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舰船装备研制中的顶层设计 |
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作者：段宗武 冷文军 沈汶 肖国林 |
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引言
“顶层设计”的概念起源于系统工程，随着对其关键地位与作用的认识日趋深入，目前已在科技创新、产品型号设计、行业发展规划、体系建设等领域得到越来越广泛的应用。虽然不同领域中，顶层设计有不同的内涵，但它们有一个共同的特点，就是针对某个对象，从系统角度进行全面规划与设计。虽然“顶层设计”被频繁使用，但其概念的内涵和外延并没有统一的认识。本文以舰船装备为对象，分析其顶层设计的目的、意义和主要内容，从而为这一概念的正确应用提供依据。
1 舰船装备顶层设计的意义
现代舰船装备研究领域不仅限于总体设计及建造本身，还扩展到舰船装备全寿期的综合研究及周边产品与设施的设计，担负着引领整个领域技术发展的责任。传统的经验设计方法已不能适应舰船技术的快速发展与变化，应发展以系统工程原理为基础的顶层设计方法，提高工程研究开发的技术水平。
把工程对象作为系统，以专业工程为基础，利用系统工程的原理与方法，突出全系统与全寿期的特点，体现科学理论与经验知识相结合，多学科相结合的特点，以现代设计理论、方法为指导，适应新时期舰船研究开发的要求，是舰船装备顶层设计研究的基本指导思想。
1．1 舰船装备的有序发展
舰船装备的发展包括发展战略规划、未来型号的探索研究以及主要系统与特种设备的探索性研究。这些任务大多具有一个共同的特点，即需要探索与研究的领域远远超出目前研究所涉及的范围，目标与设计变量都不确定，起点高，概念新，性能要求高。为了保证发展的科学性，有效规避研制风险，需要强化顶层设计思想，进行科学的规划与论证，促进舰船装备良性有序发展。
1．2解决舰船装备发展中的关键问题
随着科技进步以及军事斗争形势的发展，在海军舰船装备上应用高新技术的需求也日益迫切。装备的科技含量提高，进一步加大了系统工程问题的复杂性。学科或技术领域之间的影响程度扩大，研制周期加长，研制采购费用膨胀，技术性能提高带来的经费需求与国防预算有限的矛盾日益突出。在这种形势下，传统的以总体工程(包括总布置、水动力性能、结构等专业工程)为基础，以标准规范为指导，以人工经验为主要决策手段的设计体系已无法满足现代舰船快速发展与变化的需求，迫切需要发展一种结合传统的总体工程和现代系统工程设计、优化与决策技术的设计方法，实现从研制系统工程顶层出发指导全寿期工程研制工作的专门技术，即顶层设计技术。
2 舰船装备顶层设计概念分析
2．1顶层设计涉及到的概念
为便于讨论，本文对顶层设计涉及到的一些概念进行规定：
装备发展战略：是对于未来一个时期装备发展的总体谋划，包括对未来一定时期舰船装备整体作战效能的基本取向，对平台、动力等技术发展以及装备保障技术体系规划在高层次、大系统、全方位等方面进行综合筹划。
型号系统：与研制舰船装备型号有关的概念模型、设计方案和研制样机等，其功能、结构、属性等方面均不稳定，必须经过一系列开发过程，以期达到完善，并最终发展为装备型号。型号系统可包括平台、动力、其他各一级系统、新概念特种设备等。
装备型号：已通过定型设计，并可进行批量生产的及纳入部队装备编制体制中的装备。
专业工程：传统的学科专业和工程技术，如总体设计、水动力性能、结构力学、隐身性、机械、动力、武备等。
模型：系统某一方面本质属性的描述，已确定的形式(如文字、符号、图表、实物、数学公式等)提供关于该系统的知识。
系统分析：运用建模及预测、优化、仿真、评价等技术对系统的各有关方面进行定性与定量相结合的分析，为选择最优或满意的系统方案提供决策依据的分析研究过程。
功能分析与分配：根据需求分析总结出的装备作战使命和总体功能要求，进一步做功能上的分解，直至明确系统构成要素的基本使用功能(功能基线)，以及与基本使用功能对应的性能要求，为进行型号系统的构成要素分析和作战使用性能指标体系分析提供依据，同时为后续论证寿命周期综合中的可靠性、维修性、保障性等工程的有关指标提供分析依据。
系统综合：以功能分析和功能分配的结果为依据制定方案或形成设计的过程，将功能和性能要求转化为能在规定的性能参数范围内执行要求功能的物理体系结构。
概念设计：根据需求并对预设目标进行充分的理解后，根据装备全生命周期各个阶段的要求，确定设计理念，构想实现目标的途径和方法，采用适合预设目标的表达形式，构成多种可行方案，评价和决策最优方案，并将其作为详细设计的依据的一种设计过程。
2．2顶层设计的研究对象
舰船装备发展的早期开展顶层设计，除会对全寿命周期费用产生重要影响外，对舰船装备系统的方案确定、关键技术分解、可靠性、研制周期等均有非常重要的影响。
顶层设计贯穿了舰船装备的全系统全寿期，但影响力、发挥的作用等均有所不同，其中有2个方面的工作尤为重要，即舰船装备的发展战略和未来新型舰船的探索与规划。
由于装备型号的概念只能用于已定型的装备，是功能、结构、属性等方面已经确定了的武器装备系统，是军队装备管理的对象。而装备发展战略和型号系统的各方面属性均处于不确定状态，是属于待开发的系统。因此，本文中顶层设计的主要研究对象，是舰船装备发展战略和舰船型号系统。
