科學考察船模塊化實驗室的可行性分析

1、科學考察船模塊化實驗室的可行性分析閆秋蓮、楊啟（上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海 200030）摘要：基于模塊化的差不多概念，本文依照國內科學考察船實驗室的特點，分析了科學考察船實驗室模塊化設計的可行性。從設計實現(xiàn)上講，科學考察船實驗室能夠做成模塊化形式，與船體甲板采取活絡聯(lián)接。從設計思路上講，模塊化實驗室設計要緊考慮模塊的結構、功能。按照標準化原則模塊具備標準化、通用化特征，模塊界面接口有統(tǒng)一的標準形式。從設計經(jīng)驗上講，國內外集裝箱式模塊系統(tǒng)廣泛應用于艦船的建筑中，同時，醫(yī)療集裝箱模塊系統(tǒng)也得到了應用。由此分析科學考察船實驗室實施模塊化是可行的。關鍵詞：模塊化；科學考察船；模塊化實驗

2、室；界面接口中圖分類號： U663 A Research of Feasibility on Laboratory Modularization of the Research VesselYan Qiulian，Yang Qi(School of Naval Architecture and Civil Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030)Abstract: According to the features of domestic research vessel, this paper has investi

3、gated the feasibility of the research vessels laboratory modularization design based on the basic concept of modularization. In point of realization, the research vessel laboratory can be formed by modularization, which is connected to the hull deck by the detachable joint. With regard to considerat

4、ion, the main idea of modular laboratory design is modulated structures and functions. According to those principles of standardization, the modules are characterized by their standardization, universality, and uniform form of the module interfaces. In the matter of experience, the domestic and fore

5、ign container module systems are widely applied in the ships construction, moreover, the module systems on medical container are playing roles in application. As a conclusion, the implementation of modularization on the research vessel laboratory is feasible.Key words: modularization, research vesse

6、l, modular laboratory, interface 1模塊化設計的概念（1）模塊的概念及特點“模塊”1是指可組合成系統(tǒng)的，具有某種確定功能和接口結構的、典型的通用獨立單元。模塊具有以下三個方面的特點2：（1）獨立性：具有獨立的功能和結構，能夠進行單獨的設計、運轉或測試、制造、儲備，可作為商品流通市場；（2）通用性：具有廣泛的功能和結構覆蓋性，能夠為構造多樣化的系統(tǒng)提供功能或結構組件，從而構造出多樣化的系統(tǒng)。（3）組合性：具有標準的功能和結構接口，通過簡單的連接形式實現(xiàn)與系統(tǒng)成員的結構與功能集成，構造成新的功能和結構；也能夠通過簡單的逆過程把模塊從系統(tǒng)中分解出來。（2）模塊化的概念

7、所謂“模塊化”1，確實是為了取得最佳效益，從系統(tǒng)觀點動身，研究產(chǎn)品（或系統(tǒng)）的構成形式，用分解和組合的方法，建立模塊體系，并運用模塊組合成產(chǎn)品（或系統(tǒng)）的全過程。模塊化作為一種過程或方法，有兩層含義，即模塊的形成和用模塊構造系統(tǒng)，以及模塊的分解和模塊的組合2。A模塊的分解：對一定范圍內的系統(tǒng)功能總需求分析、分解和分割，按照獨立性、通用性和組合性的原則進行功能和結構重組，形成一系列通用模塊或標準模塊，即模塊型譜。B模塊的組合：從模塊型譜中選取相應的模塊并補充新設計的專用模塊和零部件一起進行相應的組合，以構成滿足各種不同需要的系統(tǒng)。模塊化具體操作過程是：對一定范圍內的系統(tǒng)進行功能的分解，然后，按照

8、“高內聚、低耦合”的原則，實現(xiàn)功能與結構高度內聚和與外界功能與結構關系度低耦合，即把為實現(xiàn)某種功能的有關要素與要素之間的關系在結構上“封裝”起來，形成一個“箱裝體”式的整裝單元，此為高內聚；單元與外界的聯(lián)系只留下信息、能量和結構的接口，并將這些接口進行標準化的處理，從而實現(xiàn)與外界關系的標準化，此為“低耦合”。2國內外模塊化的進展隨著模塊化技術的形成和集裝箱運輸?shù)倪M展，國內模塊化廣泛應用于艦船的建筑中，同時，醫(yī)療模塊系統(tǒng)也得到了應用。在20世紀80年代，我國海軍曾經(jīng)開展“花園口”型滾裝船改裝為醫(yī)院船的研究3。1996年底我國海軍研制成功了“船用醫(yī)療模塊系統(tǒng)裝備”，按照82艦及集裝箱運輸船甲板條件

