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《船舶整体设计优化》

摘要：船舶设计是一项复杂的工作，需要成功地协调技术和非技术性质的许多学科以及各个专家，才能获得有价值的设计方案。设计优化与设计过程本质上联系在一起，即根据一个标准或一组标准从许多可行方案中选择最佳方案。船舶设计的系统方法可能会将船舶视为一个的复杂系统，例如，用于货物存储和装卸、能源/发电和船舶推进、船员/乘客住宿以及船舶导航的子系统。独立地，考虑到船舶设计应真正解决整个船舶的生命周期问题，可以将其分为传统上由概念/初步设计、合同和详细设计、船舶建造/制造过程、船舶运营的各个阶段、经济生活和报废/回收。显然，最佳船舶是整个生命周期中整个超定义船舶系统的整体优化的结果。但是，即使是上述优化问题的最简单组成部分，即第一阶段（概念/初步设计），也足够复杂，需要在实践中进行简化（减少）。船舶设计优化的内在条件也是由设计约束和优化标准（优缺点或目标函数）引起的相互矛盾的要求，反映了各个船舶设计利益相关者的利益。

本文简要介绍了船舶设计优化的整体方法，定义了通用的船舶设计优化问题，并通过使用先进的优化技术进行计算机辅助生成、探索和选择最佳设计来演示其解决方案。它基于一些具有多个目标的典型船舶设计优化问题，讨论了提出的方法，从而导致改进的设计和部分创新的设计，从而提高了货物的承载能力、安全性和生存能力，减少了所需的动力并提高了环境保护。所提出的方法在用于生命周期优化问题的综合舰船系统中的应用在未来几年仍然是一个具有挑战性但直接的任务。

1.整体船舶设计优化导论

过去，船舶设计更多是一门艺术，而不是一门科学，它高度依赖经验丰富的海军建筑师，并且在各种基础和专业科学与工程学科上都有良好的背景。实际上，使用启发式方法来探索设计空间，即启发式方法，这种方法通常是经过数十年的尝试和错误过程而获得的。

设计优化与设计过程本质上联系在一起，即根据一个标准或一组标准从许多可行方案中选择最佳方案。船舶设计的系统方法可能会将船舶视为一个集成了各种子系统及其子系统的复杂系统组件，例如，用于货物存储和处理、能源/发电和船舶推进、船员/乘客的住宿以及船舶导航的子系统。它们都具有定义明确的船舶功能。船舶功能可分为两大类，即有效载荷功能和固有船舶功能。对于货船，有效载荷功能与提供货舱、货物装卸和货物处理设备有关。固有船舶功能是与以一定速度安全地从一个港口到另一个港口运输有效载荷有关的功能。

独立地，考虑到船舶设计应真正解决整个船舶的生命周期问题，可以将其分为传统上由概念/初步设计、合同和详细设计、船舶建造/制造过程、船舶运营的各个阶段、经济生活和报废/回收。显然，就其整个生命周期而言，最佳船舶是整个超大型船舶系统生命周期整体优化的结果。值得注意的是，从数学上讲，上述船舶生命周期系统的每个组成部分本身显然都会对设计变量形成一个复杂的非线性优化问题，需要共同优化各种约束条件和标准/目标函数。即使是船舶设计过程中最简单的组成部分，即第一阶段（概念/初步设计），其复杂程度也足以在实践中简化（减少）。同样，船舶设计优化所固有的是，由于设计约束和优化标准（优缺点或目标功能）而产生的相互矛盾的要求，反映了各个船舶设计利益相关者的利益：船舶所有者/经营者、船舶建造者、船级社/海岸警卫队、监管机构、保险公司、货主/货运代理、港口经营人等。假设有一组特定的要求（通常是船东对商船的要求或对海军舰船的许可声明），需要对船舶进行优化，以实现成本效益、最高的运营效率或最低的要求运费（RFR）、最高的乘客/乘员安全性和舒适度、对货物和船舶本身作为硬件的满意保护，最后但同样重要的一点，将对环境的影响降到最低，特别是对于在事故情况下对海洋污染有影响的油船，以及对产生的波浪冲刷造成的高速船舶。最近，在优化船舶设计和运行时甚至需要考虑船舶发动机排放和空气污染的各个方面（参见IMO 2008）。这些要求中有许多显然是矛盾的，因此需要合理地做出有关最佳船舶设计的决定。

为了使事情变得更复杂但更接近现实，对船型、载货量、航速、航程等而言，即使是一组设计要求的规格也很复杂，以至于需要另一个令人满意地考虑所有人利益的优化程序。作为国际市场或其他市场的工业产品和服务工具的​​船舶利益相关者，实际上，最初的船舶设计要求是经验丰富的决策者（主要是在船舶设计和造船方面）与试图阐明自己的意愿和折衷方案的最终用户之间进行密集讨论的折中结果。欧盟资助的项目LOGBASED提出了一种以理性方式进行和巩固这种讨论的方法。

