技术与工艺 国外舰船数字化设计技市 先进设计技术是武器装备产 品创新的源头和核心，其技术水 平直接决定了武器装备全寿命周 期的整体性能。近年来，以数字样 机、多学科优化设计、产品设计数 据管理、并行协同设计、人机工程 为核心的数字化设计技术在国外 舰船研制中得到了广泛应用．有 效推动了舰船由传统经验设计向 准确预测设计／仿真设计、由面向 性能的设计向面向效能的设计、 从以结构和性能为主的数字样机 向面向人机工效的动态虚拟 样机的转变．大大缩短了舰船研 制周期、降低了研制成本、提高了 产品质量和可靠性。 虚拟样机与系统仿真技术 数字化虚拟样机技术在“福 特”级航母（ＣＶＮ一７８）得到全面应 用。２００９年．美国在ＣＶＮ一７８设 计中以ＣＡＴＩＡ为核心，在全而应 用宾夕法尼亚州立大学ＣＡＶＥ （Ｃｏｍｐｕｔｅｒ－Ａｉｄｅｄ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｅｎｖｉ－ ｒｏｎｍｅｎｔ）技术的基础上，实施了 被称为ＲＯＶＲ（Ｒａｐｉｄｌｙ Ｏｐｅｒａ一 ２０１０．３．船舶物资与市场 应用最薪进展 吕 波赵建辉 ｔｉｏｎａｌ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ）的新 一代沉浸式 三维虚拟现 实系统．实现 基于ＣＡＴＩＡ 三维设计模 型的浏览、漫 游与协同（图 １）。与ＣＡＶＥ 需要固定的 环境相比， 图１ ＣＶＮ一７８设计过程中的ＲＯＶＲ场景 ＲＯＶＲ具有更好的柔性．支持设 进入分系统适用性验证与综合集 计师、建造工程师、水手、供应商 成阶段，通过全面应用建模与仿 以及军方等之间的协同．在设计 真技术，以支持基于需求分配、工 建造前就可最大程度的避免可能 程设计基础上的系统软硬件集 出现的设计、生产问题，如布置与 成、全舰性能评估与操作测试评 操作空间等。诺・格公司计划到 估等。建立了多任务分析平台 ２００９年底，在纽波特纽斯船厂建 ＭＭＡＴ（Ｍｕｌｔｉ－Ｍｉｓｓｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ 立第二套ＲＯＶＲ系统，以辅助作 Ｔｏｏ１），实现了面向作战系统的 业者能够理解建造空间．从而将 ＦＬＡＭＥＳ和面向软件集成的 虚拟现实技术从庞大的实验室环 ＲｏｓｅＲＴ两个仿真评估系统的集 境真正推向舰船制造现场。 成；以ＤＤＧ１０００全舰计算环境 数字化建模与仿真技术全面 ＴＳＣＥ（Ｔｏｔａｌ Ｓｈｉｐ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ Ｅｎ－ 应用于ＤＤＧ１０００的持续改进活 ｖｉｒｏｎｍｅｎｔ）为依托，建立了基于高 动中。２００９年是ＤＤＧ１０００研制 层体系架构的全舰作战性能的仿 ３５ 技术与工艺 真评估，具有实时操作性基础上 的真实工况模拟特点。 嵌入式Ｓｉｔｕａｔｉｏｎ Ｖｉｓｕａｌｉｚａ— ｔｉｏｎ（ＳｉｔＶｉｚ）工具包应用于 ＪＬＥＮＳ的扩展。 综合设计模型的多学优化技术的 研究，开发了软件工具包。该技 术具有两个突出的特点：一是将 考虑动力、稳定性、船体形式定 义、成本、载重能力等综合分析纳 多学科综合优化设计技术 多目标优化设计评估工具 在搭载新一代宙斯盾的导弹护 ＤＤＧ１０００反潜作战，以提高多 传感器和作战指令集成下的复 杂、模糊信息环境下的认知智 能。２００９年，美国Ａｎａｃａｐａ公司 完成了第二阶段的ＳｉｔＶｉｚ工具 包的开发，该系统主要面向 ＤＤＧ１０００反潜作战中多传感器／ Ｃ２（Ｍｕｌｔｉ—Ｓｅｎｓｏｒ／Ｃｏｍｍａｎｄ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏ１）下复杂、模糊，尤其是声 学和电磁信号识别、分类和具 体化。