王艷君

(中國電子科學研究院，北京 100041)

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工程與應用

支持船舶采集策略的模塊開放式系統(tǒng)

王艷君

(中國電子科學研究院，北京 100041)

本文主要介紹并討論了應用于船舶設計的模塊開放式系統(tǒng)。文中定義了幾種不同類型的模塊化術(shù)語，以及到目前為止船舶應用的簡要發(fā)展史。本文用介紹了模塊化開放系統(tǒng)策略，該策略影響所有采集程序并通過使用可以獲利。文中還討論了海軍船舶采集程序的需求，比如決定多少模塊化是足夠的；針對可能的模塊化數(shù)量以及特定船舶申請，選擇適當水平的模塊化開放式系統(tǒng)，并定義了相關(guān)準則。最后，簡要概述了船舶設計中執(zhí)行這一概念的過程，重點突出顯示了實現(xiàn)成功的必要步驟。

模塊化; 模塊開放式系統(tǒng); 采集程序

0 引 言

水面戰(zhàn)斗設計中的模塊化應用已經(jīng)研究和實施了 30 多年。然而，應用(即船舶建造) 一直僅限于外國海軍/造船廠，如德國MEKO? 系統(tǒng)和丹麥 STANFLEX 系統(tǒng)等。直到最近，美國海軍開始廣泛運用模塊化開放系統(tǒng)策略在新的水面艦艇的設計與施工，包括 LCS 和 DDG 1000。

LCS 和 DDG 1000 項目運用了模塊化開放系統(tǒng)策略設計實現(xiàn)各種收購目標。根據(jù)應用程序的程度和水平，模塊化開放系統(tǒng)可以實現(xiàn)任何或所有下列目標∶1) 降低采購成本；2)縮短工期；3)提供復雜系統(tǒng) (即作戰(zhàn)系統(tǒng))采購的競爭力；4)提高通用化和標準化等；5)便于任務可重構(gòu)。

展望未來，考慮到未來我軍的設計，應怎樣使用先前的船舶采集應用模塊化開放式系統(tǒng)的結(jié)果？哪些是模塊化開放系統(tǒng)的關(guān)鍵程序目標？考慮到目標，模塊化/開放程度應該是什么？組件，系統(tǒng)還是跨平臺。模塊化開放系統(tǒng)應用該如何負擔起未來艦隊海軍的愿景？

本文的目標之一是提供這些問題的答案，并提出一種方法有益于未來艦船采集項目。

考慮到模塊和模塊化定義常被誤解，本文使用了如下定義：

模塊：模塊是結(jié)構(gòu)獨立的，用于構(gòu)建一個更大的具有良好接口系統(tǒng)。模塊是以可獨立發(fā)展的方式連接到系統(tǒng)其余部分，只要模塊開發(fā)在接口互連滿足既定標準。

模塊化∶ 是一種設計策略，在該策略中系統(tǒng)組件作為一個可獨立操作的單位，受周期變化。該系統(tǒng)被設計具有標準化的接口、 尺寸和性能參數(shù)，便于裝配、維修或靈活安排使用。

開放式系統(tǒng)和模塊開放式系統(tǒng)策略 (MOSA) 的概念與模塊化是密切相關(guān)的。相關(guān)術(shù)語定義如下：

1)開放式系統(tǒng)：該系統(tǒng)采用模塊化設計，并使用基于標準的關(guān)鍵接口。系統(tǒng)可分成功能部件，這樣系統(tǒng)中的部件表示系統(tǒng)技術(shù)和功能構(gòu)建塊。模塊化部件可以被其他功能相似的模塊替代，而對于系統(tǒng)來說無需發(fā)生重大變化。

2)模塊化開放式系統(tǒng)策略(MOSA)：綜合的業(yè)務和技術(shù)策略，在適當情況下，采用模塊化的設計，使用公認的行業(yè)標準組織維護和基于共識的標準去定義關(guān)鍵接口。

下文將描述模塊化是什么，為什么應該用于船舶采集，以及如何確定應適用它。

1 模塊化的類型

模塊化在許多方面都有應用，海軍艦艇的模塊化實施可以分為開放式系統(tǒng)和模塊化建造。

開放式系統(tǒng)(“能力交換”)：利用開放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)允許各種船舶項目交換等。這種類型的模塊化可以進一步分為五個子類別：

