詹曉宇，王忠喜，劉 穎

（南通愛德普船舶科技有限責(zé)任公司，江蘇 南通 226004）

1 研究背景

船舶建造的模塊化概念始于二戰(zhàn)期間美國的大規(guī)模造船，當(dāng)時(shí)擁有160 多萬造船工人的美國建造了1 768 艘之多的軍用艦船。大量標(biāo)準(zhǔn)化船的建造促進(jìn)了焊接技術(shù)和分段建造技術(shù)的發(fā)展，而這些技術(shù)又在20 世紀(jì)50 年代由日本造船業(yè)加以發(fā)展，60 年代則結(jié)合了成組技術(shù)產(chǎn)生了今天模塊化建造技術(shù)的雛形。1971 年，前蘇聯(lián)正式提出了模塊化造船方法，于1977 年用此方法建造了10 萬t 級(jí)的“鮑里斯-布托瑪”礦油兩用船，如圖1 所示，該船由馬里蘭州的伯利恒-法菲爾德船廠建造，從鋪設(shè)龍骨到下水僅用時(shí)24 d。隨后美國開始研究模塊化造船方法并開始組織生產(chǎn)，到70 年代末，美國的模塊化造船思想更趨成熟。

圖1 俄制“鮑里斯-布托瑪號(hào)”礦油兩用船

20 世紀(jì)70 年代中期，德國B&V 公司通過模塊化設(shè)計(jì)創(chuàng)造了MEKO 型護(hù)衛(wèi)艦，如圖2 所示。它的核心是標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，針對不同用戶的性能需求和成本限制來更換和增減不同的功能模塊，因此具有適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)可靠、建造周期短和費(fèi)用低廉的顯著優(yōu)點(diǎn)，為世界海軍艦艇建造開創(chuàng)了新的模式。

圖2 德制MEKO 型護(hù)衛(wèi)艦

20 世紀(jì)80 年代中期，中國造船業(yè)順利引入了模塊化生產(chǎn)設(shè)計(jì)造船，開始了模塊化技術(shù)的研究和探索，由于模塊化設(shè)計(jì)造船具有明顯的優(yōu)越性而表現(xiàn)出強(qiáng)大生命力，從長遠(yuǎn)來看，它的推廣和逐漸完善無疑將帶來造船工業(yè)的一場革命。

與模塊化建造方法帶來的收益一樣，模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展也同樣給造船業(yè)帶來了巨大收益，降低設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)周期，使個(gè)性化和系列化產(chǎn)品之間的維護(hù)、更新、回收和設(shè)計(jì)再造都變得更加方便。船舶模塊化設(shè)計(jì)建造技術(shù)能夠保證設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單、功能齊全、目標(biāo)多樣、便于制造等優(yōu)點(diǎn)，通過對船舶動(dòng)力廢氣脫硫處理系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，將實(shí)現(xiàn)不同級(jí)別/等級(jí)船舶的快速設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化應(yīng)用，因?yàn)檫@些模塊具有可選性部件，所以針對船東的要求可以進(jìn)行隨時(shí)更改與優(yōu)化，并且還可以改變模塊與船體之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，同時(shí)也能夠加強(qiáng)船舶制造的個(gè)性化與系列化，更加有助于船舶的維護(hù)、更新、回收以及設(shè)計(jì)。

2 模塊化簡介

模塊化是一種新的設(shè)計(jì)方法，旨在幫助人們將復(fù)雜的系統(tǒng)簡化，然后根據(jù)技術(shù)將各個(gè)小系統(tǒng)聯(lián)系起來，最終完成船舶脫硫模塊化的設(shè)計(jì)和建造。脫硫模塊化設(shè)計(jì)改造中的地中海MSC 利沃諾集裝箱船如圖3 所示。模塊化的系統(tǒng)理論要求在建造設(shè)計(jì)過程中，須把各種部件視為一個(gè)系統(tǒng)并深入了解各個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，找尋各個(gè)系統(tǒng)之間、系統(tǒng)與環(huán)境之間、要素與系統(tǒng)之間的關(guān)系，從而找到優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有效方法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的和諧統(tǒng)一，同時(shí)能夠有效地降低設(shè)計(jì)成本，減少船舶改裝制造周期，為船舶制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來非?？捎^的經(jīng)濟(jì)收益。

