舰炮“三化”设计方法与模块划分研究

王 鼎

(海军装备部,内蒙古 包头 014000)

0 引 言

通用化、系列化、组合化,简称“三化”,是武器装备标准化的3种重要形式[1]。“三化”建立在继承性原则和互换性原理之上,三者之间有着不可分割的关系。推行“三化”是发展武器装备的一项基本原则,对发展武器装备具有重要的作用和深远的意义[2-3]。从海上舰艇的作战效能来说,舰炮的应用领域更加广泛,因此成为当代舰艇应用与设计关注的热点。

为了适应现代武器的发展需求,需要更加多样的舰炮系列产品。基础型、改进型等舰炮的设计,着眼于“三化”设计原则,满足了舰炮装备多样化、系统化的要求,有效降低了研制和生产费用,大大提高了武器装备的整体效能与综合保障能力,是一项具有战略意义的方法与技术手段。

国外关于舰炮的“三化”设计起步较早,最早起源于德国的MKO/FES舰设计思想,开发出了76 mm 舰炮武器集装箱功能模块,随后还制定出舰炮的模块结构尺寸; 意大利奥托76 mm舰炮、奥托127 mm舰炮和美国海军AGS 155 mm舰炮等新型舰炮,都采用了模块化设计思想,利用成熟的设计结构构建了模块化数据,形成了模块化的装舰、供弹和控制等方面的设计和研究方法。国外针对舰炮“三化”设计和模块化划分已经形成了规范化的研究方法。例如,美国提出的基于舰炮产品结构树的模块化设计方法,有效地实现了产品的分块设计,提高了设计效率; 德国提出的以舰炮功能为要素的模块设计方法,对舰炮进行了合理的“三化”设计和模块化划分,这有利于技术创新和缩短设计周期,并能提高舰炮的可靠性、机动性和可维修性[4]。

现阶段,国内相关研究已经对“三化”设计以及模块划分设计进行了定性功能上的阐述,但仅从机械角度进行了模块划分,且主要集中在模块化装舰以及模块化总体功能架构等方面,工作量十分巨大且划分困难。同时,国内针对舰炮模块划分的方法仍处于粗放状态,没有形成统一的“三化”设计和模块划分方法。“三化”建设需要相应的信息化与之相匹配,国内舰炮信息化的条件还未完全满足,难以形成统一的军用设计标准与规范。舰炮“三化”设计模式为新型号设计提供的技术支持与国外还存在较大差距,在一定程度上影响了设计周期。为此,开展舰炮“三化”设计与模块划分[5-6]研究对舰炮武器装备的研制与发展具有重要的意义。

本文着眼于舰炮系列发展的要求,提出舰炮产品“三化”设计的整体思路,构建出基于相似性的模块分级与匹配的框架结构,从而满足多个分级模块在不同型号上的设计要求,可以为舰炮模块化数据库的构建奠定基础。

1 舰炮产品“三化”的特点

大力推动模块化设计,尽量减少系统、分系统和设备之间接口的种类、形式和规格,实现接口的一致性,确保舰炮各单元功能模块具有机械互换性、电气互换性,是今后舰炮设计的方向[7]。由于舰炮零部件种类繁多,且大中小口径舰炮的结构形式差别较大,机械部分模块化程度较低,各部分之间的配合关系较复杂,使机械部分相关机械组件间实现组合化存在一定的难度,设计者可选择的范围较小,实现模块化维修和部件更换的难度较大。因此,舰炮模块化研究主要集中在大口径舰炮的通用架构、模块划分等方面。

2 舰炮“三化”设计的总体方案

针对舰炮产品复杂的特点,需以“三化”设计方法、信息标准的统一制定、技术指标优化配置、数据统一管理和模块化接口规范技术为突破,构建舰炮“三化”设计的总体框架。通过对舰炮系列化型谱的成熟零部件的抽取与管理,以基于柔性的模块划分方法划分数据模块,优化配置指标; 通过研究模块与模块间接口的通用性,完成“三化”技术下资源数据库的管理,形成适应舰炮产品的“三化”设计框架。舰炮“三化”总体设计的框架思路如图1 所示。

