读书笔记：船舶设计优化与模块化设计

本文摘自：

R. Sharma, T. Kim, R. L. Storch, H. (J. J. ) Hopman, and S. O. Erikstad, ‘Challenges in computer applications for ship and floating structure design and analysis’, Computer-Aided Design, vol. 44, no. 3, pp. 166–185, Mar. 2012, doi: 10.1016/j.cad.2011.10.001.

原文重点介绍的内容其实是船舶设计中的仿真软件的技术发展情况，不过我个人更关注本文引言部分对船舶设计方法论的分析，以及其中对模块化设计思想的介绍。供大家参考。

船舶是复杂且复杂的产品，其设计受本质上相互冲突的参数控制。由于参数量大，要求复杂，其基本性质相互矛盾；有人认为，它们的设计是为了获得最佳性能，并受到设计和制造的限制（即船东、法定机构等的设计限制，以及船厂设施的制造限制）。

·在有限的船型选择中，可以设计和制造最佳设计。但存在以下限制：

·设计和制造最佳船舶的专业知识非常有限，目前仅尝试过几种船舶类型。

·设计和制造一艘最佳船舶的成本非常高，实际上没有多少设计机构或造船厂能负担得起。

尽管优化船舶是可能的，但由于不稳定的全球经济状况，影响船舶设计优化的关键参数（即石油的价格、海运需求和供应）确实发生了显著变化。因此，船舶优化设计的定义本身就受到限制，在价格、石油需求和消费模式的参数值发生变化的情况下，一个优化设计可能不是一个最佳（favorable）的设计。

由于优化船舶的设计和制造成本太高，为了降低单位成本，可以采取另一种方法。在给定一组约束的替代方法中（即结合造船厂的受限能力）； 一艘船的设计不是为了“最优”，而是为了“接近最优”。此外，在航空航天工业成功实施模块化的推动下（即波音的747、767 和787 系列，是波音 747 基本设计的模块化变体），类似的模块化方法可以用于船舶设计。 模块化设计已被视为产品和组织设计的新逻辑， 因为它有助于设计和制造公司应对不断变化的环境。

非常有前景是，通过以模块的形式构思产品，设计和制造公司可以独立地负责独立模块的设计和开发 （但合并了不同模块之间的内部和内部依赖关系），并且新的创新设计可以简单地成为不同模块的联合。因此，新产品的开发速度可以更快，因为新产品的集成通常是不同模块的联合、混合和匹配。通过使用有关组件交互的先进技术知识，可以将产品视为组件的组装，并且每个组件设计为在指定和标准化参数内“接近最优”。模块化方法简化了设计和开发过程，因此可以在制造公司之间进行明确的分工。

这允许为产品设计一个集成的、灵活的制造计划。模块化设计架构更适合开发由标准化、规范和功能参数设计驱动的产品的 可变组合。由于具有模块化设计的产品确实允许制造公司通过升级或添加不同的模块来更改产品，而无需更改其余部分（即基本设计）或实施最小的配置更改； 并因此将任何更改“隔离”到有限的域中。

但是，模块化设计比整体设计更难设计 ，因为设计师需要更深入地了解产品的“内部工作原理”， 以便划分和解耦设计任务 ；从技术上讲，模块化设计意味着在各种相关和独立的设计参数之间的关系进行明确的界定。

在船舶设计中，参数是根据从 成功设计中获得的历史数据中汲取的经验来估计的。尽管可以在两个设计之间进行插值，但应避免在输入（可从过去的历史数据中获得）设计范围之外的任何外推。此外，船舶将首先根据某些技术特征进行匹配。如果这些技术特征匹配或在很小的变化范围内，则可以比较设计并插入数据。 这些技术特点可用于构建高效的知识库，实现设计的模块化和标准化。

这促使迫切需要专门的方法来支持信息传播并促进研究和开发环境中数据的流动交换，该环境将控制船舶的尺寸、速度以及运输能力。该领域的挑战是： 开发新的方法，从以前的设计中提取设计和生产信息，并在新的设计和生产方案中智能地使用它们。

其中需要注意的是，对主要设计变量的任何更改都可能导致其他变量的更改，反之亦然。优化过程中所有主要系统的结合增加了设计选项的复杂性。

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我个人认为，确实模块化有弊端，但我们已知的弊端中往往是围绕一个模块化的实物对象，它固化，刻板，无法变通，阻碍创新。

但如果模块化的是方法呢？通俗的讲是“套路”，高端的讲叫“Design philosophy 设计原理”。根据知识工程与创新TRIZ的观点而言，不同模块之间的重组反而会加速创新。就正如文中借波音案例所述：“模块化设计已被视为产品和组织设计的新逻辑，因为它有助于设计和制造公司应对不断变化的环境。”

不过现实是，由于我们对模块化本身的误解，把产品标准化等价为模块化的前提，使得长期忽略对设计参数的“解耦”，或者更具体的说是对设计参数之间关系的探究。这不仅阻碍了设计方法本身被优化的可能，同时也失去了尝试模块化设计的最基本的前提。

在这样的认知下，又从何提高“效率”？

文章来源：3D SHIP