圖3 脫硫模塊化設(shè)計(jì)改造中的地中海MSC 利沃諾集裝箱船

模塊是一個(gè)相對獨(dú)立的整體，但并不是一成不變，船舶設(shè)計(jì)師要善于利用模塊的特性從開始就關(guān)注和參與模塊的選型，主動(dòng)向廠商提供設(shè)計(jì)的背景材料并提出具體設(shè)計(jì)要求，同時(shí)在審閱模塊認(rèn)可圖紙時(shí)提出必要的個(gè)性意見，時(shí)刻關(guān)注與參與模塊的設(shè)計(jì)，以便在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中充分利用好模塊的所有優(yōu)點(diǎn)；在進(jìn)行船舶設(shè)備制造時(shí)，要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案的要求和每個(gè)模塊的建設(shè)特點(diǎn)，進(jìn)行具體的操作。如果在進(jìn)行模塊化制造的同時(shí)存在與設(shè)計(jì)方案不相符的地方，必須及時(shí)與設(shè)計(jì)人員進(jìn)行溝通與交流，避免最終制造出來的船舶設(shè)備在應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重質(zhì)量問題；企業(yè)也應(yīng)該聘請更加專業(yè)的人員做好制造現(xiàn)場的技術(shù)指導(dǎo)，確保每個(gè)模塊的建設(shè)質(zhì)量能夠符合模塊化設(shè)計(jì)方案的要求，這樣才能保證最終制造出來的船舶設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用時(shí)具備更加完善的功能，同時(shí)為企業(yè)與社會(huì)帶來更多的經(jīng)濟(jì)效益。

3 研究與開發(fā)

船舶脫硫系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)和建造的首要問題就是所涉及的對象較為復(fù)雜，廢氣洗滌系統(tǒng)布置范圍較廣且體積龐大，包括了多個(gè)平臺(tái)和功能模塊，船舶的規(guī)模越大，其系統(tǒng)也越復(fù)雜，給安裝設(shè)計(jì)帶來不小的困難，要達(dá)到模塊化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，就必須合理地對頂層進(jìn)行規(guī)劃。目前中國船舶的建造研究的主線還在縱向方面，即針對不同型號(hào)的產(chǎn)品來設(shè)計(jì)研發(fā)，而模塊化生產(chǎn)的前提是跨型號(hào)的橫向產(chǎn)品開發(fā)和研制，所以要先制定模塊化體系，然后針對不同的產(chǎn)品類系進(jìn)行研究和開發(fā)，逐步完善各個(gè)功能系統(tǒng)、裝配對象生產(chǎn)模塊化部件，并最終在生產(chǎn)體系中推廣，這樣才能保證船舶設(shè)計(jì)建造的模塊化得以實(shí)施，同時(shí)也可以保證對新船型的研發(fā)和生產(chǎn)。

整個(gè)模塊化生產(chǎn)的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)具備必要的先進(jìn)性，即在較長時(shí)間內(nèi)應(yīng)保持穩(wěn)定，所有模塊的設(shè)計(jì)都應(yīng)當(dāng)符合某一個(gè)系列的船舶長期應(yīng)用，進(jìn)而使之得到推廣，并在典型化界面上保有一定的余量，提高其發(fā)展適應(yīng)性。另外，在設(shè)計(jì)的過程中盡量借鑒國外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，少走彎路，此時(shí)并不是直接照搬經(jīng)驗(yàn)而是應(yīng)進(jìn)行消化和理解，力求建立一套設(shè)計(jì)和制造符合中國國情并可以與國際接軌的模塊開發(fā)體系，用以支持實(shí)際生產(chǎn)的發(fā)展需要。

其設(shè)計(jì)主要步驟如下。

第一步，獲取用戶需求。主要負(fù)責(zé)和外界客戶的交流，獲取客戶的需求信息，并對獲得的需求信息進(jìn)行整理、分析和綜合，生成能反映客戶的真實(shí)想法且格式規(guī)范的客戶需求集。

第二步，匹配設(shè)計(jì)實(shí)例。系統(tǒng)根據(jù)格式規(guī)范的需求集，首先查找產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫，計(jì)算各客戶需求向和產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫中提供的擠出產(chǎn)品的對應(yīng)項(xiàng)的相似度，從而找到相似度最大的基礎(chǔ)產(chǎn)品。如果滿足當(dāng)前需求，則可以直接反饋給客戶；如果某些特殊要求不能滿足，則通過替換或增添模塊來完成當(dāng)前項(xiàng)的特殊要求。

