支持船舶采集策略的模块开放式系统

王艳君

(中国电子科学研究院，北京 100041)



工程与应用

支持船舶采集策略的模块开放式系统

王艳君

(中国电子科学研究院，北京 100041)

本文主要介绍并讨论了应用于船舶设计的模块开放式系统。文中定义了几种不同类型的模块化术语，以及到目前为止船舶应用的简要发展史。本文用介绍了模块化开放系统策略，该策略影响所有采集程序并通过使用可以获利。文中还讨论了海军船舶采集程序的需求，比如决定多少模块化是足够的；针对可能的模块化数量以及特定船舶申请，选择适当水平的模块化开放式系统，并定义了相关准则。最后，简要概述了船舶设计中执行这一概念的过程，重点突出显示了实现成功的必要步骤。

模块化; 模块开放式系统; 采集程序

0 引 言

水面战斗设计中的模块化应用已经研究和实施了 30 多年。然而，应用(即船舶建造) 一直仅限于外国海军/造船厂，如德国MEKO© 系统和丹麦 STANFLEX 系统等。直到最近，美国海军开始广泛运用模块化开放系统策略在新的水面舰艇的设计与施工，包括 LCS 和 DDG 1000。

LCS 和 DDG 1000 项目运用了模块化开放系统策略设计实现各种收购目标。根据应用程序的程度和水平，模块化开放系统可以实现任何或所有下列目标∶1) 降低采购成本；2)缩短工期；3)提供复杂系统 (即作战系统)采购的竞争力；4)提高通用化和标准化等；5)便于任务可重构。

展望未来，考虑到未来我军的设计，应怎样使用先前的船舶采集应用模块化开放式系统的结果？哪些是模块化开放系统的关键程序目标？考虑到目标，模块化/开放程度应该是什么？组件，系统还是跨平台。模块化开放系统应用该如何负担起未来舰队海军的愿景？

本文的目标之一是提供这些问题的答案，并提出一种方法有益于未来舰船采集项目。

考虑到模块和模块化定义常被误解，本文使用了如下定义：

模块：模块是结构独立的，用于构建一个更大的具有良好接口系统。模块是以可独立发展的方式连接到系统其余部分，只要模块开发在接口互连满足既定标准。

模块化∶ 是一种设计策略，在该策略中系统组件作为一个可独立操作的单位，受周期变化。该系统被设计具有标准化的接口、 尺寸和性能参数，便于装配、维修或灵活安排使用。

开放式系统和模块开放式系统策略 (MOSA) 的概念与模块化是密切相关的。相关术语定义如下：

1)开放式系统：该系统采用模块化设计，并使用基于标准的关键接口。系统可分成功能部件，这样系统中的部件表示系统技术和功能构建块。模块化部件可以被其他功能相似的模块替代，而对于系统来说无需发生重大变化。

2)模块化开放式系统策略(MOSA)：综合的业务和技术策略，在适当情况下，采用模块化的设计，使用公认的行业标准组织维护和基于共识的标准去定义关键接口。

下文将描述模块化是什么，为什么应该用于船舶采集，以及如何确定应适用它。

1 模块化的类型

模块化在许多方面都有应用，海军舰艇的模块化实施可以分为开放式系统和模块化建造。

开放式系统(“能力交换”)：利用开放式系统体系结构允许各种船舶项目交换等。这种类型的模块化可以进一步分为五个子类别：

(1)任务模块化：任务包是任务有效载荷部件的套件，这些有效载荷部件是从船舶上标准的设备和系统上独立开的。当一艘船执行特定的任务，这些任务包将被带到船上并迅速安装。通过使用开放系统以及船和包之间的标准接口，能提高安装效率。这种类型的模块化也可以通过允许单个组件的更换，根据需要方便升级。

(2)组件共享： 来自于一个系统或平台的组件，可以和另一个系统或平台进行共享。另外，作为其他系统或平台的组件，组件符合同样的标准和接口。组件共享简化了物流、 降低成本、 降低复杂性，并增加技术更新和插入。这种类别的延伸是船体的共性，在那里两个或多个类的船舶之间共享单一船体设计。这是对标准接口的功能之一。

(3)软件模块化： 通过使用开放的操作系统，开放体系结构计算环境 (OACE) 允许更新所有相关联的基本计算机程序。软件更新而无需替换物理计算机结果，能够节约更多时间和金钱。

(4)舷外交通工具模块化：舷外交通工具模块化为特定任务提供了使用各种类型交通工具能力，包括天空、海面、海底、载人或无人驾驶。这些交通工具可使用标准接口和常见的发射和回收系统来设计，以便不同的船舰能共享和使用相同舷外交通工具。

(5)建造模块化：建造船舶包括持重部分 (即模块、 块或托盘)，这些持重部分或模块被运往船厂进行最后的组装。由于可以在同一时间在不同的船厂建造这艘船的各部分，建造模块化能缩短施工时间。更快速施工和远程位置装配能够实现潜在的整体成本节约。

