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1、- 1 - 美国海军舰船新设计过程 Barry Tibbitts 引言 向舰队提供新的海战能力的过程，首先是从设计开始的。 设计是关 键的因素。许多提倡面向生产工程的人士确信，成品产品的70% 或更多 的最终费用和性能基本上是在设计阶段初期就已被“固定下来”。这并 没有降低在以后的设计阶段、舰艇建造阶段，以及使用期间作出的决定 和采取的措施的重要性，但是应当指出，在初期阶段，设计工作具有高 度的杠杆作用（尽管设计仍在计算机中），而此时的设计只需最小的费 用就易于更改。 近 50 年来，美海军舰船设计已经历许多不同的途径，例如 50 年代 的“军内设计”、60 年代的“一揽子采购”方式、70 年
2、代的“按费用设 计” 、80 年代的“提倡竞争”和“采办合理化”，增加船厂参与设计过程； 90 年代的“采办改革”、 “费用与作战使用效能分析” 、 “国防部监督” 和 “民用代”政策等。 上述采办途径主要是由于海军与工业部门之间风险分担的不同而 不同。这里所谓的风险就是满足舰艇军用性能要求的责任。由于拒绝了 “一揽子采办”方式，美国海军认为，为实现作战使用需求文件而将全 部风险归给船厂不是一种具有费用效益的办法，至少对于先进复杂的军 舰是如此。因此近25 年来，美国海军一直控制着初期的军舰设计。 与此同时，公众愈来愈认识到， 舰艇设计应该是大家的事而不仅仅 是海军的事。近年来，计算机技术的进
3、步，船厂和舰队面临的问题，以 及外部实际情况的变化（如海军造舰与改装预算削减、采办改革和兵力 - 2 - 规模的缩小），要求舰船设计过程必须变革。目前，美国海军海上系统 司令部正在设计三条水面舰船方案：即SC-21水面战舰、 T-ADC(X)军辅 船和 CV(X)大甲板航空母舰，它们将从新的改革后的舰船设计过程大大 获益。 舰船技术革命的工具 目前为完成这些新舰设计而正在考虑采取的新创新措施示于表1。 这些新创新措施将对海军舰船设计和采办过程产生重要影响。有些新措 施例如仿真设计和技术转移是依靠许多新的技术。其它措施例如平行工 程和系统工程是一些导致大大改进设计过程的途径或设计观念。这些措 施
4、在实施时是互相补充和互相支持的。因此，它们将使舰船优质设计的 三个方面：创新、综合和迭代达到最大程度。 表 1 采办改革下的舰船设计过程 美国海军海上系统司令部创新措施 平行工程 受船厂和舰队影响的设计决定 综合的过程和产品研制小组 系统工程 全舰观念 新技术的战略转移 综合的研究与开发和舰船设计策略计划 模拟和仿真 三维数字产品模型 仿真设计 平行工程 - 3 - 传统上是由设计者提出工程解决方案，满足规定的要求及技术与计 划上的约束条件。 因此，诸如可生产性、 可维修性和可操作性之类问题， 在设计期间没有受到很大注意。这不是设计者忽略这些问题的重要性， 而是这些目标没有量化。此外，也没有计
5、量工具可用来实时甚至快速地 评估这些设计备用方案。反之，是在设计完成时，外部专家评估其费用 及其效用。这些评估可能需时几个星期，甚至在完成时，通常还没有使 其与早先做出的设计决策直接联系起来。几年后，才从船厂获得反馈信 息，甚至更后一些时间获得舰队的反馈信息。甚至可以说，如果没有人 要求设计者解决正确的问题，设计者就会永远不会有问题。当然，对任 务需求提出的问题不是设计师主管的份内事。 平行工程的基本原则是， 成功的设计者要从设计最初阶段考虑到建 造、部署、使用乃至报废的产品全寿期各方面问题。这一概念是在那种 费用承受能力、 用户满意和新产品引进速度对成功取得经费是很关键的 工业部门提出的。由