第三步，功能分解。如果沒有獲得滿意的相似設(shè)計(jì)實(shí)例，在產(chǎn)品客戶需求建立的基礎(chǔ)上，將客戶需求轉(zhuǎn)化為總功能需求，同時(shí)將總功能逐級(jí)分解為子功能，獲得功能結(jié)構(gòu)圖然后進(jìn)行功能求解，此過程中需要設(shè)計(jì)知識(shí)和設(shè)計(jì)規(guī)則的支持，因此要建立設(shè)計(jì)知識(shí)庫、數(shù)據(jù)庫等作為設(shè)計(jì)的支撐。

第四步，模塊配置。可以通過兩種驅(qū)動(dòng)方法來進(jìn)行模塊配置：需求驅(qū)動(dòng)和功能驅(qū)動(dòng)，利用數(shù)據(jù)庫中的配置規(guī)則和約束條件，遵循產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)方案，從對應(yīng)的各類模塊中進(jìn)行選取與組合；如果結(jié)構(gòu)模塊數(shù)據(jù)庫中現(xiàn)有的模塊不能滿足某些功能需求，則要根據(jù)這些模塊信息進(jìn)行虛擬模塊的設(shè)計(jì)，并將這個(gè)結(jié)果存入結(jié)構(gòu)模塊數(shù)據(jù)庫。

第五步，方案評(píng)估。即對所獲得的若干個(gè)可行方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，選出最優(yōu)方案作為產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的最終方案進(jìn)行提交。

第六步，輸出結(jié)果，同時(shí)存入產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫，這也是概念設(shè)計(jì)的最后一步，將滿足用戶需求的最優(yōu)方案輸出，以供審查、分析和反饋，同時(shí)將此方案最新的實(shí)例加入產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫中，以便保留設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

以上6 個(gè)設(shè)計(jì)過程不是相互獨(dú)立的，而是互相關(guān)聯(lián)的一個(gè)有機(jī)的整體。用戶需求的獲得與處理是設(shè)計(jì)的第一步，同時(shí)也是后續(xù)所有階段的前提；功能分級(jí)必須依賴于所獲得的信息和專家的設(shè)計(jì)知識(shí)與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)；模塊配置是在前兩個(gè)階段的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，且模塊配置過程同時(shí)又影響著產(chǎn)品的總功能的分解方式；方案的評(píng)價(jià)則是對產(chǎn)生的后續(xù)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，如符合要求則輸出滿意方案，否則根據(jù)方案評(píng)價(jià)信息重新進(jìn)行功能分解、模塊配置和方案評(píng)價(jià)，直至得出復(fù)合設(shè)計(jì)要求的設(shè)計(jì)方案。因此，可以看出流程開始于用戶需求的獲取，終止于方案的客戶端輸出，從而保證了客戶需求的準(zhǔn)確表達(dá)。

4 注意事項(xiàng)

模塊化船舶產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本原則與一般產(chǎn)品的設(shè)計(jì)大體相同，總體來說就是船舶產(chǎn)品的組成、結(jié)構(gòu)布局、產(chǎn)品的各組成部分的功能、接口關(guān)系及要求等，關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)有效的模塊化設(shè)計(jì)，所以不僅需要從整體系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，更要從建造的觀點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行提前設(shè)計(jì)，在應(yīng)用時(shí)需注意以下幾個(gè)方面：①堅(jiān)持以型號(hào)之間通用化和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案為基礎(chǔ)，建立船舶脫硫系統(tǒng)模塊的成套設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)文件。②為了在脫硫系統(tǒng)實(shí)踐中廣泛地采用模塊化設(shè)計(jì)，就必須建立標(biāo)準(zhǔn)的、典型的模塊系列。③在選擇模型種類時(shí)，應(yīng)遵循相關(guān)規(guī)定，即在基本型模型基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的船舶系列，應(yīng)在船體結(jié)構(gòu)和安裝、裝配單元的基礎(chǔ)上，統(tǒng)一技術(shù)措施和共用性，保證建立結(jié)構(gòu)模塊和技術(shù)模塊的標(biāo)準(zhǔn)尺寸系列；在多用途平臺(tái)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的單元系列，應(yīng)根據(jù)完工組合體和相關(guān)配套設(shè)備來統(tǒng)一技術(shù)，以保證功能模塊的建立及尺寸系列的完善；在綜合基本型模塊基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的船舶系列，應(yīng)當(dāng)統(tǒng)一技術(shù)措施的共用性，以保證建立典型和標(biāo)準(zhǔn)的功能性總體模塊。

