船舶總體性能優(yōu)化設(shè)計研究綜述

王 鵬，許 驥，焦德義

（海軍蚌埠士官學(xué)校機械系，安徽蚌埠 233012）

船舶總體性能優(yōu)化設(shè)計研究綜述

王 鵬，許 驥，焦德義

（海軍蚌埠士官學(xué)校機械系，安徽蚌埠 233012）

文章對船舶總體性能優(yōu)化設(shè)計的國內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行了介紹，分析了船舶總體性能優(yōu)化設(shè)計的主要特點，總結(jié)了船舶總體性能優(yōu)化設(shè)計用到的主要方法，最后提出了船舶總體性能優(yōu)化設(shè)計時所要研究的關(guān)鍵問題，對進(jìn)行船舶總體性能優(yōu)化設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。

船舶；總體性能；優(yōu)化設(shè)計

0 引言

船舶總體性能設(shè)計是指依據(jù)研制任務(wù)書，通過分析、論證、計算、試驗和繪圖等工作，提供一系列技術(shù)資料，滿足研究單位的設(shè)計要求，確保造船廠能建造出性能優(yōu)良的船舶。一般地，船舶總體性能設(shè)計工作包括總體設(shè)計和局部設(shè)計兩個方面。其中，總體設(shè)計的主要任務(wù)是解決設(shè)計中的主尺度方案以及船體型線、上層建筑、結(jié)構(gòu)形式、動力裝置、電子設(shè)備及武器系統(tǒng)選型等一些最基本的問題；局部設(shè)計是在總體設(shè)計基礎(chǔ)上作進(jìn)一步的細(xì)化設(shè)計。

1 船舶總體性能優(yōu)化設(shè)計研究進(jìn)展

國外學(xué)者利用優(yōu)化理論在船舶總體性能優(yōu)化設(shè)計領(lǐng)域取得了很大進(jìn)展。美國海軍在20世紀(jì)60年代就開始以“綜合模型”對船舶總體方案進(jìn)行評估，獲得了巨大的軍事與經(jīng)濟(jì)效益，并研制了先進(jìn)的船舶綜合模型開發(fā)與評估工具ASSET。英國海軍研制了船舶多目標(biāo)概念設(shè)計工具Paramarine，目前英國海軍的水面艦艇、潛艇以及大型水面船舶均采用Paramarine進(jìn)行建模分析。在船舶工程領(lǐng)域，總體性能優(yōu)化設(shè)計的研究也取得了一些發(fā)展。Boulougouris等人[1]應(yīng)用Shipflow軟件，對阻力和重心最大垂向運動構(gòu)成的多目標(biāo)優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化。Steel[2]和Thomas[3]等人使用遺傳算法探討了船型優(yōu)化的設(shè)計問題。在固定船舶航速的情形下，Harries等人[4]以單位排水量下的總阻力和排水量為設(shè)計變量，以耐波性為優(yōu)化目標(biāo)，對滾裝船的型線開展了優(yōu)化設(shè)計。Lee等人[5]以船舶建造費用為優(yōu)化目標(biāo)，對船舶的主尺度及型線進(jìn)行了并行優(yōu)化。Peri[6]發(fā)表了與船舶全局優(yōu)化問題有關(guān)的相關(guān)文獻(xiàn)。Boulougouris和Papanikolaou[1]使用多目標(biāo)遺傳算法研究了船舶的生命力問題。Brown等人[7]使用綜合效能指數(shù)（OMOE）和全壽命周期費用（LCC）建立了船舶總體性能的多目標(biāo)優(yōu)化模型，采用多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)行主尺度方案優(yōu)化。Peri和Campana[8]以船舶最小總阻力及最小化垂蕩和縱搖作為優(yōu)化目標(biāo)，對船體的線型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