(1)任務模塊化：任務包是任務有效載荷部件的套件，這些有效載荷部件是從船舶上標準的設備和系統(tǒng)上獨立開的。當一艘船執(zhí)行特定的任務，這些任務包將被帶到船上并迅速安裝。通過使用開放系統(tǒng)以及船和包之間的標準接口，能提高安裝效率。這種類型的模塊化也可以通過允許單個組件的更換，根據(jù)需要方便升級。

(2)組件共享： 來自于一個系統(tǒng)或平臺的組件，可以和另一個系統(tǒng)或平臺進行共享。另外，作為其他系統(tǒng)或平臺的組件，組件符合同樣的標準和接口。組件共享簡化了物流、 降低成本、 降低復雜性，并增加技術(shù)更新和插入。這種類別的延伸是船體的共性，在那里兩個或多個類的船舶之間共享單一船體設計。這是對標準接口的功能之一。

(3)軟件模塊化： 通過使用開放的操作系統(tǒng)，開放體系結(jié)構(gòu)計算環(huán)境 (OACE) 允許更新所有相關(guān)聯(lián)的基本計算機程序。軟件更新而無需替換物理計算機結(jié)果，能夠節(jié)約更多時間和金錢。

(4)舷外交通工具模塊化：舷外交通工具模塊化為特定任務提供了使用各種類型交通工具能力，包括天空、海面、海底、載人或無人駕駛。這些交通工具可使用標準接口和常見的發(fā)射和回收系統(tǒng)來設計，以便不同的船艦能共享和使用相同舷外交通工具。

(5)建造模塊化：建造船舶包括持重部分 (即模塊、 塊或托盤)，這些持重部分或模塊被運往船廠進行最后的組裝。由于可以在同一時間在不同的船廠建造這艘船的各部分，建造模塊化能縮短施工時間。更快速施工和遠程位置裝配能夠?qū)崿F(xiàn)潛在的整體成本節(jié)約。

2 模塊化的發(fā)展史

模塊化建造的重要動力是二次世界大戰(zhàn)時雙方利用了建造模塊化。例如德國在21 潛艇的建造中使用了模塊化，由于大量使用的建筑模塊，亨利·凱澤碼建造了許多自由船只。從那時起許多商業(yè)圍場使用模塊建造作為一種有用降低成本和節(jié)省時間的方法。

從1979年起，德國造船廠Blohm & Voss使用一個叫做MEKO?的概念，為第三世界海軍開始建造模塊化護衛(wèi)艦和巡洋艦。文獻[1]描述了這一MEKO概念。為了一個新類型的巡邏艇，皇家丹麥海軍開始執(zhí)行模塊化的概念 (1986 年)。這個概念稱為斯坦 FLEX，使用模塊來快速更改任務。在短短時間內(nèi)內(nèi)，任務可能改為四個功能之一： 監(jiān)測、 埋設地雷、 發(fā)射導彈或水雷，文獻 [2] 中進行了討論。而美國海軍的模塊化主要開始于 1975 年，使用SEAMOD 程序(通過模塊化實現(xiàn)海面系統(tǒng)改造和現(xiàn)代化)， 并自那時起通過多次迭代。更多詳細信息，請參閱參考文獻 [3]-[4]。

3 船舶采集程序需求驅(qū)動模塊化使用

(1)采集成本減少：最近的海軍研究得出結(jié)論，通過使用模塊化開放式系統(tǒng)，在美國造船廠的船舶建造的表面戰(zhàn)斗人員的船舶購置成本可以減少10%至15%。

(2)施工時間短：模塊化已被證明能減少施工時間。采用MEKO概念的Blohm & Voss經(jīng)驗就是一個很好的例子。

Blohm & Voss是一個在小型作戰(zhàn)艦艇具備高度國際市場競爭力的商船造船廠。武器和電子系統(tǒng)的模塊化被用來生產(chǎn)船舶的標準船體設計，且可以定制，以滿足大量潛在客戶特定的作戰(zhàn)任務的要求。通過在每個大小類別的獨特設計中建造幾個船體，造船廠預計將受益于系列生產(chǎn)。MEKO模塊化方法的一個重要額外屬性是變化可以迅速納入定制船舶，滿足每一個客戶的需求。

