推薦本文提出的對于面向前期設計的數字化設計方法。由于文章篇幅較長，我對很多內容進行了裁剪。
這篇文章的筆記會分為兩個部分。本篇筆記著重介紹了前期設計需要解決的問題，并且從中可以看出，為什么需要通過數字化的手段來試圖解決它。
【1】簡介
環境問題已成為主導設計的驅動力。
為了加快船隊的技術更新，提高航運的可持續性，國際海事組織、歐盟和國家當局實施了越來越嚴格的環境法規。
新技術提供的可能性是如此重要，以至于被認為是關鍵實現技術(KETs)。
然而，大多數這些技術都是如此先進，以至于缺乏適當的證明它們在船上的適用性。
由于船舶設計是一個復雜的過程，需要將多個不同的系統(包括電力系統)集成到一個龐大的實體中，并且必須遵守多個強制性約束。每個系統相對于其他系統而言，既是一個合作伙伴(為了使船舶完全運行)，也是一個競爭對手(主要在船上的重量和體積方面)。此外，最終的設計不僅要滿足給定的要求和約束條件，還要盡可能地最大化最重要的船舶設計驅動因素(如減少重量/體積/排放、提高效率、降低成本、最大化有效載荷)。如果一個新的組件、子系統或系統必須在船上集成，設計的復雜性將呈指數級上升，從而使其對船舶的影響很難預測。
新的船舶設計技術是希望確定一種新的設計方法，能夠從早期設計階段就有效地整合所有船上的新技術。要解決的問題在于對一個極其復雜的系統進行技術集成。解決這一問題的理論基礎已經成為現代船舶設計的基礎。實際上，有一些研究已經確定了一種有效的方法來處理復雜系統的設計，方法是將它們劃分為組成部分，保持整體的綜合
(圖1)根據這種方法，可以對艦船設計進行拆分，使現代多學科設計團隊可以完成拆分。在應用這一方法時，必須始終牢記三項建議:
在所有的設計階段，特別是在早期設計階段，將一艘船(商船或海軍)劃分為更小部件的最常見和最有效的方法是Andrews提出的方法。圖2反映了他的方案，根據該方案，
船被分為分解工作的結構(WBS)和功能(包括浮動、移動、操作和基礎設施)。多年來，許多研究都提供了優化時間和經濟資源使用的方法，但專業經驗也表明，最重要的決策是在項目的早期階段做出的。
這種“艦船分解”
預見了每個模塊(通常與單個艦船系統相對應)負責向艦船添加進一步的功能:
最有利于不同模塊的組裝將是最好的設計(或最好的設計之一)。為了對每個組件進行分級，根據設計師建立的關鍵性能指標，通常會對各種系統的原型進行測試。
此時采用虛擬原型是非常方便的。
在過去，IT硬件和軟件允許一次測試一個原型，而現在可以創建和測試整個船的虛擬原型。這樣，不僅可以應用并行工程的原則，而且可以采用一種交互的方法來評估項目。因此，允許在項目團隊中持續地交換一致的信息(盡管是不斷發展的)。
本文在對船舶采集過程進行了現代描述后，提出了一種新的合理的船舶設計方法。它本質上是基于初始階段的升級，定義了一個早期階段的設計。這種方法利用了當前對設計人員可用的IT技術的進展。特別是計算機系統集成(
computer system
integrator
CSI)軟件的集成在概念設計階段就已經基本實現。
通過這種方式，最終的最佳設計從早期設計開始就被建模為虛擬原型。虛擬原型可以為整個設計團隊的決策過程提供更大的力量。CSI軟件能夠與船舶設計和建造中最常用的軟件進行交互。它們允許在所有這些組件之間提供流暢的信息交換，使設計團隊更容易執行常規的設計驗證和修改步驟。
此外，它可以作為所有船舶設計數據的接收者，建立一個所有利益相關者都可以訪問的包容性數據庫，從而確保數據的一致性和最新的信息訪問。CSI軟件基于模塊化架構，可以向新的任務擴展，包括自動計算指標(如權重和體積)、設計優化算法等。
例如，從早期設計開始，就可以使用CSI軟件來根據船上可用的不同空間來確定船舶動力系統設備的位置:這樣，就可以精確地評估相關的重量和體積，并對其進行優化。此外，上述軟件與新模塊集成的可能性使附加目標的計算成為可能
函數。這樣就可以評估一個系統對其他系統和整個船舶的影響，從而評估船舶各個性能方面的整體能力(如船舶能效、燃料消耗、耐波性、熱管理等)。