6、于任何个人都不可能掌握所有这些方面，因此成立 一个小组，以使设计成为大家的事。 目前，这些小组就是综合的产品与过程研制小组（IPPD）或综合的 项目小组。 对于海军舰船，舰船设计者（至少）有两个用户。船厂是阶段性用 户。在采办过程中，船厂使用海军海上系统司令部合同设计包。与合同 和法律事务无关，成套标书的质量对舰船设计单位和船厂关系极大。当 然，舰队是最终用户（准确地说，今天联合作战司令部才是真正的最终 用户） 。 关键的问题是， 如何让这些用户都在设计初期阶段参与设计，从而 使他们开始考虑制定舰艇建造、使用和维修的过程，并保证舰艇的设计 - 4 - 在研制期间不损害使用期的这些过程。这些使用
7、期过程的用户积极参与 设计将使舰艇设计过程实现革命化。海军海上系统司令部在初期设计阶 段与造船工业部门的关系，不同项目是不同的。理想的情况是，在船厂 积极参与设计时，使海军参加联合设计现场。这种参与尽早实现保证可 生产性问题早期受到关注。应采纳顶层建造策略，给所有设计者在作出 设计决定和权衡比较时提供指导，从而使设计能有助于现代舰船建造惯 例，例如区段式建造结构、 预舾装、预试验、过程流动路线和模块建造。 图 1 现代化舰船建造过程 在“提康德罗加” 级（CG-47 ）宙斯盾巡洋舰（70 年代）和“阿雷 伯克”级（DDG-51 ）宙斯盾驱逐舰（ 80 年代）的合同设计期间，船厂受 邀参与设计研
8、究，以便审查规格书和图纸，熟悉（有关舰及其作战系统 平行研制的）新设计预算概念，以及制订本船厂造舰计划。在从设计到 生产过渡的若干重要领域里，几家船厂是无法达到一致的，且海军海上 系统司令部必须采购一种处理设计的“最低限度的共同特性”方法。用 过 程 流 带区域建造与舾装 装 配下水 - 5 - 现在的话讲，不可能采取一种顶层建造策略。 在 90 年代初期，第一个重要军舰设计就是“尼米兹”级第9 艘核 动力航空母舰 “罗纳行里根”号（ CVN-76 ） ，这是一个改型重 复式设计方案。 船厂从最初设计阶段就参与设计。LPD-17两栖攻击舰是 90 年代第一个真正全新设计和推进舰艇设计革命的一型
9、舰艇。90 年代 初期，海军海上系统司令部几百名工程师接受了现代舰船生产方法和可 生产性设计方面的训练。在初步设计期间制定了想象性的建造策略，这 是“虚拟船厂”的关键，以便协助设计者从设计一开始就处理好可生产 性。虚拟船厂是借助具有工程、生产和/ 或计划经验的以前船厂人员的 假定提出的。在合同设计期间，竞争选择的五家船厂受邀协助审查规格 书、制定附加的可生产性改进建议，以及有关实行公制化的意见等。这 些是提供给船厂的一些正式任务，同时还希望船厂利用这一机会开始制 定用于建造 LPD-17 舰的建造过程，并参与舰船设计单位的对话联系， 保证设计决策不损害他们的建造策略。 海军海上系统司令部还正在
10、采取措施提高舰队对舰艇/ 系统设计和 研制过程的参与程度。已经使用质量功能推广应用（QFD ）的策略来保 证舰队的参与能影响研究与研制决策者，并能在新产品研制中加以考 虑。QFD策略是从一份用户的语言反映用户声音的用户需求与需要清单 开始做起的。用户的声音往往是主观的、定性的、非技术性，例如要求 将舰设计得更经济、更有生存能力等。设计小组的实质性措施就是将这 些用户需求转换为共同的语言，即定量的和技术性的。这就是，用户要 求必须转换成设计要求。例如，可能是一种商船型的舰船结构，降低使 用费用的高能效推进装置，以及提高生存能力的箱形船体桁构造。 美国海军海上系统司令部使用QFD 策略使得正在进行
