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艦船裝備研制中的頂層設(shè)計(jì) 作者：段武宗 冷文軍 沈汶 肖國(guó)林 引言 “頂層設(shè)計(jì)”的概念起源于系統(tǒng)工程，隨著對(duì)其關(guān)鍵地位與作用的認(rèn)識(shí)日趨深入，目前已在科技創(chuàng)新、產(chǎn)品型號(hào)設(shè)計(jì)、行業(yè)發(fā)展規(guī)劃、體系建設(shè)等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。雖然不同領(lǐng)域中，頂層設(shè)計(jì)有不同的內(nèi)涵，但它們有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是針對(duì)某個(gè)對(duì)象，從系統(tǒng)角度進(jìn)行全面規(guī)劃與設(shè)計(jì)。雖然“頂層設(shè)計(jì)”被頻繁使用，但其概念的內(nèi)涵和外延并沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。本文以艦船裝備為對(duì)象，分析其頂層設(shè)計(jì)的目的、意義和主要內(nèi)容，從而為這一概念的正確應(yīng)用提供依據(jù)。 1 艦船裝備頂層設(shè)計(jì)的意義 現(xiàn)代艦船裝備研究領(lǐng)域不僅限于總體設(shè)計(jì)及建造本身，還擴(kuò)展到艦船裝備全壽期的綜合研究及周邊產(chǎn)品與設(shè)施的設(shè)計(jì)，擔(dān)負(fù)著引領(lǐng)整個(gè)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的責(zé)任。傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法已不能適應(yīng)艦船技術(shù)的快速發(fā)展與變化，應(yīng)發(fā)展以系統(tǒng)工程原理為基礎(chǔ)的頂層設(shè)計(jì)方法，提高工程研究開(kāi)發(fā)的技術(shù)水平。 把工程對(duì)象作為系統(tǒng)，以專業(yè)工程為基礎(chǔ)，利用系統(tǒng)工程的原理與方法，突出全系統(tǒng)與全壽期的特點(diǎn)，體現(xiàn)科學(xué)理論與經(jīng)驗(yàn)知識(shí)相結(jié)合，多學(xué)科相結(jié)合的特點(diǎn)，以現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論、方法為指導(dǎo)，適應(yīng)新時(shí)期艦船研究開(kāi)發(fā)的要求，是艦船裝備頂層設(shè)計(jì)研究的基本指導(dǎo)思想。 1．1 艦船裝備的有序發(fā)展 艦船裝備的發(fā)展包括發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃、未來(lái)型號(hào)的探索研究以及主要系統(tǒng)與特種設(shè)備的探索性研究。這些任務(wù)大多具有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即需要探索與研究的領(lǐng)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出目前研究所涉及的范圍，目標(biāo)與設(shè)計(jì)變量都不確定，起點(diǎn)高，概念新，性能要求高。為了保證發(fā)展的科學(xué)性，有效規(guī)避研制風(fēng)險(xiǎn)，需要強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)思想，進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃與論證，促進(jìn)艦船裝備良性有序發(fā)展。 1．2解決艦船裝備發(fā)展中的關(guān)鍵問(wèn)題 隨著科技進(jìn)步以及軍事斗爭(zhēng)形勢(shì)的發(fā)展，在海軍艦船裝備上應(yīng)用高新技術(shù)的需求也日益迫切。裝備的科技含量提高，進(jìn)一步加大了系統(tǒng)工程問(wèn)題的復(fù)雜性。學(xué)科或技術(shù)領(lǐng)域之間的影響程度擴(kuò)大，研制周期加長(zhǎng)，研制采購(gòu)費(fèi)用膨脹，技術(shù)性能提高帶來(lái)的經(jīng)費(fèi)需求與國(guó)防預(yù)算有限的矛盾日益突出。在這種形勢(shì)下，傳統(tǒng)的以總體工程(包括總布置、水動(dòng)力性能、結(jié)構(gòu)等專業(yè)工程)為基礎(chǔ)，以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為指導(dǎo)，以人工經(jīng)驗(yàn)為主要決策手段的設(shè)計(jì)體系已無(wú)法滿足現(xiàn)代艦船快速發(fā)展與變化的需求，迫切需要發(fā)展一種結(jié)合傳統(tǒng)的總體工程和現(xiàn)代系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)、優(yōu)化與決策技術(shù)的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)從研制系統(tǒng)工程頂層出發(fā)指導(dǎo)全壽期工程研制工作的專門(mén)技術(shù)，即頂層設(shè)計(jì)技術(shù)。 