國內(nèi)也開展了船舶總體性能優(yōu)化設(shè)計的研究工作，目前在該領(lǐng)域的一些院所和科研單位主要有：上海交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、海軍工程大學(xué)、武漢理工大學(xué)、大連理工大學(xué)、中船重工701所等。1989年，薄林槐[9]應(yīng)用多元回歸分析方法，對當(dāng)時的水面船舶阻力圖譜提出了回歸表達(dá)式，并在分析國內(nèi)外25條典型船舶阻力試驗的基礎(chǔ)上，對該數(shù)學(xué)表達(dá)式做了擴充和修正，提高了船舶阻力估算的精度，擴大了其應(yīng)用范圍。1992年，程智斌和陳仁鈴[10]以不沉概率作為船舶不沉性評估指標(biāo)進(jìn)行了討論，提出了用于船舶戰(zhàn)術(shù)技術(shù)論證階段和初步設(shè)計階段的不沉概率的計算方法，并用該方法編制了計算機程序，對我國當(dāng)時海軍部分水面戰(zhàn)斗艦艇進(jìn)行了實船計算。2003年，黃炳濤和沈遠(yuǎn)海[11]通過系統(tǒng)分析的方法，對水面艦艇的作戰(zhàn)效能作了分析，構(gòu)造了對作戰(zhàn)系統(tǒng)效能評估的研究框架，綜合考慮了作戰(zhàn)能力、作戰(zhàn)環(huán)境、作戰(zhàn)使命的相互關(guān)系。2005年，呂建偉、易慧、劉中華等人[12]針對船舶研制特點，運用系統(tǒng)工程原理，通過對任務(wù)目標(biāo)的分解與技術(shù)指標(biāo)的分析，考慮船舶全系統(tǒng)、全壽命和用戶需求等方面，構(gòu)建了可用于船舶研制方案的評估、權(quán)衡、優(yōu)化的船舶研制指標(biāo)體系，并對其應(yīng)用條件和應(yīng)用形式進(jìn)行了初步探討。2006年，蔣鐵軍和王樹宗[13]建立了船舶裝備總體設(shè)計指標(biāo)體系，提出了綜合效能的概念。能同時體現(xiàn)對作戰(zhàn)能力和后勤保障能力的描述。在系統(tǒng)分析目前廣泛采用的船舶裝備總體設(shè)計準(zhǔn)則及其優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，提出了基于效費比的優(yōu)化設(shè)計準(zhǔn)則。在強調(diào)裝備綜合效能的前提下，充分考慮裝備的經(jīng)濟(jì)承受能力，為有效提高經(jīng)費的使用效益創(chuàng)造條件。2006年，劉佳、王威和楊建軍等人[14]建立了將Fisher判別分析方法應(yīng)用于效費分析的模型，能夠直接通過性能評估指標(biāo)進(jìn)行船舶方案的初步篩選，將性能方案分為效費比高和效費比低兩類，剔除效費比低的方案。并通過實例說明該方法能夠減少費用估算的工作量，提高了工作效率。2012年，張濤和畢毅[15]在熵權(quán)法和模糊集的基礎(chǔ)上，提出了應(yīng)用于船舶操縱性綜合評估的新方法，且獲得了較好的評估結(jié)果。

2 船舶總體性能優(yōu)化設(shè)計主要特點

船舶總體性能的優(yōu)化設(shè)計具有以下特點：

1）矛盾錯綜復(fù)雜

由于船舶自身的內(nèi)在矛盾錯綜復(fù)雜，使得船舶總體性能的優(yōu)化設(shè)計更加復(fù)雜。如在排水量不變的前提下，船舶負(fù)重量與船舶航速之間的矛盾，船舶耐波性與初穩(wěn)性之間的矛盾，船舶航向穩(wěn)定性與操縱靈活之間的矛盾等。在船舶總體性能的優(yōu)化設(shè)計中，要妥善處理這些錯綜復(fù)雜的矛盾，不能簡單地采用折中的辦法來解決，應(yīng)遵循如下原則：局部服從總體；次要矛盾服從主要矛盾；總耗能服從經(jīng)濟(jì)效益，并以最小的代價獲取利益。

2）問題具有多解性

一艘設(shè)計成功的船舶，其總體性能方案應(yīng)能最大限度地滿足研制任務(wù)書中各項戰(zhàn)術(shù)和技術(shù)性能指標(biāo)的要求。為此，對同一個設(shè)計目標(biāo)來說，往往設(shè)計出的多種方案都能滿足同一設(shè)計目標(biāo)要求，因此需要對多個方案進(jìn)行分析評估，決策部門可根據(jù)任務(wù)需要和實際情況，從待選的設(shè)計方案中選取出“最優(yōu)方案”。