11、中的和潜在的 - 6 - 研究与研制项目与对未来水面战舰和未来航空母舰优先考虑的舰队需 求联系起来，并且将QFD 策略扩大使用到新舰设计的多功能小组。归根 到底，高速计算机网络和先进的响应技术将使舰队更多地参与设计过 程。 系统工程 全综合的舰艇 在美国海军海上系统司令部内部系统工程被定义为：“应用科学技 术将舰船设计的各个相关方面综合起来，形成一个在技术和计划约束条 件范围内满足作战使用要求的最佳整体。 联合设计小组 组成一个联合设计小组是实现系统工程方法的一个关键步骤。这类 设计小组具有改进联系和有效利用较少资源的优点。 90 年代初第一个重要舰艇CVN-76核动力航空母舰设计中建立了一
12、个联合设计小组， 由海军海上系统司令部、 海军航空系统司令部、 船厂、 作战中心和设计单位参加。 LPD-17两栖攻击舰项目从一开始就组成一个联合设计小组。联合设 计在设计过程的很早阶段即可行性研究而不是初步设计或合同设计就 已进行。这部分地是由于需要制定和评估大量备选的舰船方案所决定 的。可以预见，在预算削减和任务变化的环境中，决策者将继续要审查 大量备用设计方案。此外，原属于海军权限的设计决策现已上升到国防 部，这使得国防部也成为设计参与者，而且增加了大量时间进行审批过 程。 在 90 年代，海军海上系统司令提出了一个重要的“全面质量领导 （TQL ） ”计划，称为“舰船设计、采办、和建造
13、过程改进计划”。其目 - 7 - 的是在提高海军舰船质量的同时减少海军舰船采办和使用的时间和费 用。为了确定现有舰船设计/ 采办过程建立了质量管理委员会（QMB ）和 过程行动小组（ PAT ） 。图 2 所示美海军优质舰船设计步骤。 司 令 部 提 交舰艇设计规 格 书舰艇设计 优质舰的设计过程领导改进措施过程改进 优质舰艇 确 定 合 同设计 设计包质量人员配备 使系统工实施组织优 质 舰 艇 程制度化性 更 改合同设计包 舰 艇 设 计使用备用 过 程 基 准工程过程 策略 图 2 优质舰船设计步骤 系统工程制度化目标是实施一种自上而下的工程技术解决办 法，促进全综合的、平衡的设计解决方
14、案的产生。目前所做的工作集中 在教育和训练上，举行了有关先进的舰船生产、可生产性设计、作战系 统设计综合和质量功能推广应用（QFD ）的学习班，这些课程将定期作 为海军海上系统司令部军内训练计划的一部分。 确定合同设计包质量过程行动小组的建立是为了制定合同设计 包的质量措施， 这些措施可以为采办过程中各个特定阶段点的所有参与 人员获得和使用。合同设计包制定费时几年，并涉及到来自各个单位的 几百名人员的参与。合同设计包确定了海军将采购的舰船，并提供了未 来的船厂编制标书的依据，是保证海军与船厂之间技术关系的依据。质 量措施的主要用户虽是在海军海上系统司令部内，但合同设计包质量的 超 越 - 8
15、- 改进对所有参与者都有益。制定了一份质量措施表，分发给海军、其它 政府机构和工业部门，以求得反馈信息。这方面的措施例如采纳合适的 腐蚀裕度或能评估的维修原则的影响、由用户确定和认可的维修概念， 使船体复杂曲率减至最小，等等。 规范改进采取了改进规范和标准的制定和维护措施。舰规格书 改进过程行动小组制订了一个综合的水面舰船规格书制订过程细则。其 结果已在 90 年代初期用在 CVN-76航空母舰和 LPD-17两栖攻击舰规格 书制订工作中。这一过程细则将扩大到包括上述的质量措施。同时美国 国防部指示，性能规格书和/ 或民用规格书是政府向工业部门说明采购 需求的主要手段 。目前，LPD-17舰规