2 艦船裝備頂層設(shè)計(jì)概念分析 2．1頂層設(shè)計(jì)涉及到的概念 為便于討論，本文對(duì)頂層設(shè)計(jì)涉及到的一些概念進(jìn)行規(guī)定： 裝備發(fā)展戰(zhàn)略：是對(duì)于未來(lái)一個(gè)時(shí)期裝備發(fā)展的總體謀劃，包括對(duì)未來(lái)一定時(shí)期艦船裝備整體作戰(zhàn)效能的基本取向，對(duì)平臺(tái)、動(dòng)力等技術(shù)發(fā)展以及裝備保障技術(shù)體系規(guī)劃在高層次、大系統(tǒng)、全方位等方面進(jìn)行綜合籌劃。 型號(hào)系統(tǒng)：與研制艦船裝備型號(hào)有關(guān)的概念模型、設(shè)計(jì)方案和研制樣機(jī)等，其功能、結(jié)構(gòu)、屬性等方面均不穩(wěn)定，必須經(jīng)過(guò)一系列開(kāi)發(fā)過(guò)程，以期達(dá)到完善，并最終發(fā)展為裝備型號(hào)。型號(hào)系統(tǒng)可包括平臺(tái)、動(dòng)力、其他各一級(jí)系統(tǒng)、新概念特種設(shè)備等。 裝備型號(hào)：已通過(guò)定型設(shè)計(jì)，并可進(jìn)行批量生產(chǎn)的及納入部隊(duì)裝備編制體制中的裝備。 專業(yè)工程：傳統(tǒng)的學(xué)科專業(yè)和工程技術(shù)，如總體設(shè)計(jì)、水動(dòng)力性能、結(jié)構(gòu)力學(xué)、隱身性、機(jī)械、動(dòng)力、武備等。 模型：系統(tǒng)某一方面本質(zhì)屬性的描述，已確定的形式(如文字、符號(hào)、圖表、實(shí)物、數(shù)學(xué)公式等)提供關(guān)于該系統(tǒng)的知識(shí)。 系統(tǒng)分析：運(yùn)用建模及預(yù)測(cè)、優(yōu)化、仿真、評(píng)價(jià)等技術(shù)對(duì)系統(tǒng)的各有關(guān)方面進(jìn)行定性與定量相結(jié)合的分析，為選擇最優(yōu)或滿意的系統(tǒng)方案提供決策依據(jù)的分析研究過(guò)程。 功能分析與分配：根據(jù)需求分析總結(jié)出的裝備作戰(zhàn)使命和總體功能要求，進(jìn)一步做功能上的分解，直至明確系統(tǒng)構(gòu)成要素的基本使用功能(功能基線)，以及與基本使用功能對(duì)應(yīng)的性能要求，為進(jìn)行型號(hào)系統(tǒng)的構(gòu)成要素分析和作戰(zhàn)使用性能指標(biāo)體系分析提供依據(jù)，同時(shí)為后續(xù)論證壽命周期綜合中的可靠性、維修性、保障性等工程的有關(guān)指標(biāo)提供分析依據(jù)。 系統(tǒng)綜合：以功能分析和功能分配的結(jié)果為依據(jù)制定方案或形成設(shè)計(jì)的過(guò)程，將功能和性能要求轉(zhuǎn)化為能在規(guī)定的性能參數(shù)范圍內(nèi)執(zhí)行要求功能的物理體系結(jié)構(gòu)。 概念設(shè)計(jì)：根據(jù)需求并對(duì)預(yù)設(shè)目標(biāo)進(jìn)行充分的理解后，根據(jù)裝備全生命周期各個(gè)階段的要求，確定設(shè)計(jì)理念，構(gòu)想實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的途徑和方法，采用適合預(yù)設(shè)目標(biāo)的表達(dá)形式，構(gòu)成多種可行方案，評(píng)價(jià)和決策最優(yōu)方案，并將其作為詳細(xì)設(shè)計(jì)的依據(jù)的一種設(shè)計(jì)過(guò)程。 2．2頂層設(shè)計(jì)的研究對(duì)象 艦船裝備發(fā)展的早期開(kāi)展頂層設(shè)計(jì)，除會(huì)對(duì)全壽命周期費(fèi)用產(chǎn)生重要影響外，對(duì)艦船裝備系統(tǒng)的方案確定、關(guān)鍵技術(shù)分解、可靠性、研制周期等均有非常重要的影響。 頂層設(shè)計(jì)貫穿了艦船裝備的全系統(tǒng)全壽期，但影響力、發(fā)揮的作用等均有所不同，其中有2個(gè)方面的工作尤為重要，即艦船裝備的發(fā)展戰(zhàn)略和未來(lái)新型艦船的探索與規(guī)劃。 由于裝備型號(hào)的概念只能用于已定型的裝備，是功能、結(jié)構(gòu)、屬性等方面已經(jīng)確定了的武器裝備系統(tǒng)，是軍隊(duì)裝備管理的對(duì)象。而裝備發(fā)展戰(zhàn)略和型號(hào)系統(tǒng)的各方面屬性均處于不確定狀態(tài)，是屬于待開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)。因此，本文中頂層設(shè)計(jì)的主要研究對(duì)象，是艦船裝備發(fā)展戰(zhàn)略和艦船型號(hào)系統(tǒng)。 2．