截至2002年，Blohm & Voss已經(jīng)為世界上超過一半的海軍建造了60艘MEKO護衛(wèi)艦。這包括了為德國海軍的四級123艘護衛(wèi)艦、三級124艘護衛(wèi)艦和五級130艘護衛(wèi)艦。使用MEKO?的操作經(jīng)驗已在文獻[ 1 ]中被廣泛證明。Blohm & Voss采用了模塊化應用程序，節(jié)省了25%的施工時間以及節(jié)省了50%的船廠施工工時和船舶建造成本，同時Blohm & Voss也為客戶節(jié)省了7%的成本。

(3)設備競爭加?。撼顺杀旧舷拗猓椖窟€可以獲得最低水平的競爭目標。除了對直接工程成本的影響，模塊化開放系統(tǒng)的策略可能會導致在關(guān)鍵系統(tǒng)和設備的競爭增加。

本身模塊化可能不會導致競爭加劇，但因為如果模塊化架構(gòu)是基于專有的接口和標準產(chǎn)生的模塊，將被限制在一個或兩個供應商。

總船舶開放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) (TOSA) IPT為含油廢物膜系統(tǒng) (1999年-2000 年)評估使用模塊化和標準接口的影響，避免唯一來源和維持競爭。通過競爭開放接口以消除使用“唯一來源”，采購費用的減少如圖 1所示。

圖1 競爭對含油廢膜能夠采購成本的影響

(4)增加通用性和標準化：通用性是系統(tǒng)從其他應用程序中使用組件的能力。美國國防部準則要求使用的方法，必須在平臺和系統(tǒng)上的通用性和重利用。正如參考文獻[5]所述的那樣，海軍已優(yōu)先考慮減少設備供應商的數(shù)量以降低整個船隊的成本。無論承包商提供或政府提供，任何軍艦的材料超過60%的成本。通過使用標準化和其他通用的方法，這種材料的成本可以降低?？缙脚_應用的通用性也是一個重要因素，按其性質(zhì)，模塊化提高通用性，并允許類似的組件在每一個船舶類可從船到船進行更換。

(5)進化采集與螺旋發(fā)展：在文獻[6]中定義，進化采集是為用戶快速獲取成熟技術(shù)的首選策略。進化的方法為認識到未來需要改進的能力提供了增強力，螺旋式開發(fā)是實現(xiàn)進化采集的途徑之一。螺旋發(fā)展需要靈活的設計理念，能夠不斷融入新興技術(shù)。螺旋式發(fā)展是一個不斷發(fā)展的過程，必須保證整個設計保持模塊的接口標準，而模塊是基于以保證連續(xù)獲得新技術(shù)的技術(shù)機會和預測。

4 模塊化開放系統(tǒng)的層級和程度

模塊化的水平是基于在何種程度上應用正式接口標準，如組件，系統(tǒng)，總船舶和船隊。設備(和船舶)的接口所選擇的水平必須符合規(guī)定標準，所有其他接口是由船舶開發(fā)人員和供應商控制。在正式接口標準層級，政府控制接口，并進行維修和更換系統(tǒng)、組件等。在這些層級以下，沒有留給制造商任何有機修復、細節(jié)的實施以及較低級別的接口。綜上，模塊化水平可分為3大類。

(1)最小(組件)級水平

“最小影響”的模塊化水平受限于船舶系統(tǒng)零部件的模塊化和開放式體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展情況。模塊被限制在幾個不同系統(tǒng)中的幾個獨立組件。這個層級是通過系統(tǒng)互換性側(cè)重于元件互換性。

(2)中級(系統(tǒng))水平

當整個船舶系統(tǒng)被模塊化或針對關(guān)鍵接口有開放系統(tǒng)標準，就是一個中級水平的模塊化。例如，船舶的雷達系統(tǒng)可以模塊化，或指揮和控制系統(tǒng)可以選擇一個開放式系統(tǒng)架構(gòu)。多個船舶計劃在這一水平層級的延伸涉及各種組件在不同的船舶上組合，以增加公共性。

(3)滿級(總船舶和船隊)水平

模塊化開放式系統(tǒng)的船舶總體水平是應用了整個船舶的模塊化和開放式體系結(jié)構(gòu)的概念。這可以包括開發(fā)特殊的創(chuàng)新船體，方便安裝模塊開放系統(tǒng)。

