艦炮“三化”設(shè)計(jì)方法與模塊劃分研究

王 鼎

(海軍裝備部,內(nèi)蒙古 包頭 014000)

0 引 言

通用化、系列化、組合化,簡(jiǎn)稱“三化”,是武器裝備標(biāo)準(zhǔn)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(guān)系。推行“三化”是發(fā)展武器裝備的一項(xiàng)基本原則,對(duì)發(fā)展武器裝備具有重要的作用和深遠(yuǎn)的意義[2-3]。從海上艦艇的作戰(zhàn)效能來(lái)說(shuō),艦炮的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛,因此成為當(dāng)代艦艇應(yīng)用與設(shè)計(jì)關(guān)注的熱點(diǎn)。

為了適應(yīng)現(xiàn)代武器的發(fā)展需求,需要更加多樣的艦炮系列產(chǎn)品。基礎(chǔ)型、改進(jìn)型等艦炮的設(shè)計(jì),著眼于“三化”設(shè)計(jì)原則,滿足了艦炮裝備多樣化、系統(tǒng)化的要求,有效降低了研制和生產(chǎn)費(fèi)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(xiàng)具有戰(zhàn)略意義的方法與技術(shù)手段。

國(guó)外關(guān)于艦炮的“三化”設(shè)計(jì)起步較早,最早起源于德國(guó)的MKO/FES艦設(shè)計(jì)思想,開發(fā)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(jié)構(gòu)尺寸; 意大利奧托76 mm艦炮、奧托127 mm艦炮和美國(guó)海軍AGS 155 mm艦炮等新型艦炮,都采用了模塊化設(shè)計(jì)思想,利用成熟的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)構(gòu)建了模塊化數(shù)據(jù),形成了模塊化的裝艦、供彈和控制等方面的設(shè)計(jì)和研究方法。國(guó)外針對(duì)艦炮“三化”設(shè)計(jì)和模塊化劃分已經(jīng)形成了規(guī)范化的研究方法。例如,美國(guó)提出的基于艦炮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的模塊化設(shè)計(jì)方法,有效地實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的分塊設(shè)計(jì),提高了設(shè)計(jì)效率; 德國(guó)提出的以艦炮功能為要素的模塊設(shè)計(jì)方法,對(duì)艦炮進(jìn)行了合理的“三化”設(shè)計(jì)和模塊化劃分,這有利于技術(shù)創(chuàng)新和縮短設(shè)計(jì)周期,并能提高艦炮的可靠性、機(jī)動(dòng)性和可維修性[4]。

現(xiàn)階段,國(guó)內(nèi)相關(guān)研究已經(jīng)對(duì)“三化”設(shè)計(jì)以及模塊劃分設(shè)計(jì)進(jìn)行了定性功能上的闡述,但僅從機(jī)械角度進(jìn)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(gòu)等方面,工作量十分巨大且劃分困難。同時(shí),國(guó)內(nèi)針對(duì)艦炮模塊劃分的方法仍處于粗放狀態(tài),沒(méi)有形成統(tǒng)一的“三化”設(shè)計(jì)和模塊劃分方法?！叭苯ㄔO(shè)需要相應(yīng)的信息化與之相匹配,國(guó)內(nèi)艦炮信息化的條件還未完全滿足,難以形成統(tǒng)一的軍用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。艦炮“三化”設(shè)計(jì)模式為新型號(hào)設(shè)計(jì)提供的技術(shù)支持與國(guó)外還存在較大差距,在一定程度上影響了設(shè)計(jì)周期。為此,開展艦炮“三化”設(shè)計(jì)與模塊劃分[5-6]研究對(duì)艦炮武器裝備的研制與發(fā)展具有重要的意義。

本文著眼于艦炮系列發(fā)展的要求,提出艦炮產(chǎn)品“三化”設(shè)計(jì)的整體思路,構(gòu)建出基于相似性的模塊分級(jí)與匹配的框架結(jié)構(gòu),從而滿足多個(gè)分級(jí)模塊在不同型號(hào)上的設(shè)計(jì)要求,可以為艦炮模塊化數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。

1 艦炮產(chǎn)品“三化”的特點(diǎn)