3頂層設(shè)計(jì)的內(nèi)涵 目前，頂層設(shè)計(jì)的提法比較普遍和流行，國(guó)內(nèi)外很多設(shè)計(jì)和研究單位在不同領(lǐng)域開(kāi)展了研究。歸納起來(lái)，一個(gè)通用的定義就是運(yùn)用系統(tǒng)工程的原理和方法，進(jìn)行自頂向下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確定戰(zhàn)略目標(biāo)(包括遠(yuǎn)景目標(biāo)和階段性目標(biāo))以及實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的途徑，構(gòu)想系統(tǒng)方案和確定系統(tǒng)技術(shù)要求，并以可承受的費(fèi)用滿足進(jìn)度要求。但應(yīng)用于不同領(lǐng)域，其內(nèi)涵卻不盡相同，這是由不同領(lǐng)域內(nèi)研究對(duì)象的分析側(cè)重點(diǎn)不同而客觀形成的結(jié)果。 1)裝備發(fā)展戰(zhàn)略的頂層設(shè)計(jì) 裝備發(fā)展戰(zhàn)略的頂層設(shè)計(jì)，是以軍事戰(zhàn)略方針、未來(lái)作戰(zhàn)樣式、面臨的軍事技術(shù)威脅、武器裝備發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)和國(guó)家經(jīng)濟(jì)承受能力等頂層影響為依據(jù)，對(duì)武器裝備發(fā)展的方向、重點(diǎn)和體系構(gòu)成進(jìn)行的研究設(shè)計(jì)。 2)型號(hào)系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì) 由于工程對(duì)象的不同，所要求的輸入、過(guò)程和輸出成果不盡相同，但基本原理相通。 根據(jù)海軍的需求，研究國(guó)內(nèi)外相關(guān)艦船技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢(shì)以及國(guó)情，從頂層和大系統(tǒng)化的角度，把待研制的工程對(duì)象(裝備型號(hào)或型號(hào)系統(tǒng))作為一個(gè)大系統(tǒng)，對(duì)研制過(guò)程中面臨的各方面問(wèn)題，如總體、性能、結(jié)構(gòu)、材料、動(dòng)力、生產(chǎn)條件、設(shè)備制造、技術(shù)構(gòu)成、管理體系等進(jìn)行軍事分析、技術(shù)分析、可靠性分析、全壽期費(fèi)用分析，策劃出完成該項(xiàng)系統(tǒng)工程的整體框架、規(guī)劃；進(jìn)行功能分析與分解，開(kāi)展概念設(shè)計(jì)，構(gòu)想系統(tǒng)方案和確定系統(tǒng)技術(shù)要求，形成基于不同要求和性能的備選方案，并進(jìn)行評(píng)價(jià)；分解關(guān)鍵技術(shù)并進(jìn)行權(quán)衡；最后形成研制總要求。 3 頂層設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容 3．1 艦船裝備發(fā)展戰(zhàn)略頂層設(shè)計(jì) 通過(guò)對(duì)艦船裝備發(fā)展歷史的總結(jié)、現(xiàn)狀分析和未來(lái)預(yù)測(cè)，確定艦船裝備在未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)發(fā)展的戰(zhàn)略方向和重點(diǎn)，制定規(guī)劃和計(jì)劃，并提出保障艦船裝備按既定目標(biāo)發(fā)展的機(jī)制，保證可持續(xù)發(fā)展。 艦船裝備發(fā)展戰(zhàn)略頂層設(shè)計(jì)的一個(gè)最重要的任務(wù)，就是制訂艦船裝備的型譜化系列和支撐技術(shù)體系框架。主要包括以下內(nèi)容： 1)需求分析。包括安全環(huán)境、軍事威脅、未來(lái)海戰(zhàn)場(chǎng)主要特征和作戰(zhàn)樣式、艦船作戰(zhàn)任務(wù)和作戰(zhàn)環(huán)境、作戰(zhàn)能力、艦船裝備現(xiàn)狀、需求構(gòu)想等方面的分析。 2)發(fā)展條件分析。包括經(jīng)濟(jì)條件、科技條件、國(guó)外艦船發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)、我國(guó)艦船發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)等方面的分析。 3)發(fā)展方向與重點(diǎn)。包括艦船裝備發(fā)展目標(biāo)、指導(dǎo)思想與發(fā)展原則、發(fā)展思路、發(fā)展方向和發(fā)展重點(diǎn)等方面的分析。 4)技術(shù)發(fā)展分析。包括制約艦船裝備發(fā)展的瓶頸技術(shù)、支撐預(yù)期發(fā)展的艦船裝備研制的關(guān)鍵技術(shù)、對(duì)艦船裝備未來(lái)發(fā)展具有重大影響的前沿技術(shù)、具有重大創(chuàng)新的新興技術(shù)以及為改進(jìn)現(xiàn)役艦船裝備性能的實(shí)用技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目等方面的分析。 