艦炮“三化”設計方法與模塊劃分研究

王 鼎

(海軍裝備部,內蒙古 包頭 014000)

0 引 言

通用化、系列化、組合化,簡稱“三化”,是武器裝備標準化的3種重要形式[1]?！叭苯⒃诶^承性原則和互換性原理之上,三者之間有著不可分割的關系。推行“三化”是發展武器裝備的一項基本原則,對發展武器裝備具有重要的作用和深遠的意義[2-3]。從海上艦艇的作戰效能來說,艦炮的應用領域更加廣泛,因此成為當代艦艇應用與設計關注的熱點。

為了適應現代武器的發展需求,需要更加多樣的艦炮系列產品?；A型、改進型等艦炮的設計,著眼于“三化”設計原則,滿足了艦炮裝備多樣化、系統化的要求,有效降低了研制和生產費用,大大提高了武器裝備的整體效能與綜合保障能力,是一項具有戰略意義的方法與技術手段。

國外關于艦炮的“三化”設計起步較早,最早起源于德國的MKO/FES艦設計思想,開發出了76 mm 艦炮武器集裝箱功能模塊,隨后還制定出艦炮的模塊結構尺寸; 意大利奧托76 mm艦炮、奧托127 mm艦炮和美國海軍AGS 155 mm艦炮等新型艦炮,都采用了模塊化設計思想,利用成熟的設計結構構建了模塊化數據,形成了模塊化的裝艦、供彈和控制等方面的設計和研究方法。國外針對艦炮“三化”設計和模塊化劃分已經形成了規范化的研究方法。例如,美國提出的基于艦炮產品結構樹的模塊化設計方法,有效地實現了產品的分塊設計,提高了設計效率; 德國提出的以艦炮功能為要素的模塊設計方法,對艦炮進行了合理的“三化”設計和模塊化劃分,這有利于技術創新和縮短設計周期,并能提高艦炮的可靠性、機動性和可維修性[4]。

現階段,國內相關研究已經對“三化”設計以及模塊劃分設計進行了定性功能上的闡述,但僅從機械角度進行了模塊劃分,且主要集中在模塊化裝艦以及模塊化總體功能架構等方面,工作量十分巨大且劃分困難。同時,國內針對艦炮模塊劃分的方法仍處于粗放狀態,沒有形成統一的“三化”設計和模塊劃分方法?！叭苯ㄔO需要相應的信息化與之相匹配,國內艦炮信息化的條件還未完全滿足,難以形成統一的軍用設計標準與規范。艦炮“三化”設計模式為新型號設計提供的技術支持與國外還存在較大差距,在一定程度上影響了設計周期。為此,開展艦炮“三化”設計與模塊劃分[5-6]研究對艦炮武器裝備的研制與發展具有重要的意義。

本文著眼于艦炮系列發展的要求,提出艦炮產品“三化”設計的整體思路,構建出基于相似性的模塊分級與匹配的框架結構,從而滿足多個分級模塊在不同型號上的設計要求,可以為艦炮模塊化數據庫的構建奠定基礎。

1 艦炮產品“三化”的特點

大力推動模塊化設計,盡量減少系統、分系統和設備之間接口的種類、形式和規格,實現接口的一致性,確保艦炮各單元功能模塊具有機械互換性、電氣互換性,是今后艦炮設計的方向[7]。由于艦炮零部件種類繁多,且大中小口徑艦炮的結構形式差別較大,機械部分模塊化程度較低,各部分之間的配合關系較復雜,使機械部分相關機械組件間實現組合化存在一定的難度,設計者可選擇的范圍較小,實現模塊化維修和部件更換的難度較大。因此,艦炮模塊化研究主要集中在大口徑艦炮的通用架構、模塊劃分等方面。

2 艦炮“三化”設計的總體方案

針對艦炮產品復雜的特點,需以“三化”設計方法、信息標準的統一制定、技術指標優化配置、數據統一管理和模塊化接口規范技術為突破,構建艦炮“三化”設計的總體框架。通過對艦炮系列化型譜的成熟零部件的抽取與管理,以基于柔性的模塊劃分方法劃分數據模塊,優化配置指標; 通過研究模塊與模塊間接口的通用性,完成“三化”技術下資源數據庫的管理,形成適應艦炮產品的“三化”設計框架。艦炮“三化”總體設計的框架思路如圖1 所示。

