交互作用通常用一組經(jīng)驗(yàn)性的“靜態(tài)常數(shù)”來描述，最后將各學(xué)科的設(shè)計(jì)結(jié)果裝配起來，通過設(shè)計(jì)師的綜合協(xié)調(diào)得到最終方案。這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式中，設(shè)計(jì)師試圖利用先驗(yàn)的、經(jīng)驗(yàn)性的“靜態(tài)常數(shù)”來協(xié)調(diào)學(xué)科間的動(dòng)態(tài)交互作用，造成學(xué)科設(shè)計(jì)環(huán)境的“失真”；經(jīng)“裝配”和再協(xié)調(diào)使得各子學(xué)科的性能被進(jìn)一步“中和”，勢必大幅降低設(shè)計(jì)方案的整體性能。基于系統(tǒng)工程概念的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化（Multidisciplinary Design Optimization,MDO）技術(shù)以求解多系統(tǒng)的耦合協(xié)同為核心，利用有效的MDO策略來重新規(guī)劃、組織復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，有效克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式的缺陷，能夠獲得系統(tǒng)整體最優(yōu)解。開展水面艦船航行性能MDO應(yīng)用研究對提高艦船總體設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)周期、降低研制成本和設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)有著重要意義。

本研究以水面艦船為主要應(yīng)用對象，以加強(qiáng)基礎(chǔ)、提高能力為著眼點(diǎn)，按照系統(tǒng)工程思想，提出水面艦船航行性能MDO系統(tǒng)頂層策劃思路，確定了系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)及頂層設(shè)計(jì)技術(shù)方案，分析了需要首先解決的若干關(guān)鍵技術(shù)，并給出了關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)建議。

2 MDO應(yīng)用研究現(xiàn)狀

MDO作為一門單獨(dú)的研究領(lǐng)域，始于20世紀(jì)80年代后期。1982年Sobieski在研究大型結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題時(shí)，首次提出了MDO設(shè)想[1]，并在其后發(fā)表的一系列論文中對MDO問題做了進(jìn)一步的闡述[2-3]。MDO概念一經(jīng)提出便引起學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注，并率先在航空航天飛行器設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。美國航空航天局（NASA）在“塞式噴管的MDO研究計(jì)劃”中，曾采用傳統(tǒng)串行設(shè)計(jì)方法和MDO方法對某塞式噴管發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行對比設(shè)計(jì)，結(jié)果表明，后者獲得的最佳方案其最小起始推重比較前者降低4%；在其高速民用飛機(jī)（HSCT）研究項(xiàng)目中，同時(shí)考慮了271個(gè)設(shè)計(jì)變量、31 868個(gè)約束。

MDO技術(shù)對復(fù)雜工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力掀起了MDO研究的熱潮，美國、歐洲、俄羅斯、日本、韓國等紛紛啟動(dòng)各自的MDO研究項(xiàng)目，MDO的應(yīng)用領(lǐng)域已從航空航天擴(kuò)展到汽車、通訊、機(jī)械、醫(yī)療、建筑、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域[4]。

在艦船設(shè)計(jì)領(lǐng)域，美國新一代CVN-78“福特級”航母、DDG-1000“朱姆沃特”級驅(qū)逐艦和SSN-774“弗吉尼亞”級攻擊型核潛艇開始應(yīng)用頂層設(shè)計(jì)思想，其設(shè)計(jì)理念與MDO思想已非常接近；美國在新型驅(qū)逐艦DD-21的概念設(shè)計(jì)階段開始應(yīng)用MDO技術(shù)進(jìn)行總體優(yōu)化設(shè)計(jì)；Hart[5]將MDO與PSO優(yōu)化算法相結(jié)合，應(yīng)用于艦船概念設(shè)計(jì)優(yōu)化和復(fù)雜工程系統(tǒng)的成本預(yù)算上，收到了不錯(cuò)的效果。

MDO技術(shù)的深入研究和應(yīng)用，推動(dòng)了iSIGHT、ModelCenter、Optimus等商業(yè)軟件系統(tǒng)的發(fā)展，加速了有針對性的專業(yè)MDO集成平臺的開發(fā)，如美國在HSTC項(xiàng)目中，針對飛行器總體設(shè)計(jì)優(yōu)化開發(fā)了FIDO、CJOpt等MDO軟件框架，俄羅斯科學(xué)研究院開發(fā)了“多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化環(huán)境（Indirect Optimization on the basis of Self-Organization,IOSO）”[6]等。