2 模块化的发展史

模块化建造的重要动力是二次世界大战时双方利用了建造模块化。例如德国在21 潜艇的建造中使用了模块化，由于大量使用的建筑模块，亨利·凯泽码建造了许多自由船只。从那时起许多商业围场使用模块建造作为一种有用降低成本和节省时间的方法。

从1979年起，德国造船厂Blohm & Voss使用一个叫做MEKO©的概念，为第三世界海军开始建造模块化护卫舰和巡洋舰。文献[1]描述了这一MEKO概念。为了一个新类型的巡逻艇，皇家丹麦海军开始执行模块化的概念 (1986 年)。这个概念称为斯坦 FLEX，使用模块来快速更改任务。在短短时间内内，任务可能改为四个功能之一： 监测、 埋设地雷、 发射导弹或水雷，文献 [2] 中进行了讨论。而美国海军的模块化主要开始于 1975 年，使用SEAMOD 程序(通过模块化实现海面系统改造和现代化)， 并自那时起通过多次迭代。更多详细信息，请参阅参考文献 [3]-[4]。

3 船舶采集程序需求驱动模块化使用

(1)采集成本减少：最近的海军研究得出结论，通过使用模块化开放式系统，在美国造船厂的船舶建造的表面战斗人员的船舶购置成本可以减少10%至15%。

(2)施工时间短：模块化已被证明能减少施工时间。采用MEKO概念的Blohm & Voss经验就是一个很好的例子。

Blohm & Voss是一个在小型作战舰艇具备高度国际市场竞争力的商船造船厂。武器和电子系统的模块化被用来生产船舶的标准船体设计，且可以定制，以满足大量潜在客户特定的作战任务的要求。通过在每个大小类别的独特设计中建造几个船体，造船厂预计将受益于系列生产。MEKO模块化方法的一个重要额外属性是变化可以迅速纳入定制船舶，满足每一个客户的需求。

截至2002年，Blohm & Voss已经为世界上超过一半的海军建造了60艘MEKO护卫舰。这包括了为德国海军的四级123艘护卫舰、三级124艘护卫舰和五级130艘护卫舰。使用MEKO©的操作经验已在文献[ 1 ]中被广泛证明。Blohm & Voss采用了模块化应用程序，节省了25%的施工时间以及节省了50%的船厂施工工时和船舶建造成本，同时Blohm & Voss也为客户节省了7%的成本。

(3)设备竞争加剧：除了成本上限之外，项目还可以获得最低水平的竞争目标。除了对直接工程成本的影响，模块化开放系统的策略可能会导致在关键系统和设备的竞争增加。

本身模块化可能不会导致竞争加剧，但因为如果模块化架构是基于专有的接口和标准产生的模块，将被限制在一个或两个供应商。

总船舶开放系统体系结构 (TOSA) IPT为含油废物膜系统 (1999年-2000 年)评估使用模块化和标准接口的影响，避免唯一来源和维持竞争。通过竞争开放接口以消除使用“唯一来源”，采购费用的减少如图 1所示。

图1 竞争对含油废膜能够采购成本的影响

(4)增加通用性和标准化：通用性是系统从其他应用程序中使用组件的能力。美国国防部准则要求使用的方法，必须在平台和系统上的通用性和重利用。正如参考文献[5]所述的那样，海军已优先考虑减少设备供应商的数量以降低整个船队的成本。无论承包商提供或政府提供，任何军舰的材料超过60%的成本。通过使用标准化和其他通用的方法，这种材料的成本可以降低。跨平台应用的通用性也是一个重要因素，按其性质，模块化提高通用性，并允许类似的组件在每一个船舶类可从船到船进行更换。

(5)进化采集与螺旋发展：在文献[6]中定义，进化采集是为用户快速获取成熟技术的首选策略。进化的方法为认识到未来需要改进的能力提供了增强力，螺旋式开发是实现进化采集的途径之一。螺旋发展需要灵活的设计理念，能够不断融入新兴技术。螺旋式发展是一个不断发展的过程，必须保证整个设计保持模块的接口标准，而模块是基于以保证连续获得新技术的技术机会和预测。

4 模块化开放系统的层级和程度

模块化的水平是基于在何种程度上应用正式接口标准，如组件，系统，总船舶和船队。设备(和船舶)的接口所选择的水平必须符合规定标准，所有其他接口是由船舶开发人员和供应商控制。在正式接口标准层级，政府控制接口，并进行维修和更换系统、组件等。在这些层级以下，没有留给制造商任何有机修复、细节的实施以及较低级别的接口。综上，模块化水平可分为3大类。

(1)最小(组件)级水平

“最小影响”的模块化水平受限于船舶系统零部件的模块化和开放式体系结构的发展情况。模块被限制在几个不同系统中的几个独立组件。这个层级是通过系统互换性侧重于元件互换性。

(2)中级(系统)水平

当整个船舶系统被模块化或针对关键接口有开放系统标准，就是一个中级水平的模块化。例如，船舶的雷达系统可以模块化，或指挥和控制系统可以选择一个开放式系统架构。多个船舶计划在这一水平层级的延伸涉及各种组件在不同的船舶上组合，以增加公共性。