圖1 艦炮“三化”設計思路

3 面向艦炮“三化”技術的產品設計方法

3.1 模塊劃分思路與方法

面向艦炮全壽命周期內的“三化”設計,以模塊化設計為主,涵蓋通用化和系列化設計方法。模塊化可實現產品族分類,通過規劃組合模塊可以形成不同的系列化產品。為實現產品的模塊化開發與設計,須對整個艦炮產品族進行分類,從而快速識別處于不同產品的模塊化結構單元。根據艦炮獨有的特征,本文設計了一種基于相似性的模塊分級與匹配框架結構,如圖2 所示。其總體思想為:基于產品系列化要求,構建適合艦炮特點的系列化型譜集合,利用模塊分級技術定義不同集合的變量元素,實現模塊變量信息的快速識別與分類。

圖2 基于相似性的模塊分級與匹配框架結構

基于相似性的模塊劃分方法,通過確定艦炮產品模塊劃分的范圍,對產品族進行分解,形成一系列的單元族,建立每一個單元族相關矩陣,通過計算得到單元族模塊信息。通過對不同模塊進行分級,制定出型號的參數化的系列型譜,完成艦炮產品族的系列化產品設計。利用相似性原理評價艦炮的“三化”設計情況,在基本型產品基礎上衍生、匹配出擴展系列的艦炮產品。這種模塊劃分方法構建起了艦炮的模塊化結構體系,為建立模塊數據庫奠定了基礎。模塊劃分的具體流程如圖3 所示。

圖3 基于相似性的模塊劃分流程

在相似性模塊劃分流程中,相似度的計算十分重要。因此,本文根據相似模塊劃分計算流程來完成聚類計算,形成譜系聚類圖,最大程度地建立起整個產品的單元族,構造出符合要求的譜系結構,并實現艦炮產品的功能特征、結構特征、管理特征、技術特征、材料特征、精度特征、接合特征等指標的定義。具體數學模型為:

假設有m個模塊變量參數的數據為:xi={xi1,xi2,…,xij}T,i=1,2,…,m; 把每個模塊變量當作j空間內的m個點,用每個點的距離值的大小來反映不同變量間的相似程度[8]。d(xi,xj)為兩個變量點xi,xj之間的距離,且滿足如下條件:

1)d(xi,xj)≥0,且d(xi,xj)=0時,xi=xj;

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

3)d(xi,xj)≤d(xi,xk)+d(xk,xi)。

采用式(1)對變量點進行距離聚類計算。

(1)

假設dij=d(xi,xj),D=(dij)p×p構建成一個距離矩陣,其中dij=dji; 定義矩陣Gp,Gq為2個聚類。假設上述2個聚類分別包含了np,nq個變量,聚類Gp和Gq的距離定義為Dpq,則兩個聚類間的最短距離可表示為

(2)

譜系計算[9]的整個過程如下:

1) 將N個變量參數劃分為N個類,計算不同類的兩兩距離后,構建成一個對稱判別矩陣D(0)n×n;

2) 定義判別矩陣D(0)n×n上非對角線的最小元素為Dpq,其中Gp={xp}和Gq={xq}為2個聚類,兩者組合成一個新的聚類Gr={Gp,Gq},在對稱矩陣上消去Gp,Gq所對應的行和列,加入Gr和其他沒有聚合類的距離組成行和列,得到新的判別矩陣D(1)(n-1)×(n-1);

3) 重復步驟2,得到D(2)(n-2)×(n-2),再次重復,直至n個變量全部聚合成一個大類;

4) 聚類合并的過程中,聚類每個變量的編號和距離,得到模塊劃分的個數,即為聚類個數。

在不同集合變量間定義相似度,用其表示變量參數間的相似程度,關系緊密的類聚集作為一個很小的分類單位,然后逐漸擴展到關系較遠的聚合大的度量單位,直到聚合完畢,形成艦炮的譜系圖,從而實現艦炮系列發展。