國內(nèi)對MDO技術(shù)及應(yīng)用研究的進(jìn)展情況進(jìn)行了積極的跟蹤研究[7]，在MDO理論，如MDO算法、MDO建模、分解策略等方面開展了一些探索性的研究[8-10]，并嘗試在一些簡單的小型系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用，如陳小前將基于響應(yīng)面的MDO算法應(yīng)用于飛行器的概念設(shè)計(jì)中[11]；陳琪鋒將協(xié)同優(yōu)化算法應(yīng)用于導(dǎo)彈總體參數(shù)化設(shè)計(jì)和衛(wèi)星系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中[12]。在艦船設(shè)計(jì)領(lǐng)域，MDO的應(yīng)用研究也在逐步受到重視，并在潛器、水面艦船、海洋平臺、魚雷等方面開展了一些探索性研究工作，如劉蔚等提出大深度載人潛水器多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的初步思考[13]，并建立了基于BLH的MDO模型[14]；趙敏等結(jié)合BLISS方法和CO方法的特點(diǎn)，提出BLISCO算法，并嘗試用于大深度載人潛水器的設(shè)計(jì)優(yōu)化[15]；潘彬彬等分析了船舶概念設(shè)計(jì)階段子系統(tǒng)的劃分，總結(jié)了船舶設(shè)計(jì)中應(yīng)用多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法應(yīng)包含的研究內(nèi)容[16]，并提出了一種船舶概念設(shè)計(jì)階段的MDO模型[17]；趙敏[18]、姜哲[19]將MDO方法應(yīng)用于桁架式Spar平臺的方案設(shè)計(jì)。趙加鵬提出基于并行子空間的魚雷外形設(shè)計(jì)MDO模型[20]；馮百威開展了艦船多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算環(huán)境研究[21]。從發(fā)表的文獻(xiàn)來看，國內(nèi)對MDO技術(shù)及應(yīng)用研究相當(dāng)活躍，尤以航空、航天領(lǐng)域最為突出；艦船設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究雖相對滯后，但已處在持續(xù)升溫狀態(tài)；但國內(nèi)對MDO基礎(chǔ)理論及相關(guān)技術(shù)的研究缺乏系統(tǒng)性和長效性，以簡單模型研究為主，鮮有實(shí)例驗(yàn)證，與工程應(yīng)用的要求尚有一定差距。以工程應(yīng)用為目標(biāo)，以水面艦船航行性能為對象的MDO應(yīng)用系統(tǒng)性研究，在國內(nèi)尚屬空白。

MDO作為一種正在崛起的新興工程學(xué)科，將成為優(yōu)化設(shè)計(jì)的大趨勢。MDO的創(chuàng)新設(shè)計(jì)優(yōu)化理念和方法契合現(xiàn)代水面艦船總體設(shè)計(jì)對于技術(shù)創(chuàng)新和跨越式發(fā)展的迫切需求，也響應(yīng)船舶工業(yè)發(fā)展對于提高設(shè)計(jì)能力、縮短研制周期的需求。

3 MDO概念內(nèi)涵

3.1 MDO定義及數(shù)學(xué)模型

目前，在學(xué)術(shù)界，對MDO的定義尚未完全統(tǒng)一，美國航天航空學(xué)會(huì)（AIAA）的MDO技術(shù)委員會(huì)從不同的角度給出了三種定義，在此援引被認(rèn)為相對嚴(yán)謹(jǐn)、引用次數(shù)較多的一種來定義MDO問題。

MDO定義：MDO是一種通過充分探索和利用系統(tǒng)中相互作用的協(xié)同機(jī)制來設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)和子系統(tǒng)的方法論[22]。

MDO方法的基本指導(dǎo)思想是利用MDO策略來組織和管理復(fù)雜系統(tǒng)及其子系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，通過分解和協(xié)調(diào)來實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化，MDO技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種設(shè)計(jì)方法學(xué)。在MDO系統(tǒng)中，每一個(gè)子系統(tǒng)可用圖1來描述。

圖1中：X、Xi：設(shè)計(jì)變量，其中X為系統(tǒng)設(shè)計(jì)變量，Xi為學(xué)科i的局部設(shè)計(jì)變量；Yji：耦合狀態(tài)變量，由學(xué)科j輸出到學(xué)科i的量；（j=1,2,…,n）；Yi：學(xué)科i的輸出，它是 X、Xi、Yji的函數(shù)，可表達(dá)為： Yi＝Y(jié)（ X ， Xi，Yji）（j= 1 ,2,…,n ）；hi、gi： 約束條件，h 表示等式約束，g表示不等式約束。

則多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化問題可表述為：

圖1 MDO系統(tǒng)的系統(tǒng)模型Fig.1 Subsystem model of the MDO system

其中：f（ f1, f2,…,fn）：目標(biāo)函數(shù)； hi（X ,Xi,Yi）：學(xué)科 i等式約束；gi（X ,Xi,Yi）：學(xué)科 i不等式約束；Ei（）：學(xué)科i一致性約束。