ＳｉｔＶｉｚ核心在于提高认知 感知的核心思路在于多任务集 成、关键任务识别、理解共享、 人员负荷管理、态势感知以及 多方协作。通过提供“一站式” ｏｎｅ—ｌｏｏｋ）集成显示界面，避免 了传统“管道累积式”信息 通道的显示与控制方式，其目 的体现为减少战场环境监视人 员的工作负担、提高复合信息 处理智能、缩短从传感器到发 射的链路，目前其自我评估的 技术成熟度为ＴＲＩＡ，预期到 ２０１０年达到ＴＲＬ６并在 ＤＤＧＩＯ００上实施应用。ＳｉｔＶｉｚ工 具包具有嵌入式特点．纳人到 ＤＤＧ１０００的全舰计算环境（Ｔｏ— ｔｌａ Ｓｈｉｐ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ） 中．在架构上与ＤＤＧ１０００的战 术显示框架（Ｔａｃｔｉｃａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ．ＴＤＦ）实现了基于 ＪＡＶＡ的无缝集成，并支持未来 向同样基于ＴＤＦ架构海军航 母、空军ＡＷＡＣＳ以及陆军 ３６ 卫舰（ＣＧＸ／ＢＭＤ）概念论证中得 到初步应用。２００９年，弗吉尼亚 技术学院的Ｂｒｏｗｎ在美国面向 搭载新一代宙斯盾的导弹护卫 舰的概念论证中发展了多目标 优化设计评估工具。该技术综 合考虑了成本、风险（包括技 术、成本和性能）以及作战效果 等目标，在船体形式、结构材 料、动力推进、机电系统、乘员、 空间布置、重量与载重、稳定 性、成本等方面建立了替代方 案，利用达尔文（Ｄａｒｗｉｎ）优化算 法。在第一代产生３００种方案 的基础上。进一步从中选出２８ 种方案进一步优化处理，最终 确定搭载新一代宙斯盾的导弹 护卫舰（ＣＧＸ／ＢＭＤ）概念设计方 案。目前该技术正处于持续发 展中，后续研究重点聚焦在船 体的共振稳定性、推进器布局、 备用推进装置的生存能力、持 久续航速度、电磁干扰、燃料电 池或柴油发电机的备用性处 理、船体优化布局等方面，将推 动美国舰船概念论证技术实现 工具化和实用化。 基于综合设计模型的多学科 优化技术工具应用于多体船设 计。多体船是船舶未来发展趋势 之一。２００９年．美国加州大学在 海军研究局（ＯＮＲ）的资助下，以 多体船设计为背景，开展了基于 入到统一的软件工具系统；二是 采用了神经网络方法以提高分析 的智能性，并且利用基于ＣＦＤ （Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ） 模拟分析数据训练该网络模型。 该技术后续将结合新一代多体船 设计展开工程化应用。 产品模型与数据管理技术 ＮＳＲＰ（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒａｍ１ ＡＳＥ开展了旨 在将产品生命周期ＩＳＯ一１０３０３— ２３９标准推广到海军船舶建造的 计划：ＩＳＥ一６。为了将航空工业和 武备工业常用的ＩＳＯ一１０３０３—２３９ 标准推广到船舶与海洋工程领 域。ＮＳＲＰ ＡＳＥ在２００７—２００９年 间资助了一项新的研究计划 ＩＳＥ一６。先前的ＩＳＥ２ ＩＳＥ５计划设 计并构建了基于网络和标准、用 于船舶建造产品信息共享的结构 和基础。为满足舰船建造商在生 命周期支持和交付后业务领域的 协同工作的需求，新的ＩＳＥ一６计 划通过部署信息技术系统，采用 ＩＳＥ ＸＭＬ中间格式．以开放、共 享的产品数据管理系统与标准， 实现对舰艇设计制造等全生命周 期的各个阶段进行统一的管理优 化、数据整合和应用共享。这种 基于网络的集成结构，不仅可以 用于船上系统．还可以用于岸基 的维修和保障系统。ＩＳＥ一６计划 ２０１０．３・船舶物资与市场 已经完成的产品生命周期支持 （ＡＰ２３９）标准，可用于支持船体 建造、配置控制和维护使用，以及 美国海军产品数据倡议计划定义 的其它领域。 