2．3顶层设计的内涵
目前，顶层设计的提法比较普遍和流行，国内外很多设计和研究单位在不同领域开展了研究。归纳起来，一个通用的定义就是运用系统工程的原理和方法，进行自顶向下的系统设计，确定战略目标(包括远景目标和阶段性目标)以及实现目标的途径，构想系统方案和确定系统技术要求，并以可承受的费用满足进度要求。但应用于不同领域，其内涵却不尽相同，这是由不同领域内研究对象的分析侧重点不同而客观形成的结果。
1)装备发展战略的顶层设计
装备发展战略的顶层设计，是以军事战略方针、未来作战样式、面临的军事技术威胁、武器装备发展现状、技术发展基础和国家经济承受能力等顶层影响为依据，对武器装备发展的方向、重点和体系构成进行的研究设计。
2)型号系统的顶层设计
由于工程对象的不同，所要求的输入、过程和输出成果不尽相同，但基本原理相通。
根据海军的需求，研究国内外相关舰船技术发展的现状和趋势以及国情，从顶层和大系统化的角度，把待研制的工程对象(装备型号或型号系统)作为一个大系统，对研制过程中面临的各方面问题，如总体、性能、结构、材料、动力、生产条件、设备制造、技术构成、管理体系等进行军事分析、技术分析、可靠性分析、全寿期费用分析，策划出完成该项系统工程的整体框架、规划；进行功能分析与分解，开展概念设计，构想系统方案和确定系统技术要求，形成基于不同要求和性能的备选方案，并进行评价；分解关键技术并进行权衡；最后形成研制总要求。
3 顶层设计的研究内容
3．1 舰船装备发展战略顶层设计
通过对舰船装备发展历史的总结、现状分析和未来预测，确定舰船装备在未来一定时期内发展的战略方向和重点，制定规划和计划，并提出保障舰船装备按既定目标发展的机制，保证可持续发展。
舰船装备发展战略顶层设计的一个最重要的任务，就是制订舰船装备的型谱化系列和支撑技术体系框架。主要包括以下内容：
1)需求分析。包括安全环境、军事威胁、未来海战场主要特征和作战样式、舰船作战任务和作战环境、作战能力、舰船装备现状、需求构想等方面的分析。
2)发展条件分析。包括经济条件、科技条件、国外舰船发展的经验与教训、我国舰船发展的经验与教训等方面的分析。
3)发展方向与重点。包括舰船装备发展目标、指导思想与发展原则、发展思路、发展方向和发展重点等方面的分析。
4)技术发展分析。包括制约舰船装备发展的瓶颈技术、支撑预期发展的舰船装备研制的关键技术、对舰船装备未来发展具有重大影响的前沿技术、具有重大创新的新兴技术以及为改进现役舰船装备性能的实用技术开发项目等方面的分析。
5)装备体制与系列的论证。包括舰船装备系列构成、预期作战能力、装备优化、费用与作战使用性能指标等方面的分析。
6)发展战略方案集成与综合评估。包括舰船装备发展规划备选方案、装备发展计划备选方案、技术可行性、综合评估等方面的分析。
3．2舰船型号系统顶层设计
舰船型号系统的顶层设计，是在舰船装备发展战略的指导下，对舰船型号系统进行的全面规划与开发，其顶层设计的主要内容如下：
1)需求分析。包括作战需求和装备需求等方面的分析。
2)作战使用性能的论证。包括核潜艇系统概念分析、环境因素分析和系统功能分析与分配。
3)可靠性、维修性、保障性的顶层分析与综合权衡。
4)方案综合。包括系统结构分析、备选方案的概念设计、各种系统属性和物理属性的分析以及可行性分析。
5)战术技术指标的论证。包括性能分析和指标体系分析。
6)备选方案的评价。包括效能分析和费用分析等。
7)决策分析。包括决策准则的确立、准则间的比较、选择满意的决策方案、关键技术的分解与提出等。
8)型号系统顶层设计中的优化。涉及到顶层设计全过程的优化，对论证过程中的各学科之问的耦合效应进行分析，并利用这些耦合效应对系统进行优化合成。
4 顶层设计模式
4．1顶层设计的基本模式
顶层设计以系统工程理论的引入为基础，结合舰船装备大系统的特点，包括以下过程：问题分析、方案提出、方案评估。舰船装备顶层设计的一般模式如图1所示。
根据顶层设计的基本模式，可提出舰船装备发展战略和舰船装备型号系统顶层设计的一般过程，实际应用中可根据具备的条件剪裁使用。
4．2舰船装备发展战略顶层设计一般过程
发展战略顶层设计以未来一定时期内舰船装备持续、稳定发展为主要目标，既是作为国家武器装备总体发展战略的支撑，又具有相对的独立性。其基本过程如图所示。
发展战略顶层设计一般过程
4．3 舰船装备型号系统顶层设计一般过程
型号系统顶层设计将完成以未来新型舰船的研究为核心的系统论证、概念方案设计和优化、主要物理性能分析、装备效能分析和任务需求定义等，其基本过程如图所示。
型号系统顶层设计一般过程
5 结语
顶层设计在战略规划和未来新型舰船装备的开发中起着规划和牵引作用，是整个舰船系统工程工作的重要组成部分。概念设计是舰船装备顶层设计中的重要工作，用于指导型号规划、型号工程方案设计及详细设计。在顶层设计研究中应做到有所为有所不为，针对不同的研究对象，抓住主要矛盾，确保舰船装备发展规划的科学性和前瞻性，以及舰船装备研制方案的可行性与周密性。
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(9/19/2011) |
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