從MDO問題的數(shù)學(xué)描述及其子系統(tǒng)模型可以看出，由于MDO過程中要協(xié)調(diào)處理學(xué)科間的動(dòng)態(tài)交互作用，使得MDO問題的復(fù)雜度、計(jì)算量將顯著大于幾個(gè)學(xué)科設(shè)計(jì)過程的簡單疊加，如何降低系統(tǒng)的復(fù)雜度、減少計(jì)算量是MDO技術(shù)及應(yīng)用需要重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

MDO作為一種新興的工程學(xué)科，其理論和方法仍在不斷發(fā)展，根據(jù)MDO技術(shù)委員會(huì)的分類方法，MDO的主要研究內(nèi)容如表1所列[4]。

表1 MDO主要研究內(nèi)容Tab.1 Primary research content of the MDO

3.2 MDO與其他優(yōu)化過程的區(qū)別

近年來，國內(nèi)MDO應(yīng)用研究相當(dāng)活躍，見諸報(bào)道的文獻(xiàn)很多，但是對MDO的理解差異較大，MDO與涉及多個(gè)學(xué)科的優(yōu)化及多目標(biāo)優(yōu)化概念有相互混淆的趨勢。在此，本文以舵的綜合優(yōu)化為例來闡述本文所述的MDO概念。

如圖2所示，設(shè)計(jì)目標(biāo)是使舵葉升阻比和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到最大，選擇舵葉高度、寬度、剖面幾何形狀及舵葉結(jié)構(gòu)厚度作為設(shè)計(jì)變量。作用于舵葉上的水動(dòng)力載荷將引起舵葉結(jié)構(gòu)變形，而結(jié)構(gòu)變形又反過來影響舵葉的水動(dòng)力載荷分布。顯然這是一個(gè)涉及兩個(gè)學(xué)科的耦合系統(tǒng)，但卻有兩種解決策略：若在優(yōu)化過程中忽略兩個(gè)學(xué)科之間的影響（如圖3左圖所示），則它僅是一個(gè)涉及多個(gè)學(xué)科的多目標(biāo)過程；而只有在優(yōu)化過程中考慮了兩個(gè)學(xué)科之間的動(dòng)態(tài)交互作用，它才是一個(gè)MDO過程（圖3右圖所示）。

圖2 舵葉幾何形狀Fig.2 Shape of rudder

圖3 優(yōu)化過程（左：多目標(biāo)過程;右：MDO過程）Fig.3 Optimization process(left:Multi-objective process;right:MDO process)

由此可以看出，判斷一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)化過程是否是MDO過程不是看它是否涉及到不同的學(xué)科領(lǐng)域，而是要看它是否應(yīng)用了MDO方法對學(xué)科之間的耦合關(guān)系進(jìn)行了協(xié)調(diào)處理。

4 水面艦船航行性能MDO系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)思路

本研究的功能需求目標(biāo)是構(gòu)建面向工程應(yīng)用、以快速性、耐波性和操縱性為基本學(xué)科內(nèi)涵的水面艦船航行性能MDO集成設(shè)計(jì)平臺，為艦船總體性能優(yōu)化設(shè)計(jì)以及新船型開發(fā)提供先進(jìn)的技術(shù)手段和基礎(chǔ)能力。由于航行性能各學(xué)科領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、分析及預(yù)報(bào)技術(shù)在不斷發(fā)展，MDO技術(shù)本身也在不斷發(fā)展，艦船對航行性能的要求會(huì)隨著艦船裝備的提升而不斷發(fā)展，因此水面艦船航行性能MDO系統(tǒng)是一個(gè)不斷發(fā)展逐步完善的過程。水面艦船航行性能MDO系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)思路如圖4所示，其中需求分析、研究現(xiàn)狀及存在的問題在上文已有詳細(xì)描述；研究的目標(biāo)在于應(yīng)用MDO策略重新規(guī)劃、組織航行性能設(shè)計(jì)優(yōu)化過程，建立科學(xué)的、基于系統(tǒng)工程思想的學(xué)科耦合協(xié)調(diào)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)單學(xué)科設(shè)計(jì)向多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)的歷史轉(zhuǎn)變。

圖4 水面艦船航行性能MDO系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)思路Fig.4 General road map for top-layer design on the MDO system of ship navigational performance