5 選擇模塊化開放系統(tǒng)層級的方法

模塊化開放系統(tǒng)的層級取決于若干因素，包括負擔能力、 政治環(huán)境、基礎設施需求、總體海軍力量規(guī)劃等。應用模塊化的選擇，是通過使用系統(tǒng)性的工程方法來確定的，下面的內(nèi)容給出了這個方法的例子，決定模塊化的層級。

確定模塊化程度和應用程度是一個多步驟過程。當信息缺乏時，設計師面臨的一個挑戰(zhàn)是如何在早期設計過程中選擇模塊化水平。一個面向決策的方法可以用來幫助選擇的模塊化水平和程度。這個過程是以最初的備選模塊化名單為起點，接下來備選名單將被收窄到那些能提供總成本減少的系統(tǒng)或項目，并應包括在作戰(zhàn)能力的改善。有效權(quán)重因子可以用于不同的評價因子應用于船舶系統(tǒng)，并可以用來作出一些初步評價。這種方法可以分為兩個階段。

第一階段評估是以什么模塊化，應該考慮以下幾個方面問題：

(1)商業(yè)市場：是否有系統(tǒng)的商業(yè)等價物？

(2)潛在的變化：一個系統(tǒng)的技術(shù)或功能/任務可能會隨著時間改變，需要“開放性”。

(3)物流：系統(tǒng)組件是否有高故障率或必須經(jīng)常更換？

(4)成本：系統(tǒng)的安裝成本是多少？

(5)標準：是否存在標準，可用于系統(tǒng)？

(6)可行性：該系統(tǒng)是否可以開放，且仍然滿足海軍的功能要求？

(7)客戶因素：船隊和船廠是否對開放系統(tǒng)有興趣？

(8)維護/可靠性：故障率或系統(tǒng)維護要求是什么？

結(jié)果將在下一階段對潛在候選者進行成本分析和權(quán)衡研究。權(quán)衡研究用來評估船舶總成本的絕對價值和節(jié)省值百分比，包括采集、 和生命周期支持模塊化或開放系統(tǒng)設計和優(yōu)化，并將它與優(yōu)化的封閉系統(tǒng)作比較。權(quán)衡研究還必須評估開放系統(tǒng)會對總船舶帶來的二次影響，包括可能對重量、 功率和熱負荷造成影響。

權(quán)衡研究應包括跨越船舶生命周期的商業(yè)案例分析。這些業(yè)務案例分析將比較封閉或傳統(tǒng)架構(gòu)所提出的開放式或模塊化架構(gòu)的好處和成本，提供所選架構(gòu)的理由，圖2總結(jié)了這一過程。

圖2 模塊化級別選擇過程圖

6 船舶設計應用模塊化開放系統(tǒng)策略

選擇模塊化程度和水平也是模塊化開放系統(tǒng)策略中的一個大步驟?？偞伴_放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、體系結(jié)構(gòu)、 接口和模塊化的系統(tǒng)程序已采用模塊化開放系統(tǒng)策略，并應用于船艦設計，具體可參見文獻[7]-[8]。整體TOSA船舶開放系統(tǒng)架構(gòu)的工程過程如圖 3所示。

圖3 應用于船舶設計的開放式模塊化系統(tǒng)工程過程圖

上述流程步驟相互關(guān)聯(lián)，他們中的一些可以并行執(zhí)行。過程的準確順序可以更改以適應特定的實現(xiàn)。這一進程可能需要執(zhí)行幾個經(jīng)過的一些步驟，因為任何步驟的結(jié)果，可能會改變上一步所做的選擇。該過程是適用于大型船舶系統(tǒng)、 子系統(tǒng)、 模塊和組件接口設計。該過程的主要產(chǎn)品包括系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和標準接口的描述。這個過程的步驟如下：

(1)需求分析：在任何設計開發(fā)之前，必須知道系統(tǒng)的要求。若要開發(fā)最有效開放式系統(tǒng)設計，設計師需要解決設計中的實際需要，并不提供過去的解決辦法修改以滿足新的要求。

(2)市場研究：任何系統(tǒng)工程過程的重要一步是確定可用的技術(shù)，從商業(yè)和軍事市場包括可能開放式系統(tǒng)功能的集合、商業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的評價和預測技術(shù)的未來發(fā)展趨勢等。

