区域性船舶设计外文翻译资料

 2022-08-11 15:06:00

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区域性船舶设计

摘要：现代船舶通常有许多分布式系统。使用分布式系统是因为集中生产一种商品（如电或冷水）比在当地与商品用户一起生产更简单、更便宜和更好。对于海军舰艇来说，除了成本，还有两个性能指标非常重要：生存能力和服务质量。生存能力是指分布式系统的能力，即使在可能受到威胁的情况下，也能支持船舶继续执行其任务，达到为特定威胁计划的程度。服务质量衡量分布式系统支持其负载正常、无损坏运行的能力。本文定义了若干关键术语，详细描述了若干不同的区域性结构，描述了这些结构最适合的情况，并提出了一个区域性船舶设计框架，该框架保证满足生存性性能要求和服务质量要求。

关键词：区域性设计，分布式系统，生存性、体系结构

简介

区域系统设计的优势早已被认可和记录（Petry and Rumburg 1993），（Shiffler 1993）。从那时起，分区交流配电系统已用于DDG51级、LPD17级和LHD8级。分区配电的下一个进展是，为海军开发具有直流分区配电的综合火力发电（IFTP），是未来在DD（X）和CG（X）上安装的候选设备。（Ciezki和Ashton 1999），（Roberts 2002），（Hiller 2003），（Walsh 2003），（Zgliczynski等人。2004年）。迄今为止，分区设计概念已经以一种特别的方式应用于分布式系统（通常只是电气系统）。对带状建筑的系统研究尚未发表。同样，分区系统设计对船舶总体设计的影响也没有得到充分的解决。本文定义了一些关键术语，详细描述了许多不同的区域性结构，描述了这些结构最适合的情况，并提出了一个区域性船舶设计框架，满足生存性能要求和服务质量要求。

背景

现代船舶通常有许多分布式系统。使用分布式系统是因为集中生产一种商品（如电或冷水）比在当地与商品用户一起生产更简单、更便宜和更好。对于海军舰艇来说，两个性能指标非常重要：生存能力和服务质量。

生存能力是指分布式系统的能力，即使在可能受到威胁的情况下，也能支持船舶继续执行其任务，达到为特定威胁计划的程度。船舶设计的威胁是其设计威胁，暴露于设计威胁后的剩余能力是设计威胁的结果。

生存能力衡量的是船舶在受损期间继续运行的能力，而服务质量衡量的是分布式系统支持其负载正常、未受损运行的能力。服务质量是以故障（MTBF），故障被定义为供应中断或超出商品特性正常范围的偏差，妨碍负载执行其指定功能。

虽然生存性和服务质量通常不是设计冲突的根源，但设计特性可能会对其中一个产生影响。例如，配电装置中电缆的布线对服务质量的影响很小，但对生存能力的影响很大。另一方面，发电机组的可靠性对服务质量的影响大于对生存能力的影响。

在分布式系统的设计中，成本一直是一个主要的考虑因素。由于不同分布式系统组件的相对成本和功能因系统而异，因此不存在适用于所有情况的通用分区设计。在选择架构时，应考虑以下降低购置成本（同时仍满足性能要求）的策略：

a、消除硬件和软件

b、用更便宜的硬件和软件代替昂贵的硬件和软件。这包括增加设备A的成本和能力，以使设备B的成本和能力降低，只要有净节省。

c、使硬件更容易安装

d、使硬件在船上安装前得到测试

e、减少设计船舶所需的工程工作量

由于本文没有讨论具体的分布式系统，因此这些成本降低策略将仅在一般情况下讨论。

定义

区域

区域是船舶的地理区域。在一般意义上，区域的边界可以是任意的，但是为了最大限度地提高生存能力，多个分布式系统的区域以及损伤控制区域应该对齐。对于船载分布式系统，这通常意味着区域边界是船舶的外皮和选定的横向水密舱壁。区域边界可以高于水密舱壁上升到上层建筑，或者上层建筑可以由一个或多个独立于船体内区域的区域组成。

相邻区域

相邻区域是指同时受到设计威胁的区域。分区的大小通常只有两个分区同时受到设计威胁的破坏，尽管在某些情况下，第三个分区（如上部结构）也可能受到破坏。

区域生存性

对于分布式系统来说，区域生存性是指分布式系统在受到邻近区域的损坏或设备故障的影响而发生内部故障时，确保未损坏区域内的负载不会发生服务中断的能力。区域生存能力确保损伤不会扩散到邻近区域之外，在这些区域内会经历损伤。对于许多分布式系统设计，区域生存性要求至少有一条纵向总线保持可用，即使穿过受损区域。