4.2 頂層設(shè)計(jì)技術(shù)方案

依據(jù)上文需求分析情況及設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求，水面艦船航行性能頂層設(shè)計(jì)技術(shù)方案如圖5所示，整個(gè)研究規(guī)劃分為四個(gè)部分：第一部分為綜合航行性能評價(jià)指標(biāo)體系研究及設(shè)計(jì)問題定義，實(shí)際上是從工程應(yīng)用的角度解析總體設(shè)計(jì)對航行性能的需求，以及如何在MDO系統(tǒng)中描述或者說定義這些需求，要求能夠體現(xiàn)航行性能設(shè)計(jì)一般性要求，同時(shí)也能定對具體對象的特殊性能設(shè)計(jì)要求；第二部分為MDO技術(shù)及應(yīng)用研究，主要包括MDO基本理論研究、MDO算法研究、MDO算法應(yīng)用研究、MDO過程中的近似技術(shù)應(yīng)用研究以及MDO建模技術(shù)研究，這是本方法的核心及區(qū)別于其他設(shè)計(jì)優(yōu)化過程的關(guān)鍵所在；第三部分為學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化共性技術(shù)研究，主要包括性能分析評估技術(shù)、船型幾何表達(dá)及重構(gòu)技術(shù)研究、設(shè)計(jì)空間搜索策略 （優(yōu)化算法）技術(shù)，這三個(gè)部分可以組成一個(gè)相對獨(dú)立的子學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，在MDO策略的組織下，實(shí)現(xiàn)各學(xué)科之間的協(xié)同優(yōu)化；第四部分是綜合集成及集成平臺的應(yīng)用與驗(yàn)證，主要是將上述研究成果以知識化的形式凝練起來，形成可應(yīng)用的手段。主要研究內(nèi)容分述如下：

圖5 水面艦船航行性能MDO系統(tǒng)技術(shù)方案Fig.5 Technical scheme of the MDO system of ship navigational performance

4.3 關(guān)鍵技術(shù)分析及攻關(guān)策略

4.3.1 關(guān)鍵技術(shù)分析

水面艦船航行性能MDO系統(tǒng)研究涉及MDO技術(shù)、水面艦船航行性能分析評估技術(shù)、船型設(shè)計(jì)技術(shù)、優(yōu)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等眾多學(xué)科領(lǐng)域，研究范圍廣，需要突破的關(guān)鍵技術(shù)多。根據(jù)國內(nèi)外在水面艦船航行性能領(lǐng)域MDO應(yīng)用技術(shù)研究現(xiàn)狀分析，當(dāng)前需要率先解決的關(guān)鍵技術(shù)可總結(jié)如下：

（1）水面艦船綜合航行性能評價(jià)體系構(gòu)建；

（2）水面艦船航行性能MDO建模技術(shù)；

（3）水面艦船航行性能MDO優(yōu)化算法應(yīng)用技術(shù)；

（4）近似技術(shù)；

（5）靈敏度分析技術(shù)；

（6）航行性能分析評估技術(shù)；

（7）船體幾何參數(shù)化表達(dá)及重構(gòu)技術(shù)；

（8）水面艦船航行性能MDO計(jì)算環(huán)境架構(gòu)。

4.3.2 關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)策略

以下對4.3.2節(jié)中關(guān)鍵技術(shù)的難點(diǎn)進(jìn)行分析，從實(shí)用性和可行性的角度提出攻關(guān)建議。

（1）水面艦船綜合航行性能評價(jià)體系構(gòu)建

水面艦船綜合航行性能評價(jià)體系構(gòu)建的困難在于艦船任務(wù)的多樣性、作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性使得不同的艦船對航行性能的要求各不相同，構(gòu)建統(tǒng)一的評價(jià)體系相當(dāng)困難；其次航行性能評價(jià)指標(biāo)眾多，且目標(biāo)不一、標(biāo)準(zhǔn)不一，評價(jià)方法之間還可能存在相互沖突的情況，從中提煉能夠反映綜合航行性能的評價(jià)指標(biāo)族相當(dāng)困難。

構(gòu)建水面艦船航行性能評價(jià)體系應(yīng)該與艦船總體設(shè)計(jì)統(tǒng)一考慮，參考現(xiàn)行艦船總體設(shè)計(jì)過程中采用的性能評價(jià)方法，采取分步走的策略，按基本指標(biāo)族和較完整的指標(biāo)體系兩個(gè)步驟來實(shí)施?？紤]到指標(biāo)分配也是一個(gè)需要不斷權(quán)衡、不斷優(yōu)化的過程，也可以應(yīng)用MDO技術(shù)來求解。

（2）水面艦船航行性能MDO建模技術(shù)

MDO建模是多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化過程的基礎(chǔ)，水面艦船航行性能MDO建模的難點(diǎn)在于對航行性能各子系統(tǒng)之間耦合關(guān)系的簡化和抽象及其數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，系統(tǒng)級和子系統(tǒng)級設(shè)計(jì)目標(biāo)、設(shè)計(jì)變量的選擇，同時(shí)還要考慮問題求解的復(fù)雜程度問題。根據(jù)水面艦船航行性能研究、設(shè)計(jì)組織體系及性能設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，可采用如圖6所示的建模策略。

（3）水面艦船航行性能MDO算法應(yīng)用技術(shù)研究

MDO算法是MDO技術(shù)及應(yīng)用最核心的部分，是MDO研究最活躍的領(lǐng)域。水面艦船航行性能MDO系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于對MDO算法的應(yīng)用和發(fā)展，其難點(diǎn)在于采用何種MDO策略協(xié)調(diào)各學(xué)科之間的耦合關(guān)系才是最有效的，以及如何提高M(jìn)DO算法的可靠性及收斂速度，如何增強(qiáng)系統(tǒng)自治性及降低信息傳遞量，以滿足工程設(shè)計(jì)的要求。