自1960年代中期以来，随着计算机硬件和软件的发展，越来越多的设计过程已被计算机接管，尤其是船舶设计中繁重的计算和绘图元素。同时，引入了第一个计算机辅助的初步设计软件系统，该系统基于经验/简化的船舶模型（针对特定船舶类型）或针对特定经济标准的设计变量（通过梯度优化）优化设计空间的数学参数化探索，基于搜索的技术。此外，计算机辅助研究也开始被引入到海军建筑科学界，该研究旨在优化船舶的船体形式以实现最小的阻力和最佳的海上航行性能（流体力学设计优化）、或进行船舶的中段/结构设计以实现最小的钢重量（结构设计优化），直到最近几年他们取得了成熟的结果。

随着计算机硬件和软件工具的进一步快速发展，以及它们与功能强大的硬件和软件设计系统的集成，现在是时候以一种整体的方式来研究船舶设计优化中的前进方向，即通过解决并逐步优化船舶生命的各个方面（或整个船舶生命周期系统的所有要素），至少解决设计、建造和运营的各个阶段；在全面的船舶设计优化中，我们甚至还应该了解详尽的多目标和多约束的船舶设计优化程序，即使对于船舶生命的各个阶段（例如概念设计），也要减少整个实际问题。最近在“针对X的设计”的通用框架中引入了科学学科，即“针对安全的设计”和“基于风险的设计””效率，``生产设计，``运营设计等表示需要方法，并需要成熟的方法和计算工具来全面解决船舶设计优化问题。

2.通用船舶设计优化问题

在整体船舶设计优化中，我们应该在数学上理解详尽的多目标和多约束优化程序，同时减少整个实际设计问题。通用船舶设计优化问题及其基本要素可定义如下：

bull;优化标准（价值函数、目标）：这是指数学定义的性能/效率指标的列表，这些指标最终可能会降低为经济标准，即初始投资的利润。独立地，可能存在不直接参考经济指标而制定的优化标准（功绩功能或目标）；参见，例如，针对特定X船功能的优化研究，例如在平静水域和海上航行中的船舶性能，船舶安全性，包括疲劳在内的船舶强度等。船舶设计优化标准通常是设计参数的复杂非线性函数（矢量设计变量），通常由计算机辅助设计程序中的算法例程定义。

bull;约束：这主要是指由与安全有关的监管框架（主要针对船舶的国际SOLAS和MARPOL法规）得出的一系列数学定义的标准（以数学不等式或等式的形式）。可以通过第二组标准来扩展此列表，第二组标准的特征在于其实际值的不确定性，并由市场条件（商船的需求和供应数据）、主要材料的成本（船舶：钢材成本、燃料成本、工艺成本），预期财务状况（资金成本，利率）和其他针对具体情况的限制。应该注意的是，后一组标准通常被视为对优化问题具有不确定性的一组输入数据，并且可以基于概率评估模型进行评估。

bull;设计参数：这是表征优化设计的参数列表（设计变量的向量）；对于船舶设计，这包括船舶的主要尺寸，除非船东的要求有指定（长度、横梁、侧面深度、吃水），并且可以扩展为包括船的船体形式、总布置和（主要）舾装、（主要）结构要素和（主要）网络元素（管道、电气等），取决于将船舶设计参数与要优化的通用船舶模型相关的拓扑几何模型的可用性。

bull;输入数据：首先包括传统船东的规格/要求，对于商船，是要求的货物容量（载重量和有效载荷）、服务速度、航程等，并且可能会受到船的各种其他数据的补充设计及其经济寿命，例如财务数据（利润预期，利率）、市场状况（需求和供应数据）、主要材料（钢铁和燃料）的成本等的影响。输入数据集可能不仅包括数量数字，还包括更一般类型的知识数据，例如（船舶总体布置图）图纸和定性信息，需要对其进行适当转换以纳入计算机优化程序中。

bull;输出：这包括整个设计参数集（设计变量的向量），指定的优化标准/优劣函数为其获得数学上的极值（最小值或最大值）；对于多准则优化问题，最佳设计解决方案位于所谓的Pareto前沿，可以由决策者/设计者根据权衡取舍进行选择。为了探索和最终选择帕累托设计解决方案，可以采用多种策略和技术

本文将多目标遗传算法（MOGA）与基于梯度的搜索技术结合用于微尺度勘探以及将效用函数技术用于设计评估，作为一种通用类型优化技术，可用于生成和识别，该算法在设计评估中得到了应用通过有效地探索大型非线性设计空间以及船舶设计中出现的众多评估标准来优化设计。通过使用NTUA–SDL3的设计软件系统，集成了海军建筑软件包NAPA r、优化软件模式FRONTIER 、和各种应用软件工具，这种通用的、多目标的船舶设计优化方法的几种应用（评估所需）在列出的参考文献中可以找到有关稳定性，抵抗力，航海性等方面的信息（参见图3，这是解决一般船舶设计优化问题的一般方法的草图）。介绍了NTUA–SDL通用船舶设计优化程序的一些典型应用示例，并在下文中进行了简要评论。