图1 舰炮“三化”设计思路

3 面向舰炮“三化”技术的产品设计方法

3.1 模块划分思路与方法

面向舰炮全寿命周期内的“三化”设计,以模块化设计为主,涵盖通用化和系列化设计方法。模块化可实现产品族分类,通过规划组合模块可以形成不同的系列化产品。为实现产品的模块化开发与设计,须对整个舰炮产品族进行分类,从而快速识别处于不同产品的模块化结构单元。根据舰炮独有的特征,本文设计了一种基于相似性的模块分级与匹配框架结构,如图2 所示。其总体思想为:基于产品系列化要求,构建适合舰炮特点的系列化型谱集合,利用模块分级技术定义不同集合的变量元素,实现模块变量信息的快速识别与分类。

图2 基于相似性的模块分级与匹配框架结构

基于相似性的模块划分方法,通过确定舰炮产品模块划分的范围,对产品族进行分解,形成一系列的单元族,建立每一个单元族相关矩阵,通过计算得到单元族模块信息。通过对不同模块进行分级,制定出型号的参数化的系列型谱,完成舰炮产品族的系列化产品设计。利用相似性原理评价舰炮的“三化”设计情况,在基本型产品基础上衍生、匹配出扩展系列的舰炮产品。这种模块划分方法构建起了舰炮的模块化结构体系,为建立模块数据库奠定了基础。模块划分的具体流程如图3 所示。

图3 基于相似性的模块划分流程

在相似性模块划分流程中,相似度的计算十分重要。因此,本文根据相似模块划分计算流程来完成聚类计算,形成谱系聚类图,最大程度地建立起整个产品的单元族,构造出符合要求的谱系结构,并实现舰炮产品的功能特征、结构特征、管理特征、技术特征、材料特征、精度特征、接合特征等指标的定义。具体数学模型为:

假设有m个模块变量参数的数据为:xi={xi1,xi2,…,xij}T,i=1,2,…,m; 把每个模块变量当作j空间内的m个点,用每个点的距离值的大小来反映不同变量间的相似程度[8]。d(xi,xj)为两个变量点xi,xj之间的距离,且满足如下条件:

1)d(xi,xj)≥0,且d(xi,xj)=0时,xi=xj;

2)d(xi,xj)=d(xj,xi);

3)d(xi,xj)≤d(xi,xk)+d(xk,xi)。

采用式(1)对变量点进行距离聚类计算。

(1)

假设dij=d(xi,xj),D=(dij)p×p构建成一个距离矩阵,其中dij=dji; 定义矩阵Gp,Gq为2个聚类。假设上述2个聚类分别包含了np,nq个变量,聚类Gp和Gq的距离定义为Dpq,则两个聚类间的最短距离可表示为

(2)

谱系计算[9]的整个过程如下:

1) 将N个变量参数划分为N个类,计算不同类的两两距离后,构建成一个对称判别矩阵D(0)n×n;

2) 定义判别矩阵D(0)n×n上非对角线的最小元素为Dpq,其中Gp={xp}和Gq={xq}为2个聚类,两者组合成一个新的聚类Gr={Gp,Gq},在对称矩阵上消去Gp,Gq所对应的行和列,加入Gr和其他没有聚合类的距离组成行和列,得到新的判别矩阵D(1)(n-1)×(n-1);

3) 重复步骤2,得到D(2)(n-2)×(n-2),再次重复,直至n个变量全部聚合成一个大类;

4) 聚类合并的过程中,聚类每个变量的编号和距离,得到模块划分的个数,即为聚类个数。

在不同集合变量间定义相似度,用其表示变量参数间的相似程度,关系紧密的类聚集作为一个很小的分类单位,然后逐渐扩展到关系较远的聚合大的度量单位,直到聚合完毕,形成舰炮的谱系图,从而实现舰炮系列发展。