16、格书正在审查， 以确定哪些引用文 件（军用规范、标准 / 典型图纸等）是必需的应该保留，哪些可以删去 或用性能规范 / 民用标准替换或仅作为指导性文件。据悉，该舰原始引 用文件的数量已从1450 份减少到 334 份。 新技术转移 促进战争革新 阶段点 0（可行性阶段）以前的初期计划制定对保证未来水面舰船 和系统对付未来的威胁是必不可少的。冷战结束，超级大国之间的全球 性对抗已缓和。但是另一方面，大规模毁坏性武器继续在扩散，越来越 多的国家正在采购先进武器。 与其它兵力在沿海战中协同作战的要求不 是新的，但是很明显，这将比传统的海洋战略重要。最后一点是，在严 格的预算制约的环境中，费用承受能力
17、是一个关键问题。发展战略计划 对于决定最佳分配有限的经费和加强新技术向舰队的转移是关键的。 美国海军的大部分经费投入在三个主要方面。第一个是战备完好 性。这包括人员配备、训练、飞行和航行小时、大修和维修、备件、消 耗品等。这方面的效果回报是迅速的。第二个重要投入的领域是采办新 - 9 - 舰船和系统。很显然，为了对付新的威胁和克服老旧系统的过时报废和 过多的后勤保障费用，必须部署使用新的系统。但是效果回报期限是未 来 510年。第三个重要投入领域是研究与开发。从美国国内战争以来， 海战一直受到技术的强烈影响。冷战期间主要目的是提高能力和性能。 这一点并没有消失，但是费用承受能力已上升到重要位置
18、。研究与开发 投入的效果回报期限是1520年。 研制重要新系统（例如宙斯盾作战系统、电力传动系统）比研制舰 船所需的时间更长。在这些情况下，系统研制必须比舰船提前进行。但 是，在不知道系统用途情况下申请所需经费是困难的。而且如果系统研 制延迟到舰船项目进展到阶段点I （或甚至是阶段是0）时，就可能太 迟了。 发展战略计划制定过程就是通过依据新的任务需求和新的威胁不 断评估新技术和新的舰船概念来解决这一问题。图 3 所示的专家小组是 一个最佳途径。其目的是指导研究开发决策者，协助在兵力级、兵力混 合组成、作战能力和费用承受能力之间进行权衡比较。 发展战略计划制定过程的目前例子，包括评估多种新的船
19、机电和作 战系统技术对未来水面战舰和未来航空母舰的影响。在这两项研究中， 使用质量功能推广应用（QFD ）策略使正在进行中和潜在的研究开发项 目同用户需求联系起来。对于水面战舰研究，目的是弄清楚能够保持或 提高作战能力和适应使用变化（例如安全性、干部环境、男女混合组成 的舰员）的技术，同时降低舰艇费用、 舰艇大小和人员数。 至于船机电， 从现在库存看已有1000 多种技术。经过进一步分析，确定了30 种最有 希望的船机电技术。未来航空母舰研究遵循了同样的分析过程（有些有 希望的技术是通用的）。这两项研究是在舰艇采办项目立项之前完成的。 - 10 - 在最有希望的技术中， 有些如作战系统开式结构
20、、 舰艇系统区段结 构、模块化 / 通用化和自治船等技术可能会大大改变未来舰船。 图 3 技术转换的发展战备计划制定过程 作战系统开式结构将促进灵活性舰船设计、 即这种舰船能够经济 地快速进行更新。传统上，这种更新被认为是在寿命期中期（交船后 1015年）作战系统的服役更新。但是， C 4I 技术更新率目前非常大，以 致甚至在设计和建造期间就必须采取进行更新的措施。开式结构将连连 同适应于舰船及其任务系统平行研制的传统途径（诸如使用期裕度、设 计预算、预计划的产品改进等）一起使用。仿真设计在这里具有很大的 发展希望。区段式结构表明现代船厂不再按系统（例如电气、液体等） 而是按区段（例如模块和分