并行协同设计技术 以降低成本和缩短研制周期 为出发点的ＤＦＰ ｆＤｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｐｒｏ— ｄｕｃｔｉｏｎ）技术在“弗吉尼亚”级潜艇 设计中得到广泛深人的应用。 ２００９年４月，美国电船公司以每 年建造两艘“弗吉尼亚级”潜艇和 每艘成本降至２０亿美元为目标， 在海军造船技术中心、海军研究 局和海军制造技术办公室资助下 完成了“面向制造的设计”项目研 究。该项目在方法上采用对设计 人员培训企业制造流程、资源能 力以及最佳实践案例，以增强设 计过程对制造因素考虑的意识； 在策略上考虑了以设计为源头， 涵盖精益制造、装配、测试、维护 和维修等环节：在工具上体现为 设计标准与规范数据库、基于三 维模型的无缝协同与发放环境、 面向全生命周期的设计成本分析 软件等：该项目优化了１００多个 与制造有关的设计流程。“弗吉尼 亚级”潜艇ＤＦＰ过程如图２所示。 人机工程技术 “Ｍｒ．ＶＩＶＩＤ”人机交互方法 在ＣＶＮ７７航母三维设计中用于 操作空间检验。２００９年１月服役 的ＣＶＮ７７航母（布什号）在设计 开发过程中引入了大量的新技 术。在人机交互方面。引入了用于 ２０１０．３．船舶物资与市场 技术与工艺 虚拟工作人员 （被称作Ｍｒ． ＶＩＶＩＤ）．以帮 助测试设计人 员的各种设备 是否便于操 作，各种工作 空间是否可以 顺利进入，此 举被称作舰船 图２“弗吉尼亚级”潜艇ＤＦＰ过程 设计人机工程 领域的一大创 新。该模型符 合ＤＩＮ ３３４１６ 类似的标准规 范，支持典型 操作姿态下人 类姿势图示法 图３船员被固定时的撤离仿真以及舱口盖开启过程仿真人 （Ｇｒａｐｈｉｃａｌ 员模型和运动仿真 ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ ｎｆ ｔｈｅ ｈＵｍａｎ ３Ｄ可视化技术应用于潜艇 ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ），体现了人机 营救系统仿真设计。为减少潜艇 交互技术中精细化、准确化和科 的登艇事故发生率，英国格拉斯 学化等特点，如考虑了人种、年龄 哥大学Ｊａｍｅｓ Ｆｉｓｈｅｒ Ｄｅｆｅｎｓｅ 的差别、作者在日常工作中的舒 （ＪＦＤ）研究中心的ＣＡＩＤＪＦＤ研究 适程度和常驻状态的区分，以及 中心从２００８年底开始，以（ＳＳＮ 对空间裕度、舒适感、生存气体流 Ａｋｕｌａ？）级潜艇为例，将３Ｄ可视 通、特殊环境要求以及危机情况 化的ＣＡＩＤ技术引入到潜艇营救 撤离等条件下的人体姿态变化 系统和虚拟人员营救过程的模拟 等。Ｍｒ．ＶＩＶＩＤ完全按照正常人的 当中。与一般的复杂机械系统不 尺寸设计．可以在航母的三维虚 同．在潜艇的设计过程中，除了对 拟设计中走、立、坐、蹲、爬，可以 机械结构部分进行可视化结构建 伸展他的臂膀去操作各种设备。 模外，还需要对演习任务和技术 Ｍｒ．ＶＩＶＩＤ的各个关节像人类一 操作规程进行可视化和人机交 样，有旋转和弯曲的，如果对 互。仿真系统包括深潜营救器及 某个设备“Ｍｒ．ＶＩＶＩＤ无法操作或 相关设备，连接营救器的母船和 者操作困难，就意味着该处的设 受损的潜艇三个主要部分。仿真 计需要修改”。 的营救过程可以从多视角、不同 ３７ 技术与工艺 速度回放，也可以对内部设备进 行透视或剖视。通过对营救过程 的精确仿真，可以得到每一步操 作所需要的精确时间，便于指导 在同一个营救任务中不同救援队 之间的相互协作（图３）。 基于实时虚拟现实的安全空 间检验与安全在英国“特拉法加” 级（Ｔｒａｆａｌｇａｒ）潜艇中得到了深入 应用。