圖6 水面艦船航行性能MDO建模策略Fig.6 Modeling strategy of the MDO system of ship navigational performance

按照系統(tǒng)分解的層次關(guān)系，MDO算法可分為兩類：單級MDO算法和多級MDO算法。常見的單級優(yōu)化算法包括標(biāo)準(zhǔn)單級優(yōu)化算法[23]、基于全局敏度方程（Global Sensitivity Equations，GSE）的單級優(yōu)化算法[3]和同時(shí)設(shè)計(jì)與分析單級優(yōu)化算法[24]。這類方法適合于求解設(shè)計(jì)變量少、學(xué)科不多和計(jì)算量不大的簡單系統(tǒng)，對于航行性能這樣的復(fù)雜系統(tǒng)將難以適用。

多級優(yōu)化算法主要包括并行子空間優(yōu)化算法（Concurrent Subspace Optimization,CSSO）[25]、協(xié)同優(yōu)化算法 （Collaborative Optimization, CO）[17]和兩級系統(tǒng)綜合優(yōu)化算法 （Bi-Level Integrated System Synthesis,BLISS）[23]。多級優(yōu)化算法一般由系統(tǒng)級協(xié)調(diào)處理各學(xué)科之間的耦合關(guān)系，而各個(gè)學(xué)科可控制本學(xué)科的局部設(shè)計(jì)變量來進(jìn)行本學(xué)科的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中協(xié)同優(yōu)化算法由于結(jié)構(gòu)簡單、學(xué)科自治性高及學(xué)科間的數(shù)據(jù)傳輸量小而備受關(guān)注。

對于水面艦船航行性能領(lǐng)域內(nèi)的MDO算法應(yīng)用研究建議在掌握上述主要多級優(yōu)化算法（及其改進(jìn)形式）基本理論和基本方法的基礎(chǔ)上，借鑒航空、航天等領(lǐng)域MDO應(yīng)用研究的經(jīng)驗(yàn)和取得的成果，先模仿后改進(jìn)的技術(shù)路線來進(jìn)行。

（4） 近似技術(shù)

MDO過程涉及的學(xué)科多，學(xué)科分析的計(jì)算量大；對學(xué)科間交互作用的協(xié)調(diào)使得MDO過程的計(jì)算量急劇增加；另外，由于學(xué)科分析可能存在數(shù)值噪聲，若不對這些學(xué)科分析進(jìn)行必要的處理，將嚴(yán)重影響MDO過程的速度、質(zhì)量，降低工程應(yīng)用價(jià)值。近似技術(shù)作為學(xué)科分析工具和優(yōu)化算法之間的接口，可以大幅降低MDO過程的計(jì)算量，并具有平滑數(shù)值噪聲的作用，平衡MDO過程的精度和時(shí)間費(fèi)用。

近似技術(shù)的本質(zhì)是通過構(gòu)造近似函數(shù)，將復(fù)雜的學(xué)科分析從優(yōu)化過程中分離出來，而將便于計(jì)算的近似函數(shù)耦合到優(yōu)化過程中，進(jìn)行系列優(yōu)化，多次迭代循環(huán)后得到實(shí)際問題的近似最優(yōu)解，其主要難點(diǎn)在于對精度和時(shí)間的權(quán)衡，以及對近似誤差的修正。

當(dāng)前，近似技術(shù)的研究已相當(dāng)成熟，工程系統(tǒng)中常用的近似方法有：響應(yīng)面模型（Response Surface Method）、變逼真度模型（Variable-fidelity Model）、Kriging 模型和 RBF 模型（Radical Basis Function）等，在本系統(tǒng)中可根據(jù)學(xué)科分析模型及工程精度需求，通過不同近似方法的應(yīng)用比較，選擇合適的方法并發(fā)展相適應(yīng)的誤差修正方法。

（5）靈敏度分析技術(shù)

MDO系統(tǒng)中的靈敏度分析是指對系統(tǒng)性能因設(shè)計(jì)變量或參數(shù)的變化而顯示出來的敏感程度的分析，其目的在于確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)變量或參數(shù)對目標(biāo)函數(shù)或約束函數(shù)影響的大小，以及確定各子系統(tǒng)之間的耦合強(qiáng)度，最終用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)與搜索方向、輔助決策。靈敏度分析技術(shù)是解決MDO問題的關(guān)鍵技術(shù)之一，其主要難點(diǎn)在于MDO過程中學(xué)科之間的函數(shù)關(guān)系模型復(fù)雜、維數(shù)多，且往往不能寫出顯式的函數(shù)表達(dá)式，使得靈敏度計(jì)算量大，效率低、求解困難。