3 船舶總體性能優(yōu)化設(shè)計主要方法

船舶總體性能優(yōu)化設(shè)計是一個逐步近似并反復(fù)迭代的復(fù)雜過程，該項工作主要包括方案設(shè)計、初步設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計等設(shè)計階段。為了對多個設(shè)計方案開展船舶總體性能的綜合評估，并獲得船舶整體系統(tǒng)的總體最優(yōu)解，合理的做法是在船舶設(shè)計初期同時考慮船型、推進(jìn)、布置等指標(biāo)的設(shè)計，給出相應(yīng)的設(shè)計變量、約束條件以及各子系統(tǒng)之間的相互耦合關(guān)系，即船舶總體性能設(shè)計是一個不斷反復(fù)逐步近似的串行設(shè)計過程，這種設(shè)計模式可用圖1所示的設(shè)計螺旋線表示。只有隨著設(shè)計過程的深入，對設(shè)計對象的認(rèn)識才會不斷增加。

船舶總體性能優(yōu)化設(shè)計的最終目標(biāo)是找到最佳的主尺度方案，常用的方法有逐步改進(jìn)法、變值法、最優(yōu)化方法和智能優(yōu)化算法等[16-18]，下面逐一進(jìn)行簡要介紹。

1）逐步改進(jìn)法

這是船舶總體性能設(shè)計中最常用的一種方法，它建立在分析估算的基礎(chǔ)之上。首先分析研制任務(wù)書中的任務(wù)，從設(shè)計船舶的備選方案中選出一套方案，估算該套方案的排水量、主尺度及各種性能。這樣經(jīng)過多次反復(fù)，直到達(dá)到滿意的結(jié)果為止。逐步改進(jìn)法在資料豐富的時候，可通過較少的工作量獲得較滿意的設(shè)計結(jié)果，其缺點在于難以證實所選方案是否是最佳的設(shè)計方案。

2）變值法

也稱網(wǎng)格法或參數(shù)分析法，是船舶總體性能設(shè)計中經(jīng)常使用的方案優(yōu)選方法。通過系統(tǒng)地改變對設(shè)計船舶有顯著影響的主尺度參數(shù)，在其可能的范圍內(nèi)，各選若干數(shù)值組成的一系列方案，對每組方案都進(jìn)行各種性能的數(shù)值計算。在計算出的結(jié)果中，拋棄哪些明顯不適用的方案，然后在剩余方案中，考慮到主尺度參數(shù)對船舶總體性能的影響規(guī)律，全面地開展分析比較后，選出最好的一個方案作為設(shè)計結(jié)果。

3）最優(yōu)化方法

這是利用近代數(shù)學(xué)方法，通過求解多變量、有約束目標(biāo)函數(shù)的極小值，進(jìn)而獲得最佳設(shè)計方案的一種方法。與變值法相比，最優(yōu)化方法能夠?qū)Ω嗟淖兞恳愿〉淖兓介L在更為廣大的設(shè)計空間中搜尋最優(yōu)解，因而可獲得更為理想的最優(yōu)設(shè)計方案，可有效解決計算時間長等問題。船舶總體性能優(yōu)化設(shè)計是一個最優(yōu)化問題，首先要把它用數(shù)學(xué)式表達(dá)出來，也就是要建立一個船舶總體性能的數(shù)學(xué)模型，同時還應(yīng)完整地描述出設(shè)計變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)等三大要素，最后通過求解目標(biāo)函數(shù)的最小值得到最優(yōu)的總體性能設(shè)計方案。

4）智能優(yōu)化算法

這是一類通過模擬某一自然現(xiàn)象或過程而建立起來的優(yōu)化方法。應(yīng)用智能優(yōu)化算法可有效地避免傳統(tǒng)逐步優(yōu)化方法搜尋不到全局最優(yōu)解的缺點。船舶總體性能優(yōu)化設(shè)計是典型的多目標(biāo)優(yōu)化問題，設(shè)計過程錯綜復(fù)雜，許多子目標(biāo)之間存在著不同程度的耦合關(guān)系。對一個目標(biāo)性能的改變，往往會造成其他目標(biāo)性能的降低。為獲得總體目標(biāo)的近似最優(yōu)解，合理的做法是在確定船舶主尺度方案時同時考慮多個子目標(biāo)的因素，給出各目標(biāo)的設(shè)計變量和約束條件，通過綜合平衡各子目標(biāo)之間的關(guān)系，使總體目標(biāo)達(dá)到令人滿意的程度。目前在船舶總體性能優(yōu)化設(shè)計中，智能優(yōu)化算法已獲得初步應(yīng)用，典型的算法包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法、遺傳算法等。