在船舶层面，区域生存能力有助于船舶在相邻区域因设计威胁而发生内部故障时，按照设计威胁结果的要求，维持或恢复船舶的主要任务。船舶级区域生存能力侧重于受损区域的恢复工作，简化了船员维持态势感知和采取适当恢复行动所需的工作。船舶级区域生存能力需要足够的损伤控制功能，以防止火灾或洪水造成的损伤扩散到最初未受损的区域。

分区生存性

分区生存性仅解决受损邻近区域之外的负载。对于一些重要的负载，包括那些实现任务系统的负载，跨多个非相邻区域提供冗余能力可能被证明是不可行的。这种情况通常出现在上部结构中，传感器桅杆位于相同或相邻区域。在某些情况下，尽管损伤已经到达其区域，但这些载荷可能完全起作用。同样，最大限度地提高在受损邻近区域内维持支持损伤控制工作的载荷的概率，也有助于防止损伤扩散到最初未受影响的区域。这些负载的例子包括应急照明和便携式脱水泵的电源插座。在这些情况下，为特定负载的分布式系统提供隔室生存能力是有保证的。

隔间生存性要求特定负载所需的每个分布式系统提供其商品的独立正常和备用来源（电源、冷却水等）。对于特定的设计威胁，如果特定的负载预计能够存活，则商品的来源之一应该能够存活。商品从正常来源和备用来源汇合（如自动公交换乘-ABT）的区域内分布点应在以特定荷载为中心的预期损伤半径的1/2范围内。

任务系统

任务系统由专用于执行船舶主要或次要任务的硬件和软件组成。任务系统的例子包括飞机发射和回收设备（ALRE）、推进系统、作战系统和C4ISR系统。理想情况下，船舶的任务系统的设计应确保，如果相邻区域的任务系统设备不可用，则执行船舶任务的能力不会丧失。不幸的是，船舶设计的限制常常会排除确保持续能力所需的冗余级别。如果任务能力不能持续得到保证，则执行船舶任务的能力不会丧失。不幸的是，船舶设计的限制常常会排除确保持续能力所需的冗余级别。如果不能持续保证任务能力，则必须提供恢复能力以实现预期威胁结果的能力。

分布式系统

分布式系统将商品从一个或多个货源转移到分布在船上的多个负载。商品的例子包括电力、冷却水、消防水和燃料。对于给定的商品，分布式系统通常可以用由以下功能元素组成的体系结构来描述：

一代

一代生产要素生产商品。例如燃气轮机发电机组、消防泵和冷水厂。一个分布式系统的发电单元通常是其他分布式系统的负载。

分发

分发元素在其他功能元素之间传输商品。对于分区配电系统，纵向母线是配电功能元件的实例。

转换

转换元素将商品从一种形式转换为另一种形式。转换元件的一个例子是电气系统中的变压器。变压器改变其商品的电压水平，即电力。

货物

货物是商品的消费者。一个分布式系统的负载可以是另一个分布式系统的生成元素。例如，冷水厂是配电系统的负荷，是冷水配电系统的发电元件。

存储

存储元素存储商品以备日后使用。在某些系统中，如燃料系统，储存元件（燃料箱）在功能上取代了发电元件。在其他系统中，如电气系统，存储元件（不间断电源）用作缓冲器，以防止电源干扰传播到负载。

控制

一个控制单元协调一个分布式系统的其他单元，以提高服务质量，并便于在伤亡后恢复服务。对于新的设计，控制单元通常由驻留在整个船舶计算环境中的软件组成。

有关此架构应用于集成电力系统的示例，请参见Doerry和Davis（1994）以及Doerry等人。（1996年）。

设计威胁

设计威胁是指对已定义设计威胁结果的船舶的威胁。设计威胁的例子可以是特定的巡航导弹、鱼雷、枪支、爆炸物、大规模杀伤性武器以及诸如主要空间火灾、直升机坠毁、碰撞和着陆等事故。