21、段）建造。 模块化/通用化其目标是利用装备标准组成部件的可重复使用 的设计模块来降低投入费用。通过减小后勤和基础设施费用（训练、备 件、技术手册等）也节省了使用期费用。此外，采用具有预定舰船界面 的标准模块也允许在接近交船前引入风险不大的技术。这种方法要求海 高级指导 委 员 会 需求研究小组投资策略小组 概念分析小组 技术分析小组效能分析小组 - 11 - 军海上系统司令部更具指导性作用和承担满足性能要求的风险。这一途 径与民用化和采用性能规格书的趋势背道而驰。这两个目标必须协调起 来。 模拟和仿真 把增加的迭代过程转换为提高设计质量 模拟和仿真包括仿真设计在内， 是一项实现真正平行工程 联
22、结 设计、建造和使用人员的有效技术。目前计算机技术的巨大进步已开始 使设计和采办策略发生革命性变化。美国海军海上系统司令部的基本目 标是达到将舰船设想、 设计、建造、试验和使用综合进计算机内的能力。 如图所示。这将可能使舰船设计革命化。 取得的教训或部署系统 战争分析与费用 作 战 效 能 分 析 需求作战使用系统 虚拟武器系统 产品技术设计研究武器系统 图 4 使用期虚拟原型舰 计算机辅助工程 /设计/制造（CAE/CAD/CAM ） 海军海上系统司令部首次应用计算机是解决数学密集型的工程问题 使用与后勤 训练 工程 建造 试验 - 12 - 以便节省人力和取得较精确的结果。这要求将物理模型
23、用到计算机上。 海军海上系统司令部开发许多分析程序在全船级上，为各种水面舰船类 型制定了舰船设计综合模型。这一领域被称为计算机辅助工程（CAD ） 。 设计人员为描写他们的产品手绘图纸已有几个世纪，重要的建造项 目需要几百名绘图人员。计算机进步使这一过程实现自动化，利用民用 程序绘制二维图纸。接着的进步就是三维计算机绘图。技术的发展使得 三维计算机图纸能快速绘制。这一领域称为计算机辅助设计（CAD ） 。 与此同时，船厂利用计算机的能力来进行制造（CAM ） 。起初，这局 限于数控机床，以后发展到计算机放样，并实现了指导切割头和成型轧 辊。最后，船厂开发了三维计算机模型， 协助对在一个隔舱内
24、（即管路、 电缆、通风管道等）几个分布系统之间的干扰检查。 三维数字式产品模型 计算机辅助设计（ CAD ）使用的自然延伸是三维数字式产品模型的 最新发展。这种模型除了提供精确的几何形状外，还包括了诸如重量、 电力需求量和人员配备要求之类的产品特性。这种模型起初是为了促进 设计小组成员之间的联系，是向工业部门传递舰船设计图形的主要手 段。 这样，船厂就不需要再将海军的常用图纸转换成自己的计算机程序， 节省了时间、费用和避免错误。诸如界面标准和协议书之类的问题，通 过与工业部门联合来解决。此外，在交船时，这种“建造的”三维产品 模型将为舰船使用期内进行构型控制和修改管理提供依据。 下一代的发展将
25、是一种“灵巧”的产品模型，它代表了计算机辅助 设计（CAD ）和计算机辅助工程（ CAE ）的良好结合。这种模型还能编入 其它特性，例如后勤保障模型、经费模型、制造模型等。灵巧产品模型 打开了在虚拟环境中建立虚拟原型的潜力。 - 13 - 虚拟原型 为了使风险减至最小， 研制性系统可以在陆基试验场或在海上进行 试验。但这样做是很花钱的，且在舰船研制后期才能进行。舰船作为一 个整体试验只有在交付舰队后才能进行。这样就只能按照几年前确定的 所需要的作战作用能力来衡量实际达到的作战使用能力。在这一阶段， 进度和费用的考虑因素几乎不允许纠正最严重缺陷。仿真设计就能提供 这样的机会，在虚拟的环境中利用虚