靈敏度分析又可分為學(xué)科靈敏度分析和多學(xué)科靈敏度分析，前者是后者的基礎(chǔ)。單學(xué)科靈敏度計(jì)算方法的發(fā)展已較為成熟，有符號微分法、有限差分法、復(fù)變量法、自動(dòng)微分法和解析方法等等；多學(xué)科靈敏度分析原則上可以采用學(xué)科靈敏度分析中已經(jīng)成熟的技術(shù)，但在實(shí)際中，由于系統(tǒng)分析的維數(shù)太多，多學(xué)科靈敏度分析所需要的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)比學(xué)科分析的更復(fù)雜，將學(xué)科靈敏度分析技術(shù)簡單的擴(kuò)展到多學(xué)科靈敏度分析并不現(xiàn)實(shí)。多學(xué)科靈敏度分析方法的應(yīng)用與MDO系統(tǒng)的分解策略，即MDO系統(tǒng)的類型相關(guān)，如最優(yōu)靈敏度分析[26]（Optimization Sensitivity Analysis,OSA）可用于層次系統(tǒng)，全局靈敏度方程[27]（Global Sensitivity Equation,GSE）和滯后耦合伴隨[28]（Lagged-Coupled Adjoint,LCA）的靈敏度分析方法可用于耦合系統(tǒng)靈敏度分析。

對于水面艦船航行性能MDO系統(tǒng)而言，因?qū)W科之間存在的耦合關(guān)系，宜選擇適合于耦合系統(tǒng)的靈敏度分析方法，如全局靈敏度或滯后耦合伴隨的靈敏度分析方法。

（6）航行性能分析預(yù)報(bào)技術(shù)；

性能分析預(yù)報(bào)技術(shù)是進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，性能分析預(yù)報(bào)的精度、可靠度直接影響著設(shè)計(jì)的質(zhì)量和水平。

按照性能分析所依據(jù)的模型，可將性能分析方法分為兩大類：第一類是基于船型參數(shù)（如長寬比、寬度吃水比、方形系數(shù)和浮心坐標(biāo)等）的經(jīng)驗(yàn)方法，這類方法基于長期統(tǒng)計(jì)結(jié)果，簡單、快捷和穩(wěn)定，但適用范圍有限、局限性強(qiáng)；第二類是基于船體幾何模型的數(shù)值方法，這類方法具有精細(xì)、客觀和適用范圍廣的特點(diǎn)，并且能夠體現(xiàn)船型局部（或附體）變化對性能的影響，但這類方法建模困難、計(jì)算時(shí)間長，目前只對少數(shù)幾個(gè)性能指標(biāo)（如阻力）有一定的精度。這兩種方法互為補(bǔ)充，應(yīng)同時(shí)發(fā)展，其中第一類方法應(yīng)根據(jù)船型技術(shù)的發(fā)展，不斷修正、完善已有方法，并發(fā)展新的方法；第二類方法重點(diǎn)是提高分析的效率和可靠性，另一方面要不斷拓展其分析能力。

值得注意的是，當(dāng)前快速性、耐波性和操縱性三個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的性能分析預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展水平不一，其中快速性性能預(yù)報(bào)技術(shù)發(fā)展較快，而操縱性的發(fā)展卻相對滯后，建議采取邊研究邊應(yīng)用的策略，首先將成熟的、低精度的分析/預(yù)報(bào)技術(shù)納入系統(tǒng)，并逐步由高效、高精度分析工具來替代。

（7）船體幾何參數(shù)化表達(dá)及重構(gòu)技術(shù)；

船體幾何參數(shù)化表達(dá)及幾何重構(gòu)是航行性能設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的共性技術(shù)，它是聯(lián)系優(yōu)化算法與性能分析/預(yù)報(bào)模塊的橋梁，是航行性能優(yōu)化過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其難點(diǎn)在于對船體幾何曲面的準(zhǔn)確表達(dá)，以及如何應(yīng)用盡可能少的參數(shù)來控制整體及局部的變形，以獲得盡可能大范圍的可行域，并保證船體曲面的光順性。

與性能預(yù)報(bào)技術(shù)相適應(yīng)，船體幾何參數(shù)化表達(dá)及重構(gòu)方法應(yīng)向兩個(gè)方向發(fā)展：一種是以若干船型參數(shù)為控制變量，實(shí)現(xiàn)對船體線型的幾何變換，如經(jīng)典的Lackenby變換方法、吃水函數(shù)法等；一種是借助于船體線型設(shè)計(jì)軟件或CAD軟件，以三維曲面或三向投影的二維曲線來直接表達(dá)船體幾何形狀，并用一組空間坐標(biāo)來控制船體幾何形狀的變形 （全船或局部），如疊加調(diào)和方法（Morphing Approach）、Bezier補(bǔ)丁方法（Bezier Patch Approach）、自由變形方法（Free-Form Deformation approach）和基于CAD變換方法等。