设计威胁结果

当暴露于设计威胁时，设计威胁结果是船舶在敏感性、脆弱性和可恢复性方面的可接受性能。可能的设计威胁结果包括：

a、 船上人员的损失超过25%，可能会造成损失。

b、 船上人员损失25%或25%以下时，可能会造成损失。

c、 这艘船很可能保持漂浮状态，不能在超过一天的时间内执行一个或多个主要任务区。

d、 在不超过一天的修复工作之后，船舶将可能保持漂浮状态，并能够执行其所有主要任务区，只需在预计的作业环境中使用可能提供的外部援助。

e、 在不超过两个小时的修复工作之后，该船很可能保持漂浮状态，并能够仅使用有机资产执行其所有主要任务区。

f、 这艘船很可能保持漂浮状态，在修复工作（如有需要）完成后，仅使用有机资产不超过两分钟，就能完成所有主要任务区。

g、 这艘船很可能保持漂浮状态，并且能够不间断地执行其所有主要任务区域。

h、 威胁武器不被视为重大威胁，因为威胁武器在攻击船只之前被击溃的概率大于98%。

注：术语“可能”应指定特定的发生概率。合理的选择是指定“可能”是指发生概率大于86%。

设计威胁的生存能力水平可以使用全船生存能力评估（TSSA）方法进行评估。Yarbrough和Kupferer（2002）提供了一个在概念/可行性设计阶段应用于海军舰艇（JCC（X））的TSSA过程的例子。

过匹配威胁

过匹配威胁是一种设计威胁，其中设计威胁结果包括船舶可能损失。

服务质量

服务质量是一个分布式系统提供其商品到用户要求的标准的可靠性的度量。从荷载角度看，它被计算为平均无故障时间（MTBF）。故障被定义为任何服务中断，或商品参数超出正常参数，导致负载设备无法执行其功能。时间通常是在一个运行周期或设计参考任务中测量的。服务质量是一个可靠性度量，因此QOS度量的计算不考虑生存性事件，如战斗损伤、碰撞、火灾或洪水。服务质量确实考虑了设备故障和正常系统运行瞬态。导致QOS故障的正常系统操作的一个典型原因是商品的电源转移，例如转换到/从岸电（不首先并联）或使用手动总线转移（MBT）手动改变电源。还要注意，并非所有服务中断都会导致QOS故障。一些货物，如冰箱和冷藏箱，即使断电几分钟，也会使里面的东西保持低温。在这种情况下，只要及时恢复电源以防止内容显著升温，就不会发生QOS故障。注意，分布式系统的最佳配置可能因QOS考虑和生存性考虑而不同。例如，在电厂中，最重要的QOS考虑因素是当发电元件离线时保持负载功率的能力，同时对配电系统造成损害，以及在生存性分析中保持重要任务系统负载功率的能力。由于QOS的原因，许多船舶在和平时期的蒸汽运输中与电厂并联运行，只有在受到威胁的情况下才转向更具生存能力的分裂电厂配置。

纵向总线

纵向总线是指通过区域边界运输配送系统商品的工具。

如果能充分保护纵向母线，使区域内的预期损伤不会导致穿过该区域的所有纵向母线失效，则区域系统的设计可以大大简化。通常，对于双总线系统，将两个总线横向放置得尽可能远，并在垂直方向上放置几个甲板间隔，将提供足够的保护。最后，应采用全船生存能力评估来确保区域生存能力的实现。

分区系统设计

分区大小

分区的大小是提高生存能力和成本之间的折衷。一般来说，不匹配的威胁造成的损害应限于一个或两个相邻区域。然而，分区不应太大，以致大量任务系统设备将保持未损坏，但由于缺乏受损分布式系统所需的服务而无法工作。对大多数战斗人员来说，大约6或7个区域是一个很好的起点，因此每个区域大约占船长的15%。实际区域边界应与水密舱壁对齐，其位置根据损伤稳定性标准确定。但是，一个分区可以跨越多个不漏水的子分区。

单总线体系结构

如果存储不具有成本效益，并且发电元件的相对成本小于配电元件的成本，则单总线体系结构通常是有利的。这种单总线架构（图1）通常在每个区域都有足够的发电容量来满足其自身的需求。纵向总线能够在区域之间分割。为了将系统配置为最高服务质量，总线没有被隔离，但只提供足够的发电容量来服务现有的负载，如果需要，还提供在线备用容量来考虑负载的波动和在线发电元件离线的可能性。当识别出威胁或检测到损坏时，控制系统会自动隔离每个区域并启动所有生成元素。如果一个区域中的发电元件不工作，或无法维修其区域负载，则可能与相邻的未损坏区域交叉连接。以这种方式，将提供对未损坏区域的连续服务，或至少恢复服务。Shiffler（1993）描述了一个战斗人员firemain的单总线架构的实现。

图1：带分区生成的单总线体系结构

如果在每个区域提供分区存储以提供服务的连续性，而纵向总线隔离损坏的段，并且可用的发电元件在线，则可以放宽在每个区域中设置发电元件的要求（图2）。为了在单总线架构中实现分区生存性，发电单元必须位于最前面和最后面的分区。如果在最前或最后区域中定位发电元件不可行，应考虑使用下面讨论的混合架构双总线结构

图2：带分区存储的单总线体系结构

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