模塊化設計的優(yōu)點、未來發(fā)展及雷達系統(tǒng)中的應用

模塊化設計作為一種新的設計理論和方法，自20世紀70年代在世界發(fā)達國家興起以來，已滲透到設計的方方面面。在國外，模塊與模塊化兩詞已作為現(xiàn)代軍事裝備的特征標志予以強調(diào)，并形成了理論分析、設計生產(chǎn)、試驗標準及規(guī)范等一套完整體系，取得了顯著的經(jīng)濟效益、軍事效益和社會效益，它為新形勢下多品種、小批量、需不斷改型列裝的軍事裝備的研制生產(chǎn)提供了一條嶄新的道路。

1 模塊化設計

模塊化設計與傳統(tǒng)的設計方法截然不同，它是統(tǒng)籌考慮產(chǎn)品系統(tǒng)，把其中含有相同或相似的功能單元分離出來，用標準化原理進行統(tǒng)一、歸并、簡化，以通用單元的形式獨立存在的一種機電一體化設計方法。這種方法應用于雷達系統(tǒng)的研制中，是一種新的嘗試。

1.1 模塊和模塊化的基本概念

模塊(Module)可定義為：組成系統(tǒng)(產(chǎn)品)的具有確定和獨立的功能、標準接口和互換性的通用的硬件和軟件單元。單元在狹義上可指組件或大部件，在廣義上可指大系統(tǒng)中的小系統(tǒng)。模塊是可以分解組合的，其大小是一個相對的，可因狀態(tài)條件、具體環(huán)境而定。模塊具有抽象性、獨立性、互換性和靈活性的特點，模塊一般制成現(xiàn)場可更換單元。

模塊化(Modularization)是一種設計方法，是一種新的標準化方法。模塊化屬于標準化范疇，模塊化設計是標準化原理在設計方而的具體應用。模塊化設計是以模塊的分解組合為基礎的，強調(diào)整個模塊的通用性和互換性的一種設計方法。在廣泛采用CAX技術的今天，它力求以最少的模塊組成盡可能多的產(chǎn)品，最大限度地滿足客戶需求。

1.2 模塊化設計思想

模塊化設計在指導思想上與傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計不同，模塊化設計是按照標準化原理和系統(tǒng)工程原理及方法采用頂層分析與底層需求相結(jié)合的設計方法，是一個白上而下的過程，合理劃分模塊、建立模塊體系是其設計的關鍵。在對設備的技術體制、性能指標、接口形式、用途及工作環(huán)境中有充分了解和對現(xiàn)有沒備及將要研制的新設備等進行分析、研究和綜合的基礎上，一方面改變傳統(tǒng)的設計方法，采用系統(tǒng)的觀念從系統(tǒng)頂層向底層將設備分解成不同等級的許多單元;另一方面從系統(tǒng)底層向頂層進行模塊需求分析，并按標準化原理對同類和相近設備進行對比、歸類，合理劃分模塊。然后，通過對同類和相近設備間的模塊進行橫向協(xié)調(diào)和綜合分析，找出其內(nèi)在聯(lián)系，按模塊層次結(jié)構(gòu)建立相應的模塊體系。按照模塊化設計方法，有這樣一個關系：新型模塊化設備=通用模塊(大量)+專用模塊(少量)+模塊連接器。這樣，模塊化設備的研制主要成為通用模塊的選用和少量專用模塊及模塊連接器的設計，設計人員只需了解通用模塊的接口關系，而不必從頭開始。這種設計模式大大簡化了設計程序，縮短了研制周期，從而為雷達系統(tǒng)的迅速研制、改型和列裝創(chuàng)造了極有利的條件。由于通用模塊是經(jīng)過大量試驗、使用后制成的，其質(zhì)量可靠，這樣，主要精力就可集中放在專用模塊的設計上，因而，設備的質(zhì)量容易保證，研制風險大大減小。由于設備是由模塊組裝而成，各模塊均設計有測試接口，便于檢測、維修，可實現(xiàn)設備的基層級維修。同內(nèi)外大量事實證明，采用模塊化設計方法能顯著縮短研制周期，降低研制成本，提高設備的可靠性和可維修性。

模塊化的電子設備是由電路功能模塊和機械結(jié)構(gòu)模塊結(jié)合而成的。由于電路決定雷達功能上的差異，是新產(chǎn)品中最活躍的因素，這使電路功能模塊的形成受到制約，但作為電路功能模塊載體的結(jié)構(gòu)模塊隨產(chǎn)品功能變化的因素較少，使其具備廣泛的通用性及獨立分解、重新組合的性能，從而實現(xiàn)工藝、工裝通用化的目的，進而大大提高電子設備的工作可靠性、降低研制成本、縮短研制周期，為武器裝備發(fā)展走基本型道路創(chuàng)造有利的條件。某型號雷達結(jié)構(gòu)總體即以結(jié)構(gòu)模塊獨立先行，以結(jié)構(gòu)模塊制約并推動電路模塊發(fā)展為總體設汁指導思想，系統(tǒng)全面地開展跟蹤制導雷達的研制工作。