最后，這種新的設計方法為早期設計提供了多方面的優勢:團隊合作，甚至在一個非本地化的設計團隊中共享一致的信息，所有船舶利益相關方(設計師、造船商、船東、船級社等)的直接和即時參與
，以及通過參數化3D模型的設計過程結果的即時可視化。此外，以這種方式生成的虛擬原型可以在隨后的設計階段有效地使用，并可以有效地存儲，
以便在未來的項目中重用。
【2】設計階段
船舶設計過程是一個漫長而清晰的過程，從計劃分析的結果開始，到新產品交付時結束。設計規格和生產所需的所有信息都要詳細說明。
設計階段從規劃階段的需求過渡到配置形狀、尺寸、布局和其他特征的開發。在這一點上，人們努力從管理科學轉向設計，尤其是造船和海洋工程。設計工作可能涉及修改、擴展或以其他方式建立在以前的設計上，或綜合其他設計。因此，另一項必要的設計活動包括對專業工作和當前或最先進的發展領域的研究。設計團隊應了解世界范圍內的研究和發展現狀，并對海洋領域許多學科的潛在突破保持關注。在研究活動中，工程師尋求新的原理、過程，當然還有新的技術和組件。
設計團隊通常面臨的問題是滿足相互沖突的需求，這些需求可能是物理(最小重量)、經濟(最小成本)、社會(最大安全)和環境(最小影響)。它必須解決這些沖突，并尋找最優的解決方案與船東的目標，確定在規劃階段。商船的設計過程(圖3)，軍船的設計過程（圖4）經歷了不同的、越來越明確的階段，每個階段都有不同的時間間隔，每隔一段時間就會發布評審報告，并開發出可交付成果，作為下一階段的參考。
需要指出的是，船廠通常在簽訂造船合同后執行最后三個設計階段。收集船舶設計過程各個階段的方法是基于區分基本設計(概念、初步、合同和功能設計階段)和產品工程(過渡設計和工作指導)。
在基本設計中，船舶是整體處理的，并在一個系統一個系統的基礎上進行設計，而在產品工程中，在前一階段開發的交付物被詳細化為適合船廠所采用的生產技術的形式。
其中：
概念設計是數據收集和任務陳述發展之后的階段。
它涉及到將一組定性的需求轉化為
早期的設計配置
，并定義了主要的特征。
包括開發船體形式，并確定主要尺寸和設備布置。概念設計還包括更多的設計替代方案。概念還應提供信息來評估成本(如乘員人數、燃料和潤滑油消耗、維護等)。這個設計階段雖然只需要幾名工程師，
但他們應該具有高度的創新性和知識性。
整個過程可能需要幾周或幾個月，因此開發非常快。
初步設計是設計的第二階段。它比概念階段提供了更多的細節。初步設計允許對該船的技術性能進行準確的評估。其詳細程度將足以使建造和運營成本的估算足夠準確。成本估算是基于概念設計中定義的參數。主要參數是重量和尺寸，這是一些計算機化成本估算模型的輸入參數。必須確定船舶的
任何顯著影響建造成本的特殊特征(例如貨物裝卸設備、起重設備、武器、特殊系統等)。
【3】概念設計
概念設計不僅從壽命成本的角度來看是至關重要的，而且因為它們可以用來確定候選船舶在所需任務或運輸任務方面的效率。因此，一個合適的概念設計程序需要很好地理解和整合三個領域，即造船、經濟學和設計評估和評估的決策技術。
概念設計模型的關鍵目標是綜合一切相關參數，
并允許有效集成所有的船舶描述符。
對備選設計的多重評價必須基于對廣泛而非冗余屬性集的控制，也取決于這些屬性在設計實踐中的主觀和客觀相關性。
更重要的是，在決策階段，不同參與者(船東的技術人員、船廠的專家)之間必須建立全面合作。
對創新概念船設計策略的實質性期望如下:
至于概念設計階段所涉及的時間和金錢，與整個設計的成本相比，它們的數額基本上可以忽略不計。
然而，決定一艘船是否成功的最關鍵的決定是在概念設計階段做出的，這時必須考慮到所有可能的解決方案。船的大小，速度，耐力，成本和其他經濟特征應該決定。許多控制因素，如主要尺寸和幾何系數、動力、輕船重量、有效載荷、載重、耐波性等，預計并不會在船舶的后續設計階段發生重大變化。
一般來說，概念船設計包括兩個階段，即：生成設計方案的階段和決策制定階段，其中候選方案之一最終被選為“最佳可能”方案。這就帶來了在不確定性下設計的問題，并表明需要一個以上的標準來衡量質量。最小化單個屬性（例如，要求的運費率），通常會找到它的最小值;然而，將有許多其他設計接近于在其他重要屬性（例如，速度、成本、耐波性等）沒有經過優化。很明顯，多準則方法提供了更多的洞察設計特點。多準則設計過程的實施需要合適的決策方法和適當的數學設計模型。設計模型經由特定設計模塊（關于船體形狀、流體靜力學、阻力、動力、耐波性、空間利用、成本估算等）預測候選船舶的值/效用設計屬性。從輸入到設計模型的隨機變量和設計參數的集合。
