船舶设计读书笔记：前期方案中的船舶复杂性

//本文的前半段详细介绍了"船舶密度“的概念，用于解释和度量船舶的复杂性。我个人认为本文最大的贡献在于提醒了前期设计中应当考虑这些要素，从而更好的控制复杂度，而不是去消除复杂度。

文章的后半部分并不是很吸引人，在面对复杂性问题时，文章的建议是——把船做大，其实也就是放宽了设计约束条件。其中【5】节的内容给了很多统计数据来作为论据，可供参考。

一个值得关注的结论是，更大的船体有时候未必会导致更高的造价。尽管材料费用会上升，但降低复杂性会让工作更顺利的开展。

【1】问题背景

AT&L(美国国防、采办、技术和后勤部办公室)在过去 20 年主要国防采购计划(MDAPs)的成本和周期增长分析中得出如下结论：

如果对工程和设计问题没有明确和稳定的理解，过早签订合同将极大地影响合同工作内容的稳定性和成本增长。合同工作内容的早期稳定性预示着总成本、工作内容和进度增长的降低。合同工作内容的增长在统计上主导总成本的增长。但超出目标的成本也相当令人担忧。成本超出反映了背后糟糕的实施，糟糕的估算，或错误的框架假设……

许多与水面战斗人员有 关 的人都知道，海军的水面战斗人员是极其复杂的。 然而，人 们普遍接受美国海军战斗人员在过去几十年设计比他们的前辈 级更复杂和装备更密集。 基于AT&L(2014)的分析表明，只有在合同工 作内容保持固定的情况下，固定价格合同的价格才会“固定”，但事 实往往并非如此 。

我们的军舰和武器系统的复杂性和能力 急剧增加，大大增加了周期时间。因此，与几十年前相比，周期时间似乎更长了， 但真正的驱动因素似乎是系统复杂性。 AT&L(2014)指出一些异常值是巨大的;这些可能代表了比总体增长趋势更多的问题，也是由于复杂性。

· 海军舰艇不必要的设计和建造成本：

一些船体尺寸 在基于虚假成本前提的船舶设计过程中被任意限制。 因此， 这些船有不合理的高装备密度因素，因此过于复杂(困难)设计 和建造。 因此，设计和建造这些级别的早期舰船花费了更长 的时间和更多的成本。 如图 2 所示(Keane 2012)，密度较高的船舶和每长吨第一艘船 生产时间归一化的趋势是其基本船舶装备密度(轻重量减去结构 重量除以总体积)和船舶类型的函数。

一般来说，装备密度 越大的船，生产工时就越长。

AT&L指出，开发合同的成本增长与后续早期产品的成本 增长密切相关 合同。 这一发现在图 3中得到了证实，图3显示了主船详细设 计的工时(由AT&L定义为“开发”)。

此外AT&L在船舶开发合同中发现的重要的UCA效应。UCA可以被认为是一个工作内容的指标，在设计的早期阶段嵌入在基本的船舶设计中。在最近的国家造船研究计划报告(NSRP, 2011)中，美国造船商总结了国外成功设计和造船实践的印象。该报告指出，我国造船业认为造成造船成本增加但无法改变的许多差异。这些因素包括:早期的设计决定锁定了密度(如早期DDG 51决定限制长度，从而导致高密度)，不断增加的技术被添加到船舶上(通常增加了对空间、重量、功率和冷却的需求)，通过自动化和低维护材料选择来减少船舶人员配备等。NSRP 的报告特别提到了对美国海军舰艇的大量批评，称其总体布置糟糕(比如缺少甚至没有像风扇室那样的小隔间)，管道和通风系统的系统工程糟糕(比如低效和复杂的管道)。这些设计问题已经存在了很长一段时间，并且在几十年来设计的一系列海军舰艇中都存在(Keane & Tibbitts 2013)。它们与船舶密度和由此产生的复杂性直接相关。即 使拥有最高效的制造工艺，由过于密集的船舶设计所驱动的糟糕的设计系统也将导致更高的建造成本，以及更低的质量和不可控的操作成本。 船舶设计师需要拥有早期的集成设计工具和更高保真度的成本计算工具，让决策者相信越大越好，但不一定成本更高。