大力推動(dòng)模塊化設(shè)計(jì),盡量減少系統(tǒng)、分系統(tǒng)和設(shè)備之間接口的種類、形式和規(guī)格,實(shí)現(xiàn)接口的一致性,確保艦炮各單元功能模塊具有機(jī)械互換性、電氣互換性,是今后艦炮設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)形式差別較大,機(jī)械部分模塊化程度較低,各部分之間的配合關(guān)系較復(fù)雜,使機(jī)械部分相關(guān)機(jī)械組件間實(shí)現(xiàn)組合化存在一定的難度,設(shè)計(jì)者可選擇的范圍較小,實(shí)現(xiàn)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(gòu)、模塊劃分等方面。

2 艦炮“三化”設(shè)計(jì)的總體方案

針對(duì)艦炮產(chǎn)品復(fù)雜的特點(diǎn),需以“三化”設(shè)計(jì)方法、信息標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一制定、技術(shù)指標(biāo)優(yōu)化配置、數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理和模塊化接口規(guī)范技術(shù)為突破,構(gòu)建艦炮“三化”設(shè)計(jì)的總體框架。通過(guò)對(duì)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?jǐn)?shù)據(jù)模塊,優(yōu)化配置指標(biāo); 通過(guò)研究模塊與模塊間接口的通用性,完成“三化”技術(shù)下資源數(shù)據(jù)庫(kù)的管理,形成適應(yīng)艦炮產(chǎn)品的“三化”設(shè)計(jì)框架。艦炮“三化”總體設(shè)計(jì)的框架思路如圖1 所示。

圖1 艦炮“三化”設(shè)計(jì)思路

3 面向艦炮“三化”技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法

3.1 模塊劃分思路與方法

面向艦炮全壽命周期內(nèi)的“三化”設(shè)計(jì),以模塊化設(shè)計(jì)為主,涵蓋通用化和系列化設(shè)計(jì)方法。模塊化可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品族分類,通過(guò)規(guī)劃組合模塊可以形成不同的系列化產(chǎn)品。為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的模塊化開發(fā)與設(shè)計(jì),須對(duì)整個(gè)艦炮產(chǎn)品族進(jìn)行分類,從而快速識(shí)別處于不同產(chǎn)品的模塊化結(jié)構(gòu)單元。根據(jù)艦炮獨(dú)有的特征,本文設(shè)計(jì)了一種基于相似性的模塊分級(jí)與匹配框架結(jié)構(gòu),如圖2 所示。其總體思想為:基于產(chǎn)品系列化要求,構(gòu)建適合艦炮特點(diǎn)的系列化型譜集合,利用模塊分級(jí)技術(shù)定義不同集合的變量元素,實(shí)現(xiàn)模塊變量信息的快速識(shí)別與分類。

圖2 基于相似性的模塊分級(jí)與匹配框架結(jié)構(gòu)

基于相似性的模塊劃分方法,通過(guò)確定艦炮產(chǎn)品模塊劃分的范圍,對(duì)產(chǎn)品族進(jìn)行分解,形成一系列的單元族,建立每一個(gè)單元族相關(guān)矩陣,通過(guò)計(jì)算得到單元族模塊信息。通過(guò)對(duì)不同模塊進(jìn)行分級(jí),制定出型號(hào)的參數(shù)化的系列型譜,完成艦炮產(chǎn)品族的系列化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。利用相似性原理評(píng)價(jià)艦炮的“三化”設(shè)計(jì)情況,在基本型產(chǎn)品基礎(chǔ)上衍生、匹配出擴(kuò)展系列的艦炮產(chǎn)品。這種模塊劃分方法構(gòu)建起了艦炮的模塊化結(jié)構(gòu)體系,為建立模塊數(shù)據(jù)庫(kù)奠定了基礎(chǔ)。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(jì)算十分重要。因此,本文根據(jù)相似模塊劃分計(jì)算流程來(lái)完成聚類計(jì)算,形成譜系聚類圖,最大程度地建立起整個(gè)產(chǎn)品的單元族,構(gòu)造出符合要求的譜系結(jié)構(gòu),并實(shí)現(xiàn)艦炮產(chǎn)品的功能特征、結(jié)構(gòu)特征、管理特征、技術(shù)特征、材料特征、精度特征、接合特征等指標(biāo)的定義。具體數(shù)學(xué)模型為:

假設(shè)有m個(gè)模塊變量參數(shù)的數(shù)據(jù)為:xi={xi1,xi2,…,xij}T,i=1,2,…,m; 把每個(gè)模塊變量當(dāng)作j空間內(nèi)的m個(gè)點(diǎn),用每個(gè)點(diǎn)的距離值的大小來(lái)反映不同變量間的相似程度[8]。d(xi,xj)為兩個(gè)變量點(diǎn)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(shí),xi=xj;

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

3)d(xi,xj)≤d(xi,xk)+d(xk,xi)。

采用式(1)對(duì)變量點(diǎn)進(jìn)行距離聚類計(jì)算。

(1)

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

(2)

譜系計(jì)算[9]的整個(gè)過(guò)程如下:

1) 將N個(gè)變量參數(shù)劃分為N個(gè)類,計(jì)算不同類的兩兩距離后,構(gòu)建成一個(gè)對(duì)稱判別矩陣D(0)n×n;

2) 定義判別矩陣D(0)n×n上非對(duì)角線的最小元素為Dpq,其中Gp={xp}和Gq={xq}為2個(gè)聚類,兩者組合成一個(gè)新的聚類Gr={Gp,Gq},在對(duì)稱矩陣上消去Gp,Gq所對(duì)應(yīng)的行和列,加入Gr和其他沒(méi)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(fù)步驟2,得到D(2)(n-2)×(n-2),再次重復(fù),直至n個(gè)變量全部聚合成一個(gè)大類;

4) 聚類合并的過(guò)程中,聚類每個(gè)變量的編號(hào)和距離,得到模塊劃分的個(gè)數(shù),即為聚類個(gè)數(shù)。

在不同集合變量間定義相似度,用其表示變量參數(shù)間的相似程度,關(guān)系緊密的類聚集作為一個(gè)很小的分類單位,然后逐漸擴(kuò)展到關(guān)系較遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)艦炮系列發(fā)展。

3.2 模塊化產(chǎn)品配置方法

艦炮模塊化設(shè)計(jì)通過(guò)改變機(jī)型模塊結(jié)構(gòu)、尺寸或者性能參數(shù),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(duì)艦炮產(chǎn)品族具備大量的模塊庫(kù)的情形,采取模塊族模型的方法實(shí)現(xiàn)從模塊到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化。在模塊配置前,根據(jù)艦炮產(chǎn)品特征參數(shù)的集合設(shè)定特征參數(shù)值。該特征參數(shù)向模塊族特征參數(shù)映射的過(guò)程采用知識(shí)推理方式來(lái)完成,知識(shí)表達(dá)采用產(chǎn)生式規(guī)則來(lái)完成,最終將模塊族BOM結(jié)構(gòu)信息與模塊族特征參數(shù)相互映射。隨著產(chǎn)品的不斷改進(jìn),產(chǎn)品的模塊族模型信息隨之發(fā)生變化,并不斷地更新和修正映射庫(kù)。模塊庫(kù)映射到實(shí)例化產(chǎn)品后,通過(guò)相似度計(jì)算算法來(lái)評(píng)價(jià)實(shí)際產(chǎn)品與模塊庫(kù)的相似程度。模塊化產(chǎn)品配置框架結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 模塊化產(chǎn)品配置框圖

3.3 “三化”數(shù)據(jù)資源知識(shí)庫(kù)框架結(jié)構(gòu)