２００９年，英国伯明翰大学 的Ｒｏｂｅ￣Ｓｔｏｎｅ等人以英国人类 因素集成国防技术中心为依托， 引人实时视频游戏技术，开发了 基于ｉ３Ｄ产品模型和Ｏｇｒｅ３Ｄ图 形核心的ＳｕｂＳａｆｅ虚拟现实仿真 系统，于２００８年８月一２００９年１ 月结合英国Ｔｒａｆａｌｇａｒ级潜艇进 行了三维虚拟现实安全与空间训 练技术的试验。该系统对与潜艇 安全有关的逃生系统３０多个模 块、５００多个对象进行了３Ｄ建 模．并在其中引入了用于航空航 天电子装备现场可更换单元 （ＬＲＵ）“最佳实践”的概念。试验 中通过采取三组人员交叉对比的 形式展开，包括传统训练组、观看 ＳｕｂＳＭｅ视频组以及手持ＳｕｂＳａｆｅ 系统组等，对比分析结果表明，借 助于ＳｕｂＳＭｅ系统，可以在最短 移动距离内实现关键逃生装备精 确定位和识别．极大的促进了潜 艇安全空间检验培训。 舰船合成环境ＳＥＳ（Ｓｙｎ— ｔｈｅｔｉｃ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｆｏｒ Ｓｈｉｐｓ）工 具已用于分析新技术的引进和 工作流程的变化对装备、舰船 系统以及人员配备的影响。美 国Ｓｉｍｕｌｅｘ公司开发的ＳＥＳ工 ３８ 具通过对船上人员和系统的工 作流程、行为特征以及它们之 间可能产生的相互作用进行定 义．可以对上百个船员和上千 个船上设备的活动进行仿真。 其目的是通过对变化造成的影 响进行评估。减少由于新技术 的引进对船上工作流程、人员 配备、后勤、维护等多方面造成 的预料之外的后果和相关的费 用。相比美国海军先前使用的 总体船员模型（ＴＣＭ），ＳＥＳ考虑 了由于人员变动或者疲劳度增 加等因素对仿真结果造成的影 响 ＳＥＳ可以从整体上对一个全 新的或者已有的船上系统进行 仿真，对象涵盖ＤＤＧ一５１、ＣＧ一 ４７、ＣＶＮ一２１等级舰船以及 ＬＣＳ、潜艇等，应用包括人员配 备的优化、新技术引人计划、舰 船的初始设计以及舰船现代化 计划等。 舰船数字化设计技术发展趋势 舰船设计向以多学科综合优 化为核心的并行协同集成设计方 向发展。国外舰船先进设计通过 集成专业设计技术、多学科综合 优化技术、虚拟仿真技术与ＰＤＭ 的集成，形成舰船产品研制、设 计、试验验证、建造、使用、维护于 一体的舰船产品全生命周期管理 的综合集成设计平台，并与军用 规范结合应用，促进创新、技 术创新，从源头上支撑装备产品 信息化实现。ＣＶＮ７８航母、ＬＰＤ１７ 两栖登陆舰的研制中广泛应用了 以多学科综合优化为核心的并行 协同集成设计技术。 数字化设计技术向基于全三 维模型并面向制造的全生命周期 方向发展。据统计，在现代工业产 品开发生产过程中．７０％的错误在 设计开发阶段已经产生．而８０％的 错误往往是在生产阶段或是更后 续的阶段才被发现并进行修正。以 三维数字化建模和虚拟现实技术 为基础的先进设计方法，通过建立 舰船产品的数字化虚拟样机，可以 最大化的对产品进行仿真设计和 用户沟通．分析产品的可制造性、 可装配性、可检测性、可维护性等 性能，并尽可能早地将错误和需求 变更解决在设计阶段，从而缩短研 制周期，降低试制成本。诸多优势 使得数字化建模和虚拟现实技术 正在成为舰船先进设计技术的重 要组成部分。 设计方法与技术手段进一步 向智能化、知识化方向发展。在 国外。知识工程与智能设计技术 已经１３趋发展成熟，并在解决多 学科耦合、高集成度、高综合度、 高可靠性复杂系统的总体指标优 化和协同设计问题方面发挥了重 要作用。舰船装备属于典型的复 杂巨系统，针对这一复杂巨系统 研制过程中产生的大量知识和经 验．通过知识积累提炼与知识重 用平台的开发固化，掌握多领域 知识获取、知识融合、知识驱动创 新设计等关键技术，提高设计知 识和数据重用率，引导工程经验 不足的工程师减少重复劳动，从 而将主要精力和劳动用于提高创 新设计能力。 ◆ ２０１０．３・船舶物资与市场