5)裝備體制與系列的論證。包括艦船裝備系列構(gòu)成、預(yù)期作戰(zhàn)能力、裝備優(yōu)化、費(fèi)用與作戰(zhàn)使用性能指標(biāo)等方面的分析。 6)發(fā)展戰(zhàn)略方案集成與綜合評(píng)估。包括艦船裝備發(fā)展規(guī)劃備選方案、裝備發(fā)展計(jì)劃備選方案、技術(shù)可行性、綜合評(píng)估等方面的分析。 3．2艦船型號(hào)系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì) 艦船型號(hào)系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)，是在艦船裝備發(fā)展戰(zhàn)略的指導(dǎo)下，對(duì)艦船型號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行的全面規(guī)劃與開(kāi)發(fā)，其頂層設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容如下： 1)需求分析。包括作戰(zhàn)需求和裝備需求等方面的分析。 2)作戰(zhàn)使用性能的論證。包括核潛艇系統(tǒng)概念分析、環(huán)境因素分析和系統(tǒng)功能分析與分配。 3)可靠性、維修性、保障性的頂層分析與綜合權(quán)衡。 4)方案綜合。包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析、備選方案的概念設(shè)計(jì)、各種系統(tǒng)屬性和物理屬性的分析以及可行性分析。 5)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)的論證。包括性能分析和指標(biāo)體系分析。 6)備選方案的評(píng)價(jià)。包括效能分析和費(fèi)用分析等。 7)決策分析。包括決策準(zhǔn)則的確立、準(zhǔn)則間的比較、選擇滿意的決策方案、關(guān)鍵技術(shù)的分解與提出等。 8)型號(hào)系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)中的優(yōu)化。涉及到頂層設(shè)計(jì)全過(guò)程的優(yōu)化，對(duì)論證過(guò)程中的各學(xué)科之問(wèn)的耦合效應(yīng)進(jìn)行分析，并利用這些耦合效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化合成。 4 頂層設(shè)計(jì)模式 4．1頂層設(shè)計(jì)的基本模式 頂層設(shè)計(jì)以系統(tǒng)工程理論的引入為基礎(chǔ)，結(jié)合艦船裝備大系統(tǒng)的特點(diǎn)，包括以下過(guò)程：?jiǎn)栴}分析、方案提出、方案評(píng)估。艦船裝備頂層設(shè)計(jì)的一般模式如圖1所示。 根據(jù)頂層設(shè)計(jì)的基本模式，可提出艦船裝備發(fā)展戰(zhàn)略和艦船裝備型號(hào)系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)的一般過(guò)程，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)具備的條件剪裁使用。 4．2艦船裝備發(fā)展戰(zhàn)略頂層設(shè)計(jì)一般過(guò)程 發(fā)展戰(zhàn)略頂層設(shè)計(jì)以未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)艦船裝備持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展為主要目標(biāo)，既是作為國(guó)家武器裝備總體發(fā)展戰(zhàn)略的支撐，又具有相對(duì)的獨(dú)立性。其基本過(guò)程如圖所示。
型號(hào)系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)將完成以未來(lái)新型艦船的研究為核心的系統(tǒng)論證、概念方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化、主要物理性能分析、裝備效能分析和任務(wù)需求定義等，其基本過(guò)程如圖所示。
頂層設(shè)計(jì)在戰(zhàn)略規(guī)劃和未來(lái)新型艦船裝備的開(kāi)發(fā)中起著規(guī)劃和牽引作用，是整個(gè)艦船系統(tǒng)工程工作的重要組成部分。概念設(shè)計(jì)是艦船裝備頂層設(shè)計(jì)中的重要工作，用于指導(dǎo)型號(hào)規(guī)劃、型號(hào)工程方案設(shè)計(jì)及詳細(xì)設(shè)計(jì)。在頂層設(shè)計(jì)研究中應(yīng)做到有所為有所不為，針對(duì)不同的研究對(duì)象，抓住主要矛盾，確保艦船裝備發(fā)展規(guī)劃的科學(xué)性和前瞻性，以及艦船裝備研制方案的可行性與周密性。 |
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