1.3 模塊化設計的優(yōu)越性

(1)它成功地解決了所謂“多樣化的挑戰(zhàn)”為多樣化生產(chǎn)條件下的標準化開辟了一條新路。

(2)模塊化設計簡化了機型，結(jié)構(gòu)模塊化受“模數(shù)”制約，使整機統(tǒng)一了尺寸系列和安裝連接尺寸，提高生產(chǎn)效率，降低研制成本，提高雷達的可靠性。

(3)簡化設計，對以后雷達的改型，通過適量結(jié)構(gòu)模塊儲備，可縮短新品研制周期。

(4)提高雷達的有效度，只需修改雷達一些功能結(jié)構(gòu)模塊，就可組成新結(jié)構(gòu)雷達，使結(jié)構(gòu)零件、部件的有效度大大提高。

(5)模塊化設計是提高維修效率和質(zhì)量，降低對維修人員的技能要求及減少維修費用的有效途徑之一。

(6)結(jié)構(gòu)模塊的相對穩(wěn)定和階梯上升，使可靠性得到保證。

(7)縮短研制周期，降低了成本。根據(jù)部隊和總體實際要求，可使用標準化、系列化的通用雷達結(jié)構(gòu)模塊組件，來組裝各種結(jié)構(gòu)要求的雷達，而不是每次都重新設計和制造。由于簡化了設計、制造、裝配，縮短了研制周期，降低了雷達研制時間，生產(chǎn)成本，同時提高了功能模塊可靠性和可維修性，降低了運轉(zhuǎn)費用。

隨著電子技術、微電子技術、計算機技術、材料科學、電子組裝技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭已發(fā)展成為高科技的電子戰(zhàn)、信息戰(zhàn)，對雷達系統(tǒng)的要求也越來越多，越來越高，如多功能、高性能、通用化、智能化、小型輕量化、操作簡單化、維修快速化、外觀時尚化等等。如何滿足和適應現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要，實現(xiàn)上述設計的要求，是每個設計人員所面臨的新課題。很顯然，傳統(tǒng)的設計方法已不能滿足它的要求。很多專家認為：過去是價格的競爭，現(xiàn)存是質(zhì)量的競爭，將來是設計的競爭?？梢娫O計對設備的質(zhì)量以及競爭力是何等重要。為此，設計人員應加強相關知識的學習，積極跟蹤當今世界相關領域技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，更新設計理念，豐富業(yè)務知識，拓寬業(yè)務面，提高業(yè)務水平，從而提高設備的檔次和競爭力。

2 模塊化設計的適應性與遠景展望

傳統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)流程見圖1，不僅時間周期長，而且還要花費大量財力和人力，在今天激烈的市場競爭中已經(jīng)無法滿足客戶多變的需求。基于模塊庫的產(chǎn)品開發(fā)流程見圖2，無須一切冉從頭開始重新設計與制造，只要適當變換模塊重新組合，就能像搭積木那樣可以隨意快速地組合出一個新產(chǎn)品來，這將會使新產(chǎn)品研制周期和生產(chǎn)周期大大縮短，研制費用和生產(chǎn)費用大大降低，使雷達可靠性和可維修性上一個新臺階，為實現(xiàn)一機多型提供基本條件，增強產(chǎn)品的配套適應能力，進一步提高我國同防武器裝備的現(xiàn)代化水平。

模塊化是現(xiàn)代雷達系統(tǒng)發(fā)展的必由之路。任何系統(tǒng)都是由若干功能模塊，通過它們的共享的界面組合而成的。從這個意義上看，模塊化設計過程實際上就是在研究分析系統(tǒng)分解和組合特性的基礎上，使之不斷優(yōu)化的過程。因而，我們也深刻地認識到，只有不斷地加強對模塊化理論的理解深度，不斷地提高模塊化設計的運用技巧，不斷地解決結(jié)構(gòu)功能模塊對電路功能模塊的制約和解決發(fā)展過程中的各種矛盾，逐步建立實用的雷達系統(tǒng)模塊庫，才是真正實現(xiàn)雷達系統(tǒng)模塊化設計根本途徑。