（8）水面艦船航行性能MDO計(jì)算環(huán)境架構(gòu)

建立便于MDO算法實(shí)現(xiàn)、提供適用的優(yōu)化算法庫、支持不同的水面艦船線型設(shè)計(jì)軟件、工具及性能分析工具的MDO計(jì)算框架是構(gòu)建水面艦船航行性能MDO集成設(shè)計(jì)平臺的關(guān)鍵技術(shù)之一。

MDO計(jì)算環(huán)境不是功能模塊的簡單集成，而是旨在提供一個(gè)能夠描述和構(gòu)造MDO問題的通用平臺，它應(yīng)該對MDO技術(shù)的重要組成部分如近似模型、靈敏度分析數(shù)據(jù)的存儲、并行計(jì)算和性能分析數(shù)據(jù)的存儲等有良好的支撐能力。

在當(dāng)前沒有太多經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)的情況下，可參考成熟的MDO計(jì)算框架軟件，如iSIGHT、ModelCenter；還可以參考國內(nèi)艦船水動(dòng)力性能設(shè)計(jì)集成平臺開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，如中國船舶科學(xué)研究中心開發(fā)的SHIDS艦船綜合性能設(shè)計(jì)優(yōu)化系統(tǒng)、“先進(jìn)螺旋槳CAD軟件”等。

5 結(jié) 語

水面艦船航行性能MDO系統(tǒng)是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)，不僅涉及到MDO技術(shù)、水面艦船水動(dòng)力性能分析預(yù)報(bào)技術(shù)，還涉及到CAD技術(shù)、軟件工程技術(shù)和優(yōu)化技術(shù)等技術(shù)領(lǐng)域，其發(fā)展及應(yīng)用需要長期不懈的努力，在實(shí)際研究過程中可以采取邊開發(fā)邊應(yīng)用的模式。盡管在此MDO系統(tǒng)所應(yīng)用的性能分析工具、搜索策略等與傳統(tǒng)的優(yōu)化系統(tǒng)基本相同，但由于引入基于系統(tǒng)工程概念的MDO技術(shù)，整個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)化過程在MDO算法的系統(tǒng)協(xié)調(diào)下開展，可以預(yù)見，綜合航行性能的提升幅度將是驚人的。

航行性能設(shè)計(jì)與艦船總體設(shè)計(jì)技術(shù)是密切相關(guān)的，若視總體為一大系統(tǒng)，則航行性能設(shè)計(jì)僅是大系統(tǒng)中的一個(gè)分系統(tǒng)，故航行性能設(shè)計(jì)必須服從總體設(shè)計(jì)約束，滿足總體設(shè)計(jì)的需求，因此航行性能設(shè)計(jì)技術(shù)必須與總體設(shè)計(jì)技術(shù)統(tǒng)一考慮，所開發(fā)的系統(tǒng)才具有工程實(shí)用價(jià)值。因此，水面艦船航行性能MDO系統(tǒng)及集成平臺開發(fā)，必須與艦船總體設(shè)計(jì)統(tǒng)一考慮，設(shè)計(jì)目標(biāo)、約束條件應(yīng)滿足總體設(shè)計(jì)要求。

水面艦船航行性能MDO模型及集成平臺的研發(fā)，將推動(dòng)航行性能設(shè)計(jì)模式的革命性轉(zhuǎn)變，將帶來綜合航行性能的大幅提升，推動(dòng)水面艦船水動(dòng)力構(gòu)型能力的跨越式發(fā)展。

[1]Sobieszczanski-Sobieski J.A linear decomposition method for optimization problems-blueprint for development[R].NASA Technical Memorandum 83248,1982.

[2]Sobieszczanski-Sobieski J.Optimization by decomposition:A step from hierarchic to non-hierachic systemps[C]//.2nd NASA/Air Force Symposium on Recent Advances in Multidisciplinary Analysis and Optimization,Hampton,VA,Sept.1988.NASA-TM-101494,NASA-CP-3031,Part1,1988.

[3]Sobieszczanski-Sobieski J.The sensitivity of complex,internally coupled systems[J].AIAA Journal,1990,28(1):153-160.

[4]王振東,陳小前,羅文彩,張為華.飛行器多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化理論與應(yīng)用研究[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.

[5]Christopher Gregory Hart.Multidisciplinary design optimization of complex engineering system for cost assessment under uncertainty[D].USA:Naval Architecture and Marine Engineering in The University of Michiga,2010.

[6]Egorov I N,Kretinin G V,Leshchenko I A,et al.IOSO optimization toolkit-novel software to create better design[C].Proceedings of 8th AIAA/USAF/NASA/ISSMO Symposium on Multidisciplinary Analysis and Optimization,2002.

