//本文的前半段詳細介紹了"船舶密度“的概念，用于解釋和度量船舶的復雜性。我個人認為本文最大的貢獻在于提醒了前期設計中應當考慮這些要素，從而更好的控制復雜度，而不是去消除復雜度。

文章的后半部分并不是很吸引人，在面對復雜性問題時，文章的建議是——把船做大，其實也就是放寬了設計約束條件。其中【5】節的內容給了很多統計數據來作為論據，可供參考。

一個值得關注的結論是，更大的船體有時候未必會導致更高的造價。盡管材料費用會上升，但降低復雜性會讓工作更順利的開展。

【1】問題背景

AT&L(美國國防、采辦、技術和后勤部辦公室)在過去 20 年主要國防采購計劃(MDAPs)的成本和周期增長分析中得出如下結論：

如果對工程和設計問題沒有明確和穩定的理解，過早簽訂合同將極大地影響合同工作內容的穩定性和成本增長。合同工作內容的早期穩定性預示著總成本、工作內容和進度增長的降低。合同工作內容的增長在統計上主導總成本的增長。但超出目標的成本也相當令人擔憂。成本超出反映了背后糟糕的實施，糟糕的估算，或錯誤的框架假設……

許多與水面戰斗人員有 關 的人都知道，海軍的水面戰斗人員是極其復雜的。 然而，人 們普遍接受美國海軍戰斗人員在過去幾十年設計比他們的前輩 級更復雜和裝備更密集。 基于AT&L(2014)的分析表明，只有在合同工 作內容保持固定的情況下，固定價格合同的價格才會“固定”，但事 實往往并非如此 。

我們的軍艦和武器系統的復雜性和能力 急劇增加，大大增加了周期時間。因此，與幾十年前相比，周期時間似乎更長了， 但真正的驅動因素似乎是系統復雜性。 AT&L(2014)指出一些異常值是巨大的;這些可能代表了比總體增長趨勢更多的問題，也是由于復雜性。

· 海軍艦艇不必要的設計和建造成本：

一些船體尺寸 在基于虛假成本前提的船舶設計過程中被任意限制。 因此， 這些船有不合理的高裝備密度因素，因此過于復雜(困難)設計 和建造。 因此，設計和建造這些級別的早期艦船花費了更長 的時間和更多的成本。 如圖 2 所示(Keane 2012)，密度較高的船舶和每長噸第一艘船 生產時間歸一化的趨勢是其基本船舶裝備密度(輕重量減去結構 重量除以總體積)和船舶類型的函數。

一般來說，裝備密度 越大的船，生產工時就越長。

AT&L指出，開發合同的成本增長與后續早期產品的成本 增長密切相關 合同。 這一發現在圖 3中得到了證實，圖3顯示了主船詳細設 計的工時(由AT&L定義為“開發”)。

此外AT&L在船舶開發合同中發現的重要的UCA效應。UCA可以被認為是一個工作內容的指標，在設計的早期階段嵌入在基本的船舶設計中。在最近的國家造船研究計劃報告(NSRP, 2011)中，美國造船商總結了國外成功設計和造船實踐的印象。該報告指出，我國造船業認為造成造船成本增加但無法改變的許多差異。這些因素包括:早期的設計決定鎖定了密度(如早期DDG 51決定限制長度，從而導致高密度)，不斷增加的技術被添加到船舶上(通常增加了對空間、重量、功率和冷卻的需求)，通過自動化和低維護材料選擇來減少船舶人員配備等。NSRP 的報告特別提到了對美國海軍艦艇的大量批評，稱其總體布置糟糕(比如缺少甚至沒有像風扇室那樣的小隔間)，管道和通風系統的系統工程糟糕(比如低效和復雜的管道)。這些設計問題已經存在了很長一段時間，并且在幾十年來設計的一系列海軍艦艇中都存在(Keane & Tibbitts 2013)。它們與船舶密度和由此產生的復雜性直接相關。即 使擁有最高效的制造工藝，由過于密集的船舶設計所驅動的糟糕的設計系統也將導致更高的建造成本，以及更低的質量和不可控的操作成本。 船舶設計師需要擁有早期的集成設計工具和更高保真度的成本計算工具，讓決策者相信越大越好，但不一定成本更高。