3.2 模塊化產品配置方法

艦炮模塊化設計通過改變機型模塊結構、尺寸或者性能參數,能夠衍生出一系列具有特定功能與性能的變形模塊[7]。針對艦炮產品族具備大量的模塊庫的情形,采取模塊族模型的方法實現從模塊到產品的轉化。在模塊配置前,根據艦炮產品特征參數的集合設定特征參數值。該特征參數向模塊族特征參數映射的過程采用知識推理方式來完成,知識表達采用產生式規則來完成,最終將模塊族BOM結構信息與模塊族特征參數相互映射。隨著產品的不斷改進,產品的模塊族模型信息隨之發生變化,并不斷地更新和修正映射庫。模塊庫映射到實例化產品后,通過相似度計算算法來評價實際產品與模塊庫的相似程度。模塊化產品配置框架結構如圖4 所示。

圖4 模塊化產品配置框圖

3.3 “三化”數據資源知識庫框架結構

艦炮“三化”數據資源數據庫包括“三化”技術思想、方法、途徑、原則和要求,以及各種產品分類標準、模塊分類標準、接口分類標準、產品開發通用規范等技術文檔資料和完善的產品數據管理方法[10]。通過開展艦炮通用化、系列化以及模塊化數據信息收集,規范設計圖紙與文件,以“三化”數據信息為基礎開展新型艦炮產品的研制工作,從而滿足新型號的需求。構建艦炮“三化”數據知識庫框架,將艦炮知識庫與定義的本體庫、規則庫、語義關系庫等相關聯,采取半結構文本知識方法實現數據獲取,數據模型采取基于語義標注的方法完成知識關聯。艦炮“三化”數據資源知識庫的框架結構如圖5 所示。

圖5 艦炮“三化”數據資源知識庫的框架結構

4 艦炮模塊劃分應用過程

在面向艦炮“三化”設計技術資源數據管理庫、參數化零部件模塊庫、基本信息產品型號庫等單元庫的基礎上,建立起整個零部件譜系表,以實現對艦炮的“三化”數據的管理。定義通用結構模塊接口的模塊接口特征參數,以構建標準化接口庫。

艦炮模塊化采取自上而下的方式完成新產品的開發和設計工作。為了實現艦炮模塊化劃分,定義系列化和模塊化的主產品結構,構建起整個系統模塊的框架結構,控制接口傳遞參數,形成艦炮產品的系列化和模塊化裝配方案?；谙嗨颇K庫的“三化”設計實現方案如圖6 所示。

圖6 艦炮模塊化產品設計的實現流程

5 模塊劃分方法應用驗證

為了驗證基于相似性的模塊劃分方法的有效性,本文選擇某型艦炮卡鎖機構作為驗證對象進行驗證。首先,將卡鎖的結構形式、質量、主體尺寸作為指標信息,具體數據如表1 所示。

表1 卡鎖機構指標信息

根據圖3 以及聚類計算方法,將15個數據看成一類,直到計算得到15個樣品聚合到一個大類為止。聚類合并的過程中,記錄所有合并樣品的編號和兩類合并的水平,得到表2 所示的最短距離法的聚類過程結果。

表2 最短距離方法聚類過程結果

根據結果可以看出,在考慮結構形式的前提下,確定了分組的水平和組數分別為5,8,9/15,7,4/13,1/14,3,6/12,10/11/2,驗證了模塊劃分算法的有效性。計算得到的卡鎖譜系聚類圖如圖7 所示。

圖7 卡鎖譜系聚類圖

根據卡鎖模塊劃分結果,結合艦炮模塊化產品設計實現流程(見圖6),定義不同模塊的主要特征值,在新型艦炮設計流程中,選擇相應模塊進行特征映射或者參數更新,從而實現整個艦炮的系列化發展。

6 結 語

本文提出的基于相似性的模塊分級與匹配的框架結構和模塊劃分算法,在一定程度上克服了模塊劃分的隨意性和盲目性,具有一定的可行性和實用性。將知識管理與艦炮模塊化設計有機結合,可以達到知識重用、設計經驗共享的目的,推動艦炮系列化發展,縮短整個艦炮研制周期,從而為新型艦炮的研制、生產、使用、維修和保障奠定基礎。

由于艦炮機械結構復雜,在模塊劃分方法的適用性、產品族確定等方面還需進一步開展研究,以便后續開發出具有高度兼容性的“三化”設計方法,從而促進艦炮系列化的可持續發展。