(3)满级(总船舶和船队)水平

模块化开放式系统的船舶总体水平是应用了整个船舶的模块化和开放式体系结构的概念。这可以包括开发特殊的创新船体，方便安装模块开放系统。

5 选择模块化开放系统层级的方法

模块化开放系统的层级取决于若干因素，包括负担能力、 政治环境、基础设施需求、总体海军力量规划等。应用模块化的选择，是通过使用系统性的工程方法来确定的，下面的内容给出了这个方法的例子，决定模块化的层级。

确定模块化程度和应用程度是一个多步骤过程。当信息缺乏时，设计师面临的一个挑战是如何在早期设计过程中选择模块化水平。一个面向决策的方法可以用来帮助选择的模块化水平和程度。这个过程是以最初的备选模块化名单为起点，接下来备选名单将被收窄到那些能提供总成本减少的系统或项目，并应包括在作战能力的改善。有效权重因子可以用于不同的评价因子应用于船舶系统，并可以用来作出一些初步评价。这种方法可以分为两个阶段。

第一阶段评估是以什么模块化，应该考虑以下几个方面问题：

(1)商业市场：是否有系统的商业等价物？

(2)潜在的变化：一个系统的技术或功能/任务可能会随着时间改变，需要“开放性”。

(3)物流：系统组件是否有高故障率或必须经常更换？

(4)成本：系统的安装成本是多少？

(5)标准：是否存在标准，可用于系统？

(6)可行性：该系统是否可以开放，且仍然满足海军的功能要求？

(7)客户因素：船队和船厂是否对开放系统有兴趣？

(8)维护/可靠性：故障率或系统维护要求是什么？

结果将在下一阶段对潜在候选者进行成本分析和权衡研究。权衡研究用来评估船舶总成本的绝对价值和节省值百分比，包括采集、 和生命周期支持模块化或开放系统设计和优化，并将它与优化的封闭系统作比较。权衡研究还必须评估开放系统会对总船舶带来的二次影响，包括可能对重量、 功率和热负荷造成影响。

权衡研究应包括跨越船舶生命周期的商业案例分析。这些业务案例分析将比较封闭或传统架构所提出的开放式或模块化架构的好处和成本，提供所选架构的理由，图2总结了这一过程。

图2 模块化级别选择过程图

6 船舶设计应用模块化开放系统策略

选择模块化程度和水平也是模块化开放系统策略中的一个大步骤。总船舶开放系统体系结构、体系结构、 接口和模块化的系统程序已采用模块化开放系统策略，并应用于船舰设计，具体可参见文献[7]-[8]。整体TOSA船舶开放系统架构的工程过程如图 3所示。

图3 应用于船舶设计的开放式模块化系统工程过程图

上述流程步骤相互关联，他们中的一些可以并行执行。过程的准确顺序可以更改以适应特定的实现。这一进程可能需要执行几个经过的一些步骤，因为任何步骤的结果，可能会改变上一步所做的选择。该过程是适用于大型船舶系统、 子系统、 模块和组件接口设计。该过程的主要产品包括系统的体系结构和标准接口的描述。这个过程的步骤如下：

(1)需求分析：在任何设计开发之前，必须知道系统的要求。若要开发最有效开放式系统设计，设计师需要解决设计中的实际需要，并不提供过去的解决办法修改以满足新的要求。

(2)市场研究：任何系统工程过程的重要一步是确定可用的技术，从商业和军事市场包括可能开放式系统功能的集合、商业产品数据的评价和预测技术的未来发展趋势等。

(3)功能分析：功能分析的过程中，船舶的任务、性能、目标和其他要求转化为离散和定义良好的功能，可以用来指导设计合成。

(4)架构选择：架构是更详细的系统和流程图，用于识别系统、设备和可用于执行所需功能的组件。架构继续功能分析，并进一步分解系统的功能给设备或人员。然后在架构中识别接口点，将“封装”不同的功能元素作为创建“键”接口的基础。在此步骤中，模块化水平以及类型将变得明显。

(5)标准接口定义：该步骤是一个迭代过程，它将识别体系结构选择步骤所标识的关键接口的细节和标准。它建立在先前步骤的结果并在需要时重复它们。

7 结 语

模块化开放式系统有多种不同类型，它允许采集程序选择什么样的和多少模块化适用于船舰。部分工具和流程可以帮助程序选择何种内容去进行模块化。每个船舶采集计划需要决定模块化的水平和程度，这将决定每个程序开发的关键接口。

对于个别的船舶采办计划，模块化/开放式系统能够：

(1)降低采购成本/施工时间

(2)通过解耦降低成本和进度风险

(3)方便螺旋式发展

(4)允许任务的可重构性

根据应用舰队的范围，模块化开放式系统还具备以下能力：

(1)加速技术插入

(2)增加设备通用性

(3)减少独特船舶平台的数量

(4)降低海军舰队的资本化成本

[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

国家863计划资助项目(2015AA015701)，国家自然科学基金资助项目(91338201)

TP274

A

1673-5692(2017)03-302-05

王艳君(1973—)，女，黑龙江人工程师，主要研究方向为海军系统工程管理；

E-mail:1878724792@qq.com