[7]趙 敏,崔維成.多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化研究應(yīng)用現(xiàn)狀綜述[J].中國造船,2007，48(3):63-72.

[8]李世海.多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化（MDO）算法研究[D].北京:中國地質(zhì)大學(xué),2009.

[9]蘇子健.多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的分解、協(xié)調(diào)及不確定性研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2008.

[10]Gou Peng,Liu Wei,Cui Weicheng.A comparison of approximation methods for Multidisciplinary Design Optimization of ship structures[J].Journal of Ship Mechanics,2007,11(6):913-923.

[11]陳小前.飛行器總體優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用研究[D].長沙:國防科技大學(xué),2001.

[12]陳琪鋒.飛行器分布式協(xié)同進(jìn)化多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法研究[D].長沙:國防科技大學(xué),2003.

[13]Liu Wei,Cui Weicheng.Multidisciplinary Design Optimization(MDO):A promising tool for the design of HOV[J].Journal of Ship Mechanics,2004,8(6):95-112.

[14]劉 蔚,操安喜,茍 鵬,崔維成.基于BLH框架的大深度載人潛水器總體性能的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].船舶力學(xué),2008,12(1):110-117.

[15]趙 敏，崔維成.BLISCO方法在載人潛水器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].船舶力學(xué),2009,13(2):259-268.

[16]Pan Binbin,Cui Weicheng.Multidisciplinary Design Optimization methods for ship design[J].Journal of Ship Mechanics,2008,12(6):914-930.

[17]Pan Binbin,Cui Weicheng,Leng Wenhao.Multidisciplinary Design Optimization of surface vessels[J].Journal of Ship Mechanics,2009.6.13(3):378-387.

[18]Jiang Zhe,Cui Weicheng,Huang Xiaoping.Preliminary study of Multidisciplinary Design Optimization in truss spar concept design[J].Journal of Ship Mechanics,2009,13(3):444-457.

[19]姜 哲，崔維成，黃曉平.基于響應(yīng)面的可變復(fù)雜度方法在桁架式Spar平臺方案設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].船舶力學(xué),2010,14(7):771-781.

[20]趙加鵬,余鋒等.魚雷外形多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法研究[J].魚雷技術(shù),2009,17(5):10-14.

[21]馮佰威,劉祖源,常海超.艦船多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算環(huán)境研究[J].艦船,2009(2):5-8.

[22]Giesing Joseph P,Barthelemy J M.A summary of industry MDO application and needs[C].An AIAA White Paper,7th AIAA/USAF/NASA/ISSMO Symposium on Multidisciplinary Analysis and Optimization,1998.

[23]Balling R J,Wilkison C A.Execution of multidisciplinary design optimization approaches on common test problems[J].AIAA Journal,1997,35(1):178-186.

[24]Kroo J,Altus S,Braun R,et al.Multidisciplinary optimization methods for aircraft preliminary design[J].AIAA-94-4325,1994.

[25]Sobieszczanski-Sobieski J.Application of global sensitivity equations in multidisciplinary aircraft synthesis[J].Aircraft,1990,27(12):1002-1010.

[26]Sobieszczanski-Sobieski J,Barthelemy J F,Riley K M.Sensitivity of optimum solutions to problem parameters[C]//.Proceedings of the AIAA/ASME/ASCE/AHS 22nd Structures,Structural Dynamics and Materials Conference.Atlanta,Ga.,April 1981:184-205.

[27]Sobieszczanski-Sobieski J.Sensitivity of complex,internally coupled systems[J].AIAA Journal,1990,28(1):153-162.

[28]Joaquim R R,Martins A.A coupled-adjoint method for high-fidelity aero-structural optimization[D].USA:Stanford University,2002.

Top-down design research for the navigational performance MDO system of naval surface combatant

ZHAO Feng1,CHENG Su-bin2，YANG Lei1,WEI Xi-zhong1,LI Sheng-zhong1

(1 China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China;2 Tongji University,Shanghai 200092,China)

Navigational performance design of naval surface combatant is a typical multidisciplinary Design Optimization (MDO)problem.Therefore,it is suitable to adopt the innovational design idea and method which is based on system engineering idea to do,it no other than MDO method.This paper analyses the important meaning of the MDO applied research in the field of navigational performance design of the naval surface combatant,and introduces the concept and research content of the MDO method.The top-down design scheme of the navigational performance design system of the naval surface combatant is presented.The system design objection,evaluating indicators as well as the main content were all demonstrated.Finally,many crucial technologies which should be solved firstly were analyzed,and technical approaches were also suggested.

naval surface combatant;navigational performance;MDO;top-down design

U662

A

1007-7294（2012）11-1257-10

2012-06-01

趙 峰（1964-），男，中國船舶科學(xué)研究中心研究員;程素斌（1976-），女，同濟(jì)大學(xué)講師。