【2】尽早明确复杂性

在像军舰这样的复杂系统中，很难在整个舰艇级别上建立 产品复杂性的综合度量。毫无疑问，复杂性评估的广泛应用，特别是在早期船舶设计中具有巨大的潜力。然而 目前尚不清楚如何在设计空间探索(DSE)阶段使用这些不同的措施来评估不同的船舶设计概念的复杂性，以及在集成设计环境中包括在早期阶段评估设计方案的船舶复杂性评估方法设计过程。

复杂性往往被用来描述产品或系统的许多部分，这些部分在复杂的布置中相互关联。设计过程本身是复杂的。这种复杂性源于项目进展中的设计需求变化 (因此需求的稳定性变得非常重要) 以及需要探索的大量解决方案空间 (因此快速的DSE非常关键) 。

有研究认为，许多失败归因于设计工程师缺乏对复杂性的理解，以及在早期设计阶段没有解决复杂性问题。这种严重的设计缺陷可能导致许多昂贵的更改，甚至需要重新设计。

此外，有学者列出了几个影响产品复杂性的因 素， 如组件的数量、交互/连接的数量、装配操作的数量、子装配的数量、层次结构中的分支数量、层次结构中的优先级别数量、交互作用/连接的类型，交互作用/连接的性质，组件的类型，几何形状，材料，生产过程，大小，密度，可达性，重量，等等。

2.1 船舶概念设计的复杂性

挑战在于如何以更低的复杂度实现 相同的功能(或性能)。 有学者 描述了一种解决系统复杂性的分层架构方法。 这种分层方法将系统分解为子系统，并使用系统及其子系统的 体系结构来更好地理解系统的总体复杂性。 这假设一个系统可 以被分成有限数量的子系统，每个子系统还可以进一步细分。

对于早期的船舶概念设计来说，要得到一个完整的总布置是 一个挑战 。 在概念设计中使用复杂性度量的目的是达到成本，其中一 半由船舶本身驱动，另一半由任务系统驱动。 因此，有必要对任务系统 和平台的复杂性进行建模。

经验表明(NSRP 2011)， 在设计早期阶段制定的船舶布置通常是通过细节设计进行的，没有任何优化尝试。有研究指出，舰艇的布置经常在细节设计中变化，设计工程师很难为所有东西找到足够的空间。 概念设计的决定性任务是大量的解决方案空间，其中包括成百上千种需要评估的备选船舶概念设计。我们需要改进的是探索这个巨大的概念设计解决方案空间的方法。该方法必须同时考虑到替代概念设计在船舶布置方面的复杂性，包括足够的空间来容纳重要的舾装组件，如HVAC、管道、电缆等。 因此，有必要在早期设计的集成设计环境中体现和度量船舶总复杂性，包括将船舶总复杂性与成本联系起来。

2.2 把船舶密度（ship density）作为复杂性的衡量标准

船舶密度是衡量船舶布置能力的一种合理的综合指标，从前 期设计的总体布置到细部设计的深入建模。 一般来说，尺寸越 大，密度越低，越容易布置。 过度密集的设计会增加初始构 建工作中遇到的问题的数量和严重程度，增加了设计的复杂性。 复杂性意味着第一艘船成本的增加。

• 1)为了降低成本而进行的减重努力往往会产生相反的效果;

• 2)不必要的密集设计必然会增加成本、进度和性能风险;

• 3)密度测量是一艘船中系统和设备布置紧密程度的充分近似值。

【3】装备密度对船舶建造工作内容的影响

欧洲船舶设计师和造船商正在积极宣传设计更大的船体以更好 地适应设备和装备系统的好处。Damen Schelde 海军造船的方法，是从概念设计的开始，模块化、标准化和简化的组件就可以很容易地使用。模块化和标准化并不是海军舰艇设计的新概念， 通过标准化消除不必要的工作内容是可能的，Damen实际上提供了数据来验证生产、操作和维护成本的降低。 Damen设计哲学的一个支柱是“超大尺寸”的船体。Damen 已经证明，所有这些努力都能减少工时、材料成本和施工时间，从而降低经常性的施工成本。更大的船体也增加了更好地适应服务寿命的重量和稳定性的机会，为未来的升级。研究强调，更大的船体使设备和系统的安装更加容易，并在操作和维护活动期间提供了更好的系统接入的好处。从质量上讲，可以预期，当设备和系统在船上的空间变得非常密集时，工人进入他们的工作区域会越来越困难，他们的相对生产率也会下降。不必要的高装备密度的影响是:

• 该级早期舰艇的设计会受到更多的干扰，导致延迟、返工和成本增加。

• 该级后期舰船的设计改变导致了更多的干扰，减少了学习曲线的改进。

• 工作排序更难计划和安排，增加了计划和执行工作的时间和成本。

• 与节约重量的薄钢板相结合，会产生负面影响变形和变形消除对舾装策略的影响(易损坏物品、油漆和绝缘材料的延迟安装)。

• 需要在安装之前完成油漆和绝缘的项目延误。

• 渗透位置的限制导致管路系统的布置效率低下

【4】基于流程的成本模型

面向产品的设计和建造(PODAC)成本模型是一种成本估算工具， 能够准确反映在现代船舶生产设施中建造的船舶的成本。他们注意到，PODAC 成本模型中固有的成本估算方法为分析人员提供了对中间产品成本和生产过程的洞察。这使得船舶设计师能够了解设计方案的成本影响，造船商也能够了解和评估生产流程和设备变更的成本。成本模型使用了许多其他指标(面积、体积、功率、人员配备等)，而不仅仅是重量。PODAC成本模型提供了一些特性，用于估算非重复设计和工程以及重复出现的船舶建造成本和多船采办计划中主要船舶和跟踪船舶的进度。PODAC成本模型还产生了基于预期工程和造船能力和专业知识的成本风险，以及相对设计复杂性和预期建造策略的估计。 关于成本模型如何执行成本风险评估的详细讨论，可从SPAR网站下载用户手册。 最后，PODAC成本模型根据基本行业/工艺组对船厂人力需求进行了估计。这个输出对预计的劳动时间和计划的造船人力水平进行了很好的交叉检查。对于设计细节较少的早期概念设计，成本模型以现有船舶设计的统计调查分析值代替。 此 外需要注意： 造船生产系数 &  船舶密度影响建筑劳动生产率

【5】影响船舶复杂性的设计参数统计

在本研究中，还有一些对成本的影响没有考虑， 例如船体分段的预舾装程度，模块化系统组件和设备的使用，以及详细设计的相对可生产性。 此外，对于美国海军舰艇，更长的、更细的船体必须进行评估，以确保在满足损伤稳定性要求方面的技术可行性。更大的船体使船上工作更有效率。最小化施工工时或成本，同时仍然最大化满足任务需求。 密度对工作内容和成本的影响对于设计开发的早期建模非常重要。评估设计中的工作内容或复杂性作为早期船舶设计周期的一个组成部分是有价值的。 我们再怎么强调也不为过的是，需要进行更多的研究，以开发更多的分析方法，将许多自变量(成本驱动因素)与造船工作内容或成本联系起来，以便在早期阶段做出更具成本效益的设计决策。

【6】未来的工作

RSDE是在计算研究和工程采集工具和环境(CREATEÔ)-船舶 项目下开发的，该项目是2008年由国防部高性能计算现代化计 划(HPCMP)发起的。 RSDE为DSE和多学科综合优化提供了图 形 用户界面(GUI)。 RSDE是一个多用户环境，可以通过可视化 交易空间来辅助决策。 这将允许 PODAC模型从数据库中提取船舶特征(重量、体 积、机械规格等)，这样模型就可以用很少的额外用户信息产 生工作内容的估计。 将 PODAC 模型集成到 LEAPS 背后的思 想 之一是使工作内容成为舰船设计优化系统的一个不可分割的 部分。 除了像PODAC这样的过程模型允许快速评估工作内容、风 险和其他设计权衡之外，它们还可以用来评估可选的构建策略， 以提高船舶的生产能力。 将 PODAC等过程模型与不同的构建 策略相结合，这些模型可以自动生成估计的工程和船厂生产人 力 比较，以评估替代设计构建方法的工作内容。

【7】结论

本文的一个重要结论是密度更高的船舶确实需要更多的工时。组装的内容确实会影响劳动力成本，但一般来说，劳动生产率确实会随着密度的增加而下降。建立船舶密度因子作为船舶生产性的第一判别器在需求确定和概念设计研究中将显着有助于减少详细设计和建造工作内容的成本效益决策在早期阶段海军舰艇设计。

文章来源3D SHIP