26、拟原型进行纠正。 目前舰船设计应用仿真设计的例子是CVN-76新飞行甲板、DDG-51 A批驱逐舰直升机库等设计。 CVN-76 航空母舰仿真设计 革命性改进之一是新飞行甲板的仿真设计。利用飞机仿真器， 海军 航空兵就能使F-14 飞机飞到飞行甲板上。飞行联队队长能从预飞程序 看到新飞行甲板，尽管航空母舰还只是存在于计算机之中。因而，在钢 材下料前几年，就确定了设计问题并实施由操作员提出的更改。 许多设计问题都在合同设计期间确定和解决，而通常这些问题只有 在签订建造合同后才被发现。实施更改的时间在研制过程的初期，费用 低且设计人员具有最大灵活性。 为了改进设计过程， 海军海上系统司令部正在开发
27、新途径来使用三 维模型。未来的目标包括流程、应力和动态响应分析软件与管理系统三 维几何模型综合。 未来的改进 CG-47宙斯盾巡洋舰 （70年代）和 DDG-51宙斯盾驱逐舰 （80 年代） 的设计代表了军舰设计过程的重大改进。目前的CVN-76 航空母舰和 LPD-17两栖攻击舰的设计吸取了它们先前的成功经验，但是大大加快了 - 14 - 更新速度，这部分是由于技术进步（促进了使用虚拟原型和分布网络） 的推动。 在 90 年代中期， 三个新舰项目目前正在研究中，它们是 21 世纪水 面战舰 SC-21，重要军辅船 T-ADC(X)和未来新航空母舰（ CV(X)。SC-21 舰项目已在 199
28、5 年初获得阶段点 0（即可行性研究阶段） 的批准，二三 年后将通过阶段点 （即初步 / 合同设计阶段），2000 年初预计签订建造 合同。 CV(X) 航空母舰项目正处于方案研究。这三个项目有机会充分利用 CVN-76航空母舰和 LPD-17两栖攻击舰项目设计已经历过的改进的设计 过程。 结 论 下列一些变革是改进舰船设计过程所需要的，它们是： 改进使用部门与采办部门之间的联系 接受寿命期观点 使严格的舰船审查制度化 实行计算机辅助设计的领导 利用联合设计小组使船厂更多参与设计 密切设计部门与研究中心的联系 密切舰船设计工作与研究研制工作的联系 21 世纪改进的舰船设计过程的特性是： 要求的
29、时间少和人员资源少 由多专业的系统工程师、后勤保障人员和建造人员组成设计小组 设计小组通过同时实时反馈进行联系 用户（船厂和舰队）通过仿真和电话会议积极参与设计 - 15 - 从设计生产到使用的兼容数据库 根据设计更改对制造、试验和使用进行实时仿真 标准海军库存器材和设备、可重新使用的模块、舰船特性和舰 船性能的历史数据库 政府、工业部门和学术研究机构的协作联合关系 易于取得高逼真度的费用/ 性能模型 系统、舰船和战斗群的物理性能分析 先进的前沿技术、硬软件 设计人员可联机存取先进的计算方法、仿真、专家和嵌入式设 计训练 主级主管联机存取设计状态和公制量度，以及与所有层次的设 计参与人员的联系
30、 综合的船机电 / 作战系统工程技术组织 仿真和虚拟技术，使舰船设计者、建造者和使用者能“感觉” 到舰船 - 16 - 参考资 料 1. Tibbitts. B.E., R.C. Keane. and R.J. Riggins. “ Naval Ship Design-Evolution or Revolution?” Naval Engineers Journal, May 1988. Presented at ASNE Day. 1988. Ball, William B., “ DOD Acquisition Policy and the Effect on Naval ship Des
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