3.2 模块化产品配置方法

舰炮模块化设计通过改变机型模块结构、尺寸或者性能参数,能够衍生出一系列具有特定功能与性能的变形模块[7]。针对舰炮产品族具备大量的模块库的情形,采取模块族模型的方法实现从模块到产品的转化。在模块配置前,根据舰炮产品特征参数的集合设定特征参数值。该特征参数向模块族特征参数映射的过程采用知识推理方式来完成,知识表达采用产生式规则来完成,最终将模块族BOM结构信息与模块族特征参数相互映射。随着产品的不断改进,产品的模块族模型信息随之发生变化,并不断地更新和修正映射库。模块库映射到实例化产品后,通过相似度计算算法来评价实际产品与模块库的相似程度。模块化产品配置框架结构如图4 所示。

图4 模块化产品配置框图

3.3 “三化”数据资源知识库框架结构

舰炮“三化”数据资源数据库包括“三化”技术思想、方法、途径、原则和要求,以及各种产品分类标准、模块分类标准、接口分类标准、产品开发通用规范等技术文档资料和完善的产品数据管理方法[10]。通过开展舰炮通用化、系列化以及模块化数据信息收集,规范设计图纸与文件,以“三化”数据信息为基础开展新型舰炮产品的研制工作,从而满足新型号的需求。构建舰炮“三化”数据知识库框架,将舰炮知识库与定义的本体库、规则库、语义关系库等相关联,采取半结构文本知识方法实现数据获取,数据模型采取基于语义标注的方法完成知识关联。舰炮“三化”数据资源知识库的框架结构如图5 所示。

图5 舰炮“三化”数据资源知识库的框架结构

4 舰炮模块划分应用过程

在面向舰炮“三化”设计技术资源数据管理库、参数化零部件模块库、基本信息产品型号库等单元库的基础上,建立起整个零部件谱系表,以实现对舰炮的“三化”数据的管理。定义通用结构模块接口的模块接口特征参数,以构建标准化接口库。

舰炮模块化采取自上而下的方式完成新产品的开发和设计工作。为了实现舰炮模块化划分,定义系列化和模块化的主产品结构,构建起整个系统模块的框架结构,控制接口传递参数,形成舰炮产品的系列化和模块化装配方案。基于相似模块库的“三化”设计实现方案如图6 所示。

图6 舰炮模块化产品设计的实现流程

5 模块划分方法应用验证

为了验证基于相似性的模块划分方法的有效性,本文选择某型舰炮卡锁机构作为验证对象进行验证。首先,将卡锁的结构形式、质量、主体尺寸作为指标信息,具体数据如表1 所示。

表1 卡锁机构指标信息

根据图3 以及聚类计算方法,将15个数据看成一类,直到计算得到15个样品聚合到一个大类为止。聚类合并的过程中,记录所有合并样品的编号和两类合并的水平,得到表2 所示的最短距离法的聚类过程结果。

表2 最短距离方法聚类过程结果

根据结果可以看出,在考虑结构形式的前提下,确定了分组的水平和组数分别为5,8,9/15,7,4/13,1/14,3,6/12,10/11/2,验证了模块划分算法的有效性。计算得到的卡锁谱系聚类图如图7 所示。

图7 卡锁谱系聚类图

根据卡锁模块划分结果,结合舰炮模块化产品设计实现流程(见图6),定义不同模块的主要特征值,在新型舰炮设计流程中,选择相应模块进行特征映射或者参数更新,从而实现整个舰炮的系列化发展。

6 结 语

本文提出的基于相似性的模块分级与匹配的框架结构和模块划分算法,在一定程度上克服了模块划分的随意性和盲目性,具有一定的可行性和实用性。将知识管理与舰炮模块化设计有机结合,可以达到知识重用、设计经验共享的目的,推动舰炮系列化发展,缩短整个舰炮研制周期,从而为新型舰炮的研制、生产、使用、维修和保障奠定基础。

由于舰炮机械结构复杂,在模块划分方法的适用性、产品族确定等方面还需进一步开展研究,以便后续开发出具有高度兼容性的“三化”设计方法,从而促进舰炮系列化的可持续发展。