(3)功能分析：功能分析的過程中，船舶的任務、性能、目標和其他要求轉(zhuǎn)化為離散和定義良好的功能，可以用來指導設計合成。

(4)架構(gòu)選擇：架構(gòu)是更詳細的系統(tǒng)和流程圖，用于識別系統(tǒng)、設備和可用于執(zhí)行所需功能的組件。架構(gòu)繼續(xù)功能分析，并進一步分解系統(tǒng)的功能給設備或人員。然后在架構(gòu)中識別接口點，將“封裝”不同的功能元素作為創(chuàng)建“鍵”接口的基礎。在此步驟中，模塊化水平以及類型將變得明顯。

(5)標準接口定義：該步驟是一個迭代過程，它將識別體系結(jié)構(gòu)選擇步驟所標識的關(guān)鍵接口的細節(jié)和標準。它建立在先前步驟的結(jié)果并在需要時重復它們。

7 結(jié) 語

模塊化開放式系統(tǒng)有多種不同類型，它允許采集程序選擇什么樣的和多少模塊化適用于船艦。部分工具和流程可以幫助程序選擇何種內(nèi)容去進行模塊化。每個船舶采集計劃需要決定模塊化的水平和程度，這將決定每個程序開發(fā)的關(guān)鍵接口。

對于個別的船舶采辦計劃，模塊化/開放式系統(tǒng)能夠：

(1)降低采購成本/施工時間

(2)通過解耦降低成本和進度風險

(3)方便螺旋式發(fā)展

(4)允許任務的可重構(gòu)性

根據(jù)應用艦隊的范圍，模塊化開放式系統(tǒng)還具備以下能力：

(1)加速技術(shù)插入

(2)增加設備通用性

(3)減少獨特船舶平臺的數(shù)量

(4)降低海軍艦隊的資本化成本

[1] Ehrenberg H D,Schmidt W.“MEKO? Technology: Modular Naval Surface Ship Design-The Flexible Answer to Changing Naval Requirements,” INEC 92, September 1992.

[2] “Armaments Exchange Modules for Multirole STANFLEX 300,” WARSHIPS TECHNOLOGY, May 1987.

[3] Abbott J W.“Modular Payload Ships, 1975-2005,” ASNE Engineering The Total Ship (ETS) Symposium, May 2006.

[4] A Modular Open Systems Approach (MOSA) to Acquisition, Program Manager’s Guide, Version 2.0,” Open Systems Joint Task Force, September 2004.

[5] RDML Chuck Goddard, “The Ship Acquisition Process: Status and Opportunities,” Brief to ASNE President’s Club, 28 November 2007.

[6] DODI 5000.2

[7] Raymond T. Marcantonio, E. Gregory Sanford, David S. Tillman Andrew J. Levine, “Addressing The Design Challenges Of Open System Architecture Systems On U.S. Navy Ships-Building Out of The Box,” MAST 2007 Conference

[8] Abbott J W, DeVries R, Schoenster W et al. “The Impact of Evolutionary Acquisition on Naval Ship Design,” SNAME Transactions, 2003.

Modular Open Systems for Supporting Ship Acquisition Strategies

WANG Yan-jun

(China Academy of Electronics and Information Technology,Beijing 100041)

This paper discusses Modular Open Systems as applied to ship design. It defines the terminology used in describing the concept, the different types of modularity that exist and a brief history of ship applications. The paper discusses Modular Open Systems Approach that impact all Category A acquisition programs and benefits that can accrue through its use. The paper discusses the need by Navy ship acquisition programs, to decide “how much modularity is enough?” This paper provides criteria for defining the amount of modularity possible and an approach to selecting the proper level and degree of Modular Open Systems for a specific ship application. Finally, the process for implementing this concept in a ship design is briefly outlined-highlighting the necessary steps that must be taken for successful results.

Modularity; Modular Open Systems; Acquisition Strategies

10.3969/j.issn.1673-5692.2017.03.015

2017-04-01

2017-06-01

國家863計劃資助項目(2015AA015701)，國家自然科學基金資助項目(91338201)

TP274

A

1673-5692(2017)03-302-05

王艷君(1973—)，女，黑龍江人工程師，主要研究方向為海軍系統(tǒng)工程管理；

E-mail:1878724792@qq.com