4 船舶總體性能優(yōu)化設(shè)計關(guān)鍵問題

船舶總體性能優(yōu)化設(shè)計中的關(guān)鍵問題有如下四個方面：

1）明確設(shè)計變量

設(shè)計變量也稱決策變量，是指設(shè)計過程中可自由選擇的獨立變量。設(shè)計變量的數(shù)目應(yīng)適當(dāng)控制，雖然設(shè)計變量的數(shù)目越多，設(shè)計的自由度越大且設(shè)計效果越理想，但是設(shè)計變量數(shù)目過大會造成問題過于復(fù)雜、設(shè)計時間過長。在實際設(shè)計過程中，在滿足工程要求的前提下，應(yīng)盡量減少設(shè)計變量的個數(shù)。另外，設(shè)計變量應(yīng)選取與目標(biāo)函數(shù)和約束條件直接關(guān)聯(lián)的、反映設(shè)計船舶主要特征且彼此間相互獨立的參數(shù)。設(shè)計變量一般從以下兩個方面選?。阂皇枪浪愦案黜椥阅芩玫降闹鞒叨葏?shù)；二是與后續(xù)設(shè)計過程緊密聯(lián)系的主尺度參數(shù)作為設(shè)計變量，以保證設(shè)計工作的連續(xù)性并體現(xiàn)后續(xù)工作的要求。

2）建立目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)是用設(shè)計變量的數(shù)學(xué)關(guān)系式表達(dá)的設(shè)計目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)是評估設(shè)計方案優(yōu)劣程度的依據(jù)，選擇目標(biāo)函數(shù)時要兼顧若干個設(shè)計準(zhǔn)則，如設(shè)計一艘船舶，不僅要考慮到它具有較高的經(jīng)濟(jì)效益，同時還應(yīng)滿足航速高、造價低等要求，故選取目標(biāo)函數(shù)可能是整個多目標(biāo)優(yōu)化過程中最重要的決策之一。

3）表達(dá)約束條件

在船舶總體性能優(yōu)化設(shè)計過程中，設(shè)計變量總是要受到某些條件的限制，這種限制在數(shù)學(xué)上稱為約束條件。約束條件可分為界限約束和性能約束兩類，其中界限約束是指設(shè)計變量許可變化的范圍，如長寬比滿足 7.0＜L/B＜11.0，方形系數(shù)滿足0.40＜CB＜0.58等；所謂性能約束是指對設(shè)計船舶的性能所提出的一些限制條件，如快速性要求、耐波性要求等。在船舶總體性能優(yōu)化設(shè)計過程中，約束條件的引入是十分必要的，滿足約束條件的方案稱為可行方案，不滿足約束條件的方案稱為不可行方案。

4）構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

為實現(xiàn)船舶總體性能的多目標(biāo)優(yōu)化，應(yīng)構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型平臺。其目的是按照多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計流程，針對具體的優(yōu)化設(shè)計問題，將多目標(biāo)優(yōu)化程序、優(yōu)化模型、優(yōu)化方法、優(yōu)化策略集成起來形成多目標(biāo)優(yōu)化系統(tǒng)。

5 結(jié)論

隨著國內(nèi)外造船行業(yè)競爭日益激烈，造船界不斷尋找生產(chǎn)效率高的船舶設(shè)計方法，本文主要對船舶總體性能優(yōu)化設(shè)計方法的相關(guān)研究進(jìn)行了梳理總結(jié)，通過對該方法國內(nèi)外研究進(jìn)展的介紹，并從船舶總體性能優(yōu)化設(shè)計的主要特點和主要方法兩個方面的分析著手，提出了應(yīng)用該方法需要研究的關(guān)鍵問題，對進(jìn)行船舶總體性能優(yōu)化設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。

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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

王鵬（1988—），男，助教，碩士，研究方向：艦船設(shè)計制造與維修保障。