【2】盡早明確復雜性

在像軍艦這樣的復雜系統中，很難在整個艦艇級別上建立 產品復雜性的綜合度量。毫無疑問，復雜性評估的廣泛應用，特別是在早期船舶設計中具有巨大的潛力。然而 目前尚不清楚如何在設計空間探索(DSE)階段使用這些不同的措施來評估不同的船舶設計概念的復雜性，以及在集成設計環境中包括在早期階段評估設計方案的船舶復雜性評估方法設計過程。

復雜性往往被用來描述產品或系統的許多部分，這些部分在復雜的布置中相互關聯。設計過程本身是復雜的。這種復雜性源于項目進展中的設計需求變化 (因此需求的穩定性變得非常重要) 以及需要探索的大量解決方案空間 (因此快速的DSE非常關鍵) 。

有研究認為，許多失敗歸因于設計工程師缺乏對復雜性的理解，以及在早期設計階段沒有解決復雜性問題。這種嚴重的設計缺陷可能導致許多昂貴的更改，甚至需要重新設計。

此外，有學者列出了幾個影響產品復雜性的因 素， 如組件的數量、交互/連接的數量、裝配操作的數量、子裝配的數量、層次結構中的分支數量、層次結構中的優先級別數量、交互作用/連接的類型，交互作用/連接的性質，組件的類型，幾何形狀，材料，生產過程，大小，密度，可達性，重量，等等。

2.1 船舶概念設計的復雜性

挑戰在于如何以更低的復雜度實現 相同的功能(或性能)。 有學者 描述了一種解決系統復雜性的分層架構方法。 這種分層方法將系統分解為子系統，并使用系統及其子系統的 體系結構來更好地理解系統的總體復雜性。 這假設一個系統可 以被分成有限數量的子系統，每個子系統還可以進一步細分。

對于早期的船舶概念設計來說，要得到一個完整的總布置是 一個挑戰 。 在概念設計中使用復雜性度量的目的是達到成本，其中一 半由船舶本身驅動，另一半由任務系統驅動。 因此，有必要對任務系統 和平臺的復雜性進行建模。

經驗表明(NSRP 2011)， 在設計早期階段制定的船舶布置通常是通過細節設計進行的，沒有任何優化嘗試。有研究指出，艦艇的布置經常在細節設計中變化，設計工程師很難為所有東西找到足夠的空間。 概念設計的決定性任務是大量的解決方案空間，其中包括成百上千種需要評估的備選船舶概念設計。我們需要改進的是探索這個巨大的概念設計解決方案空間的方法。該方法必須同時考慮到替代概念設計在船舶布置方面的復雜性，包括足夠的空間來容納重要的舾裝組件，如HVAC、管道、電纜等。 因此，有必要在早期設計的集成設計環境中體現和度量船舶總復雜性，包括將船舶總復雜性與成本聯系起來。

2.2 把船舶密度（ship density）作為復雜性的衡量標準

船舶密度是衡量船舶布置能力的一種合理的綜合指標，從前 期設計的總體布置到細部設計的深入建模。 一般來說，尺寸越 大，密度越低，越容易布置。 過度密集的設計會增加初始構 建工作中遇到的問題的數量和嚴重程度，增加了設計的復雜性。 復雜性意味著第一艘船成本的增加。

• 1)為了降低成本而進行的減重努力往往會產生相反的效果;

• 2)不必要的密集設計必然會增加成本、進度和性能風險;

• 3)密度測量是一艘船中系統和設備布置緊密程度的充分近似值。

【3】裝備密度對船舶建造工作內容的影響

歐洲船舶設計師和造船商正在積極宣傳設計更大的船體以更好 地適應設備和裝備系統的好處。Damen Schelde 海軍造船的方法，是從概念設計的開始，模塊化、標準化和簡化的組件就可以很容易地使用。模塊化和標準化并不是海軍艦艇設計的新概念， 通過標準化消除不必要的工作內容是可能的，Damen實際上提供了數據來驗證生產、操作和維護成本的降低。 Damen設計哲學的一個支柱是“超大尺寸”的船體。Damen 已經證明，所有這些努力都能減少工時、材料成本和施工時間，從而降低經常性的施工成本。更大的船體也增加了更好地適應服務壽命的重量和穩定性的機會，為未來的升級。研究強調，更大的船體使設備和系統的安裝更加容易，并在操作和維護活動期間提供了更好的系統接入的好處。從質量上講，可以預期，當設備和系統在船上的空間變得非常密集時，工人進入他們的工作區域會越來越困難，他們的相對生產率也會下降。不必要的高裝備密度的影響是:

• 該級早期艦艇的設計會受到更多的干擾，導致延遲、返工和成本增加。

• 該級后期艦船的設計改變導致了更多的干擾，減少了學習曲線的改進。

• 工作排序更難計劃和安排，增加了計劃和執行工作的時間和成本。

• 與節約重量的薄鋼板相結合，會產生負面影響變形和變形消除對舾裝策略的影響(易損壞物品、油漆和絕緣材料的延遲安裝)。

• 需要在安裝之前完成油漆和絕緣的項目延誤。

• 滲透位置的限制導致管路系統的布置效率低下

【4】基于流程的成本模型

面向產品的設計和建造(PODAC)成本模型是一種成本估算工具， 能夠準確反映在現代船舶生產設施中建造的船舶的成本。他們注意到，PODAC 成本模型中固有的成本估算方法為分析人員提供了對中間產品成本和生產過程的洞察。這使得船舶設計師能夠了解設計方案的成本影響，造船商也能夠了解和評估生產流程和設備變更的成本。成本模型使用了許多其他指標(面積、體積、功率、人員配備等)，而不僅僅是重量。PODAC成本模型提供了一些特性，用于估算非重復設計和工程以及重復出現的船舶建造成本和多船采辦計劃中主要船舶和跟蹤船舶的進度。PODAC成本模型還產生了基于預期工程和造船能力和專業知識的成本風險，以及相對設計復雜性和預期建造策略的估計。 關于成本模型如何執行成本風險評估的詳細討論，可從SPAR網站下載用戶手冊。 最后，PODAC成本模型根據基本行業/工藝組對船廠人力需求進行了估計。這個輸出對預計的勞動時間和計劃的造船人力水平進行了很好的交叉檢查。對于設計細節較少的早期概念設計，成本模型以現有船舶設計的統計調查分析值代替。 此 外需要注意： 造船生產系數 &  船舶密度影響建筑勞動生產率

【5】影響船舶復雜性的設計參數統計

在本研究中，還有一些對成本的影響沒有考慮， 例如船體分段的預舾裝程度，模塊化系統組件和設備的使用，以及詳細設計的相對可生產性。 此外，對于美國海軍艦艇，更長的、更細的船體必須進行評估，以確保在滿足損傷穩定性要求方面的技術可行性。更大的船體使船上工作更有效率。最小化施工工時或成本，同時仍然最大化滿足任務需求。 密度對工作內容和成本的影響對于設計開發的早期建模非常重要。評估設計中的工作內容或復雜性作為早期船舶設計周期的一個組成部分是有價值的。 我們再怎么強調也不為過的是，需要進行更多的研究，以開發更多的分析方法，將許多自變量(成本驅動因素)與造船工作內容或成本聯系起來，以便在早期階段做出更具成本效益的設計決策。

【6】未來的工作

RSDE是在計算研究和工程采集工具和環境(CREATE?)-船舶 項目下開發的，該項目是2008年由國防部高性能計算現代化計 劃(HPCMP)發起的。 RSDE為DSE和多學科綜合優化提供了圖 形 用戶界面(GUI)。 RSDE是一個多用戶環境，可以通過可視化 交易空間來輔助決策。 這將允許 PODAC模型從數據庫中提取船舶特征(重量、體 積、機械規格等)，這樣模型就可以用很少的額外用戶信息產 生工作內容的估計。 將 PODAC 模型集成到 LEAPS 背后的思 想 之一是使工作內容成為艦船設計優化系統的一個不可分割的 部分。 除了像PODAC這樣的過程模型允許快速評估工作內容、風 險和其他設計權衡之外，它們還可以用來評估可選的構建策略， 以提高船舶的生產能力。 將 PODAC等過程模型與不同的構建 策略相結合，這些模型可以自動生成估計的工程和船廠生產人 力 比較，以評估替代設計構建方法的工作內容。

【7】結論

本文的一個重要結論是密度更高的船舶確實需要更多的工時。組裝的內容確實會影響勞動力成本，但一般來說，勞動生產率確實會隨著密度的增加而下降。建立船舶密度因子作為船舶生產性的第一判別器在需求確定和概念設計研究中將顯著有助于減少詳細設計和建造工作內容的成本效益決策在早期階段海軍艦艇設計。

文章來源3D SHIP