5 優(yōu)點(diǎn)

隨著越來越多的航運(yùn)公司選擇對已有和新造船只加裝脫硫設(shè)備來控制污染排放，從而使船舶的脫硫模塊化設(shè)計(jì)成為了一種高效的解決途徑，模塊化產(chǎn)品也可以被廣泛地應(yīng)用，從而提高修造船效率。模塊化設(shè)計(jì)的核心思想是將產(chǎn)品進(jìn)行模塊劃分后，通過對某些模塊進(jìn)行重新設(shè)計(jì)或變形設(shè)計(jì)得到新的產(chǎn)品，以滿足客戶對產(chǎn)品個(gè)性化的需求，非常側(cè)重于實(shí)用功能，尤其是對某一特定類型的產(chǎn)品，它的使用范圍是非常廣泛的，隨著產(chǎn)品個(gè)性化和大規(guī)模定制模式的興起，模塊化設(shè)計(jì)已成為實(shí)現(xiàn)多樣化和快速設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。船舶配套設(shè)備的模塊化設(shè)計(jì)還是一種進(jìn)行分類組合的設(shè)計(jì)。它非常特殊，主要強(qiáng)調(diào)的是一種整體的思想，并且注重內(nèi)部的配合和協(xié)調(diào)，通過各種組合來滿足多樣需求，具有很大的靈活性。模塊化設(shè)計(jì)更應(yīng)該注重設(shè)計(jì)，不僅是對船舶的本身，更應(yīng)該對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行一個(gè)完全的升級(jí)，達(dá)到更多的組合，在降低產(chǎn)品開發(fā)成本、縮短建造周期的同時(shí)，也能滿足客戶的個(gè)性化需求。此外模塊化設(shè)計(jì)既能便于船舶脫硫設(shè)備與系統(tǒng)的操作與維護(hù)管理，又利于船舶功能的日后修復(fù)與改裝，大大提高了船舶產(chǎn)品整個(gè)生命周期的經(jīng)濟(jì)性。目前，模塊化技術(shù)得到了廣泛的研究，為全球造船業(yè)爭相開發(fā)應(yīng)用。

6 結(jié)論

綜上所述，模塊化技術(shù)在造船業(yè)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，無論在軍艦制造還是民船研究方面都有了很大的突破。模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)也已成為船舶脫硫設(shè)計(jì)建造的一把利器，面對目前船舶設(shè)計(jì)建造并行工程技術(shù)的應(yīng)用，相應(yīng)模塊化設(shè)計(jì)除對產(chǎn)品本身的設(shè)計(jì)資源分析形成產(chǎn)品模塊以外，還需針對船舶產(chǎn)品的復(fù)雜性及其相應(yīng)的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行必要的分析，從而提高設(shè)計(jì)效率的目標(biāo)，具備更加優(yōu)越的性能并發(fā)揮更大的作用，最終實(shí)現(xiàn)模塊系統(tǒng)閉環(huán)結(jié)構(gòu)，形成持續(xù)優(yōu)化模塊系統(tǒng)的良性循環(huán)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)各階段產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換的現(xiàn)實(shí)需求。企業(yè)在進(jìn)行船舶配套設(shè)備生產(chǎn)制造時(shí)，還可以借鑒一些成功的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)自身的生產(chǎn)現(xiàn)狀對于生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行改善和優(yōu)化，使得生產(chǎn)出來的產(chǎn)品設(shè)備在應(yīng)用時(shí)能夠發(fā)揮更大的價(jià)值，為船舶制造行業(yè)帶來更多的綜合效益。在這種大發(fā)展趨勢環(huán)境下還需加大引進(jìn)和學(xué)習(xí)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、人工智能等技術(shù)，同時(shí)深入研究科學(xué)的生產(chǎn)管理方法，這對未來提升中國的造船水平都具有重要的意義。