3.典型的船舶设计优化问题

船舶在速度、动力、航海特性、可操纵性等方面的水动力性能至关重要，尤其是对于高速船（HSC）。直到最近，冲洗波的产生才使设计者和船舶经营者都不担心。由于引入了许多大型高速船，目前正驱动海事当局考虑对HSC的操作尽可能适用合理的清洗标准，因为这对海洋环境和沿海地区活动的安全性都有影响。因此，至少对于HSC设计而言，减少冲洗量已成为船舶水动力性能以及其他传统水动力目标的主要要求。

从概念上看，长而细长的船型因其良好的抗性和耐波性而得到公认。增加双体船的分离距离通常会导致波浪阻力和洗波减少。不幸的是，选择船只的主要细节是多种考虑和约束的折中，因此不能仅由较低的清洗要求来决定。因此，在设计过程中，最好是在最初阶段，当定义了船舶的主要特征并开发了船体形式时，在设计过程中集成洗车最小化方法已成为减少调节速度限制的影响的先决条件，该限制将大大降低损害船舶的最终经济潜力。如果这样的方法是有效的，则必须有可靠的洗涤预测数值方法。尽管冲洗波预测根本不是一个简单的问题，特别是对处于半计划和计划状态的船舶，但CFD的最新进展导致开发了基于Kelvin或Rankine源分布的软件工具可以放心使用。在集成设计环境中合并此类数字工具是本文介绍的工作的主要目标。在减少洗涤量是目标功能之一的多目标优化问题框架内制定船舶设计程序，可允许使用正式的优化方法来根据船东的要求以及技术和法规约束导出最佳船体形式。其他目标函数可能是船舶的总阻力、适航性、动态稳定性等，但前提是要有足够的数字工具对其进行可靠而有效的计算。此外，还可以使用反映船舶经济潜力的优化标准，例如建造和运营成本、运输能力、净现值或所需的运费。

NTUA–SDL的当前研究主要集中在最大程度地减少电力供应以及过度冲洗浪潮对环境的影响。因此，所选目标函数仅限于总电阻和最小化冲洗波。为了进一步简化计算，已省略了船舶的推进系统（喷水推进器或螺旋桨）对产生的冲洗波的影响。客观功能的缺失反映了船舶的经济性能，部分原因是由于运输能力恒定而产生的。实际上，这是通过指定最小滚装货物甲板面积和恒定排量的要求来确定的。

达到以下选定目标的目的：

（a）通过摩擦阻力和波动阻力的总和来近似估算总阻力，其中摩擦阻力是使用ITTC摩擦阻力系数公式来计算的。使用Flowflow的6a著名商业CFD代码Shipflowr来进行波浪阻力和洗波计算。进行非线性迭代计算，因为认为有必要考虑下沉和游动修整对波浪阻力和冲浪的影响。

（b）对于第二目标函数，应根据要评估的洗涤效果的种类，为每个特定应用选择适当的洗涤波测量标准。在本研究中，基本上旨在证明优化概念的潜力，已采取了一种简单的清洗措施，即在与船舶中心线相距一定距离处沿纵波切开的“平均”波高W：

其中zeta;（x，y）是波高，而x1和x2是沿波切的积分间隔的起点和终点。可以在优化过程中轻松引入替代的洗涤标准，例如最大发生的局部波高。也可以引入波浪周期或波浪长度，并与波浪高度结合以获得表示局部波浪能量密度的洗涤准则。为了解决该优化问题，已应用了图2中概述的通用过程。

选择了两个参考高速船来演示概述的优化程序，即高速单壳船和双壳船。在欧盟资助的FLOWMART项目中已进行了相关工作[16,17]。所选的单体船是LerouxNavale制造的Corsaire 11000。表1列出了该船的主要技术特征。

SIRHENA在FLOWMART项目中以1:30的模型比例在拖曳油箱中对上述船只进行了模型测试，该拖油箱的横梁为5 m，深度为3 m，对应于深度Froude数Fnh = 0.641。由于拖曳箱的横梁很窄，预计会有明显的反射影响所测得的洗波。因此，已经在不受限制的水宽和90 m深度（满刻度）下以及在与拖船的尺寸相对应的宽度和深度的通道中对船舶进行了计算。相对于中心线（CL）的0.25L和0.5L横向距离处的预测结果与测量结果的比较在图5和6中给出。参见图4和5。

在波浪切割的第一部分中，对于船首大约3艘船的长度，有限的航道宽度对数值预测的影响相对较弱。再往后，该效果随着通道中血管的预测而大大增加，与实验测量结果相比要好得多。在0.25L的波浪切割的实验结果中，可以观察到非常陡峭的波峰，距船首约两船长。与数值预测相比，该波峰大约高出50％。在0.5L的切波处也可以看到相同的现象，数值结果大大低估了从船首300 m至400 m之间的实验测量中观察到的陡波。

选择的第二艘船是FBM设计的高速双体船Red Jet III。表2列出了该船的主要技术特征。

在图6和图7中显示了在30 kn的速度和0.845L偏离中心线的横向距离下的预测结果与测量结果的比较。

4.结论和前进的道路

本文简要介绍了船舶设计优化的整体方法，定义了通用的船舶设

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