3 雷達系統(tǒng)模塊劃分

雷達是多學科綜合的系統(tǒng)產(chǎn)品，按系統(tǒng)工程理論和方法，根據(jù)雷達系統(tǒng)的總目標、雷達電氣原理框圖及特定的環(huán)境條件，通過對系統(tǒng)的分解、組合特性的詳細分析，建立滿足系統(tǒng)模塊化設計需要的、可靠的系統(tǒng)宏模型(結(jié)構(gòu)框圖)用以指導分系統(tǒng)模塊的方案設計及技術設計。

不同用途的雷達，雖然特點各不相同，但是總體整機對分系統(tǒng)的要求則是基本相同的，這就是模塊化雷達的基礎。

3.1 雷達系統(tǒng)分解、組合原則

雷達系統(tǒng)模塊層次自下而上可以分為元件級、器件級、部件級、組件級和設備級，模塊層次越高其結(jié)構(gòu)也越復雜，完成的功能也越多，高層模塊可由低層模塊嵌套而成，為適應不同用途的需要，模塊可分為通用模塊、專用模塊和特種模塊。對于雷達系統(tǒng)我們采取了如下的分解、組合原則：

(1)以功能為核心進行分解，因為功能是構(gòu)成模塊的根據(jù)，也是系統(tǒng)分解和組合成整機的基礎。

(2)盡可能擴大采用通用要素，經(jīng)通用化處理后，便于形成獨立的模塊。

(3)充分掌握模塊內(nèi)聚集度最大而模塊間結(jié)合度最小原則進行系統(tǒng)分解。因為聚集度高，專業(yè)功能單一才可能形成一個模塊，便于設計、生產(chǎn)、調(diào)試、試驗和維護，而結(jié)合度弱，則可簡化電氣、結(jié)構(gòu)接口，便于系統(tǒng)的分解與組合。

(4)科學合理地處理模塊的層次、規(guī)模和數(shù)量的矛盾。模塊規(guī)模小，便于設計、生產(chǎn)、調(diào)試和修改，但必然帶來模塊數(shù)量多而不便于組合成整機的困難。反之，模塊規(guī)模過大，雖然便于系統(tǒng)的組合，但極易造成專業(yè)功能交叉而不便于獨立設計、調(diào)試、試驗和維護的矛盾。為此，我們可以采取單一結(jié)構(gòu)模塊與復合模塊并用的技術措施。復合模塊就是數(shù)量和規(guī)模適中的模塊集合而成的大模塊，直接參與雷達系統(tǒng)的組合。

3.2 模塊設計基本思路

(1)模塊具有相對獨立的特定功能，可以對模塊單獨進行設計、加工和儲備。

(2)模塊具有若干配合面，具有標準的結(jié)構(gòu)和電氣接口，單獨可以進行檢測。

(3)模塊具有互換性。模塊配合部位的結(jié)構(gòu)特征和尺寸公差嚴格執(zhí)行標準化。

(4)強電與強電放在一起，弱電與弱電放在一起。

3.3 雷達系統(tǒng)模塊的創(chuàng)建

根據(jù)雷達特點，我們將模塊化設計定在部件或組件級。模塊創(chuàng)建是雷達系統(tǒng)模塊化設計中的核心環(huán)節(jié)，其主要任務是設計出標準化、通用化、系列化的模塊，滿足產(chǎn)品的基型設計，在此基礎上進行變形設計及組合設計。

以模塊作為設計對象，按模塊化的思想，我們對產(chǎn)品構(gòu)成的認識將發(fā)生變化。按傳統(tǒng)的觀點，產(chǎn)品由部件組成，部件由零件組成。而按模塊化的觀點，產(chǎn)品由模塊組成，模塊是構(gòu)成產(chǎn)品的單元。

Pahl和Beitz將設計分為：原創(chuàng)性設計(Originaldesign)、適應性設計(Adaptive design)和變型設計(Variant design)三類。據(jù)此，本文將模塊化設計中的模塊創(chuàng)建也分為三類： (1)原創(chuàng)性模塊創(chuàng)建，(2)適應性模塊創(chuàng)建，(3)配置式模塊創(chuàng)建。模塊創(chuàng)建方案如圖3所示：

4 結(jié)束語

模塊化設計是一種全新的設計思想，其與現(xiàn)代生產(chǎn)敏捷化、集成化、柔性化及智能化相適應的，并且還有利于并行工程、系統(tǒng)工程等思想在設計、生產(chǎn)和管理中的應用。追求產(chǎn)品的模塊化設計是我們實現(xiàn)現(xiàn)代雷達設計努力的方向，目前我們?nèi)w設計人員正朝著實現(xiàn)這一宏偉目標一步一步前進，相信在不久的將來，我們的頻率綜合器，T/R組件，固態(tài)發(fā)射機，接收機，等分系統(tǒng)的設計不再是一部雷達一個要求，而是將已有的模塊拿來集成，屆時產(chǎn)品的設計效率、互換性、一致性、可靠性都將得到極大的提高。