概念設計的最終范圍是降低風險，驗證最重要的船舶性能要求，并為初步設計的開始建立基礎。典型概念設計的產品和文檔如表1所示
由于需要在不同設計之間比較性能、成本和風險。因此強調相對的準確性和一致性，而不是絕對準確性。總的來說，“最佳可能設計”的集合必須說明船東感興趣的能力與成本以及與風險的權衡。在概念設計階段結束時，將確定新船的主要特征沿著主要船舶性能要求，即所需的船舶能力。大多數描述概念設計的船舶設計方法的文獻，不包括適合在概念階段使用的分析程序，也不包括當設計概念發生變化時允許對生產考慮進行評估的程序。現代過程控制方法便于制造過程數據的檢索和收集，這些數據可用于生產設計的逼真模型而不是概念設計。在概念設計階段，大多數船舶設計的分析工具可能并不容易使用。
在概念設計階段需要評估幾種可行解決方案的合理性。在目前采用的方法中，一般是選擇一種設計備選方案并多次修改，以滿足技術和成本要求，并進行大量的設計工作。
這條道路是工具集成量有限的結果，不允許對產品進行改進或創新。
此外，從物理和經濟的角度來看，它在某一點上不再能夠持續。
由于新船的復雜性，新技術的引入是必要的，即使它們還沒有在操作環境中證明其可靠性。
為了支持這些選擇，必須采用一種新的高級多學科設計方法。
今天，單獨談論概念和初步設計已不再被接受。我們需要確定一種新的和高度可靠的方法，能夠在短時間內開發和比較具有相同細節水平的完整設計方案，并且我們可以順利地從一個階段進入另一個階段。
在這個框架中，早期設計是一個增強的、更快的和堅實的設計階段，它將概念設計階段的所有活動與初步設計的特殊技能相結合，即：以圖形方式顯示結果。同樣，與CAPEX和OPEX等要求相關的所有船舶技術方面都可以通過真實的成本效益分析進行研究。因此，新的早期設計旨在成為執行概念設計階段的新方法。此外，由于可以與計算機系統集成平臺共享信息，因此可以為設計船舶的VR工具開發可靠且足夠詳細的虛擬原型。因此，可以以更快和可靠的方式比較幾個不同的和完整的設計備選方案。
【4】 總布置
在船舶設計中需要解決的問題是總布置圖的定義。這是船舶設計中最復雜的活動之一，需要對所有船舶復雜系統的集成有最高程度的認識。此外，早期階段的布置決定顯著影響其余的后續活動。特別是船舶機械設備在船上的布置，如果沒有一個合理的和綜合的方法，可能會使項目的可行性無效。
對于一組給定的機械部件，布置備選方案是眾多的。該過程是時間和資源密集型的，因此在早期設計階段，船舶布局和分布式系統被認為是低保真度的，目的只是為了衡量概念的可行性和需求的滿足。同時，最終目標是確保機械完全集成到總體設計中。
在大多數情況下，仍然是今天，機械布置是建立在經驗教訓，工程判斷和個人評估的基礎上，基于多年的經驗。目前最有前景的設計方法是設計空間探索（DSE），涉及到使用設計綜合模型，以產生大量的設計進行檢查半自動的優化技術，如MODM和遺傳算法。正如Shields所報道的，這些工具確實正在發展，以生成船舶布置問題的解決方案;更少的半自動化工具適用于分布式系統設計，并且更少的是明確地考慮布置和分布式系統設計。但是這種方法的主要缺點如下：
綜合模型通常是復雜的，并且可能在其結構和數據庫中隱藏隱式設計驅動器，一旦設計了新的容器，就必須開發新的模型;
填充生成解決方案的計算機代碼開發算法和分析方法是資源密集型的;
布置和分布式系統設計通常沒有明確地一起解決，并且它們的相互依賴性沒有得到徹底的研究。
硬件和軟件的發展以及今天集成不同工具的能力也許能夠克服這些問題。事實上，增加計算能力會增加可能運行的模型的保真度。此外，在完成低保真模型的選擇之后，通過一些額外的計算工作，可以運行適當的自動化工具來創建虛擬原型，使其可以用于可視化和比較結果（在重量、體積、簽名等方面）。以便詳細說明最有希望的解決方案。