9、，利用國際標準通用固定件，連接水氣電后構成了一個功能完整的船載醫(yī)療系統(tǒng)。平常用于海上醫(yī)療訓練及突發(fā)事件醫(yī)療保障，戰(zhàn)時依照需要復制病房模塊和部分功能模塊，組成模塊化醫(yī)療船。船用醫(yī)療集裝箱模塊交付部隊使用后，通過裝艦、吊裝、運輸和多次隨著82艦出海執(zhí)行任務，通過實踐證明總體性能穩(wěn)定可靠4。國外在艦艇和醫(yī)院船的建筑中模塊單元得到了應用，并發(fā)揮了快捷經(jīng)濟的效果。模塊化造船的概念萌芽于二戰(zhàn)期間的美國大量造船年代，形成于60年代日本造船工業(yè)興盛時期，在國外，模塊化作為現(xiàn)代艦船建筑方法差不多成為一種趨勢。集裝箱式模塊化的應用要緊表現(xiàn)在艦船的武器、電子設備、通信、雷達等系統(tǒng)的功能模塊設計，采納標準尺寸和接口，

10、實現(xiàn)設備、系統(tǒng)的模塊化5。另外，醫(yī)療模塊系統(tǒng)加載在集裝箱船上，就組建了模塊化醫(yī)院船。醫(yī)院船是良好的海上救治機構和后送工具，是現(xiàn)代海戰(zhàn)傷員救治需要的產(chǎn)物。此外，模塊化實驗室在國外的科學考察船中也得到了應用，法國海洋科學考察船“馬利翁德弗萊 ”號在尾部甲板上裝有集裝箱式實驗室模塊，甲板上基座的布置適合安裝不同標準尺寸的集裝箱式實驗室，能夠滿足不同專業(yè)實驗室的要求。3國內科學考察船實驗室的特點我國的科學考察船在實驗室設備、實驗室功能、實驗室結構形式和布置地位等方面存在先天不足，實驗室全部是固定的，實驗室內部設備也是固定的。實驗室無法更換，試驗設備替換困難，這給我國極地和海洋科考帶來了許多不便，嚴峻制

11、約了我國科學考察的工作。因此，在以后科學考察船的設計中，海洋物理、化學、水文生物、氣象等一系列科學考察實驗室具有一定的相似性，每個實驗室除了具有自己的專業(yè)試驗設備以外，一般都有工作臺、水槽、器皿、桌椅、供水供電系統(tǒng)、局域網(wǎng)絡、電腦終端，能夠更換一定的試驗設備，就能夠重新組成其它功能的實驗室。另外，專業(yè)化實驗室是以后科學考察船的需求，這些專業(yè)化實驗室并不是在每一個科學考察航次中都能用到，例如放射性同位素實驗室、微量潔凈金屬實驗室（用于采集發(fā)覺于南極的集聚量逐漸變少的微量金屬）、海洋哺乳動物解剖實驗室等，這些實驗室能夠做成模塊化實驗室，與船體甲板采取活絡連接，依照不同的試驗目的更換所需要的實驗室。

12、所有的模塊化實驗室都有充足的電源、火警探測器、對講電話/電話安全裝置、計算機網(wǎng)絡連接和管道系統(tǒng)（如淡水自來水、污水系統(tǒng)）等。4模塊化實驗室的分析研究模塊化實驗室借用標準化集裝箱的概念，把科學考察船實驗室做成40英尺、20英尺國際標準集裝箱，也可依照船舶的具體情況，設計符合模塊化要求的標準實驗室單元。對模塊化實驗室的六個墻壁裝修，依照不同的使用要求安裝不同的內部試驗設備和外部附件，就構成獨立的專業(yè)實驗室。模塊化實驗室能夠提高科學考察船的靈活性，依照不同的試驗要求更換相應的實驗室模塊，大大降低了科學考察船的制造成本，提高了科學考察能力。（1）實驗室的結構和功能模塊依照目前國內外科學考察船實驗室模塊

13、化的進展趨勢，科學考察船實驗室模塊化大致分為結構模塊化和功能模塊化兩種。結構模塊化是指具有尺寸互換性的結構部件，其安裝連接部分的幾何參數(shù)滿足某種規(guī)定的要求，并能保證通用互換或兼容。在大多數(shù)情況下，結構模塊化是不直接具備使用功能的純粹結構部件，而只是某種功能模塊的載體。對科學考察船實驗室而言，能夠把實驗室的外殼做成結構模塊，依照不同實驗室的空間要求，實驗室的外形尺寸能夠做成幾種不同形式。功能模塊化是具有相對獨立的功能，并具有功能互換性的功能單元，其性能參數(shù)和質量指標能滿足通用互換或兼容的要求。也確實是講兩種或兩種以上的同類模塊，在使用范圍內具有同樣的效能，或者講它們的使用功能具有等效性和置換性。