艦炮“三化”數(shù)據(jù)資源數(shù)據(jù)庫(kù)包括“三化”技術(shù)思想、方法、途徑、原則和要求,以及各種產(chǎn)品分類標(biāo)準(zhǔn)、模塊分類標(biāo)準(zhǔn)、接口分類標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品開發(fā)通用規(guī)范等技術(shù)文檔資料和完善的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理方法[10]。通過(guò)開展艦炮通用化、系列化以及模塊化數(shù)據(jù)信息收集,規(guī)范設(shè)計(jì)圖紙與文件,以“三化”數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)開展新型艦炮產(chǎn)品的研制工作,從而滿足新型號(hào)的需求。構(gòu)建艦炮“三化”數(shù)據(jù)知識(shí)庫(kù)框架,將艦炮知識(shí)庫(kù)與定義的本體庫(kù)、規(guī)則庫(kù)、語(yǔ)義關(guān)系庫(kù)等相關(guān)聯(lián),采取半結(jié)構(gòu)文本知識(shí)方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取,數(shù)據(jù)模型采取基于語(yǔ)義標(biāo)注的方法完成知識(shí)關(guān)聯(lián)。艦炮“三化”數(shù)據(jù)資源知識(shí)庫(kù)的框架結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 艦炮“三化”數(shù)據(jù)資源知識(shí)庫(kù)的框架結(jié)構(gòu)

4 艦炮模塊劃分應(yīng)用過(guò)程

在面向艦炮“三化”設(shè)計(jì)技術(shù)資源數(shù)據(jù)管理庫(kù)、參數(shù)化零部件模塊庫(kù)、基本信息產(chǎn)品型號(hào)庫(kù)等單元庫(kù)的基礎(chǔ)上,建立起整個(gè)零部件譜系表,以實(shí)現(xiàn)對(duì)艦炮的“三化”數(shù)據(jù)的管理。定義通用結(jié)構(gòu)模塊接口的模塊接口特征參數(shù),以構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化接口庫(kù)。

艦炮模塊化采取自上而下的方式完成新產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計(jì)工作。為了實(shí)現(xiàn)艦炮模塊化劃分,定義系列化和模塊化的主產(chǎn)品結(jié)構(gòu),構(gòu)建起整個(gè)系統(tǒng)模塊的框架結(jié)構(gòu),控制接口傳遞參數(shù),形成艦炮產(chǎn)品的系列化和模塊化裝配方案?；谙嗨颇K庫(kù)的“三化”設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案如圖6 所示。

圖6 艦炮模塊化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)流程

5 模塊劃分方法應(yīng)用驗(yàn)證

為了驗(yàn)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(jī)構(gòu)作為驗(yàn)證對(duì)象進(jìn)行驗(yàn)證。首先,將卡鎖的結(jié)構(gòu)形式、質(zhì)量、主體尺寸作為指標(biāo)信息,具體數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 卡鎖機(jī)構(gòu)指標(biāo)信息

根據(jù)圖3 以及聚類計(jì)算方法,將15個(gè)數(shù)據(jù)看成一類,直到計(jì)算得到15個(gè)樣品聚合到一個(gè)大類為止。聚類合并的過(guò)程中,記錄所有合并樣品的編號(hào)和兩類合并的水平,得到表2 所示的最短距離法的聚類過(guò)程結(jié)果。

表2 最短距離方法聚類過(guò)程結(jié)果

根據(jù)結(jié)果可以看出,在考慮結(jié)構(gòu)形式的前提下,確定了分組的水平和組數(shù)分別為5,8,9/15,7,4/13,1/14,3,6/12,10/11/2,驗(yàn)證了模塊劃分算法的有效性。計(jì)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(jù)卡鎖模塊劃分結(jié)果,結(jié)合艦炮模塊化產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)流程(見圖6),定義不同模塊的主要特征值,在新型艦炮設(shè)計(jì)流程中,選擇相應(yīng)模塊進(jìn)行特征映射或者參數(shù)更新,從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)艦炮的系列化發(fā)展。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文提出的基于相似性的模塊分級(jí)與匹配的框架結(jié)構(gòu)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(shí)用性。將知識(shí)管理與艦炮模塊化設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合,可以達(dá)到知識(shí)重用、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)共享的目的,推動(dòng)艦炮系列化發(fā)展,縮短整個(gè)艦炮研制周期,從而為新型艦炮的研制、生產(chǎn)、使用、維修和保障奠定基礎(chǔ)。

由于艦炮機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在模塊劃分方法的適用性、產(chǎn)品族確定等方面還需進(jìn)一步開展研究,以便后續(xù)開發(fā)出具有高度兼容性的“三化”設(shè)計(jì)方法,從而促進(jìn)艦炮系列化的可持續(xù)發(fā)展。