14、科學考察船實驗室內部有若干個功能模塊，以放射性同位素實驗室為例，其內部功能模塊有：放射性同位素的設備模塊，射線裝置模塊，試驗儀器模塊，放射性防護器材模塊，實驗室內照明、滅火模塊，輔助設備模塊，局域網(wǎng)絡，能源接口模塊，信息接口模塊等等。由于功能模塊本身具有完整的功能，作為與船體相互獨立的部分，能夠單獨進行研制、開發(fā)，通過標準接口快速更換。因此，在實驗室的結構模塊沒有改變的情況下，能夠方便地更換固定實驗室或模塊化實驗室內部的功能模塊，以此來改變實驗室的使用目的。深入研究實驗室模塊化，提出結構模塊化和功能模塊化的解決方案，能夠實現(xiàn)快速拆裝，能夠依照科學考察的需要改變任務使命，具有專門好的靈活性和適用

15、性。對提高我國科學考察船的設計水平有著特不深遠的意義。（2）模塊化實驗室的內涵要理解模塊化實驗室的內涵，首先介紹一下功能單元的內涵。功能單元是指具有標準尺寸同時與船舶平臺或甲板有標準界面的具有某一功能模塊，其中包括功能系統(tǒng)（如武器系統(tǒng)，電子系統(tǒng)）或其它設備，也包括有關的外圍輔助設備，達到可能并適合構成自給功能模塊的程度6。功能單元是一種多層次概念，有大型功能單元，也有小型功能單元，有復雜功能單元，也有簡單功能單元。在艦船上，大型復雜功能單元如武器系統(tǒng)功能單元、指控系統(tǒng)功能單元等，小型簡單功能單元如某些功能設備。模塊化實驗室是大型復雜的功能單元。模塊化實驗室一般具有以下一些特征：（1）具有系統(tǒng)、

16、設備完整的獨立功能；（2）具有為了保障實現(xiàn)設備功能所需的其它輔助功能；（3）具有標準界面接口。（3）模塊化實驗室的設計模塊化實驗室要緊考慮模塊的結構、功能，按照標準化原則使模塊具備標準化、通用化和系列化特征。模塊與模塊以及模塊與船體甲板的連接設計要相互匹配，各種接口達到統(tǒng)一一致性要求，要緊設備和材料應為標準件和市場成熟產(chǎn)品，一旦實驗需要，即可方便更換設備。在設計的過程中，應明確各功能設備模塊的具體功能指標，同時這些設備模塊應具有一定的先進性。 標準化設計模塊設計必須嚴格按照各級有關標準，運用簡化、協(xié)調、通用、組合、優(yōu)化、超前等標準進行模塊設計。在整個系統(tǒng)中，每個模塊具有獨立的結構和功能，除了模

17、塊化實驗室的幾何尺寸逐步趨于系列化，標準化外，各種附屬設備也趨于標準化，通用化，如模塊化實驗室與船體甲板的固定連接件采納國際標準通用件（通用的插頭、插座等機械接口標準件），甲板上螺栓孔的布置、螺栓口的形狀、尺寸、間隙等要標準化。甲板上螺栓孔的布置滿足幾種標準尺寸的模塊化實驗室的安裝。因此，任何需要更換的標準化實驗室模塊都有可能進行更換，而且不需要改變船體結構設計，也不需要對基座進行耗時的機械加工，模塊化實驗室能夠快速的拆裝。 模塊化實驗室內各設備的合理性設計模塊化實驗室內部組件、設備布置均應合理，操作維修空間布局合理。在一定的空間內，不同的布置會產(chǎn)生不同的效果，在設計中應對實驗室內部的設備（或

18、模塊）、線路、網(wǎng)絡、接口進行分析，幸免互相之間的不良阻礙。同時這些設備與實驗室的聯(lián)接應合理牢固，如極地科學考察船在南極科學考察時要通過西風帶，作用在船上的外載荷較大，船舶搖擺幅度專門大，這時應充分考慮設備與實驗室的聯(lián)接方式，聯(lián)接件的受力要滿足，保證設備的安全與正常運行。此外，這些設備（或模塊）的聯(lián)接方式要方便拆卸、安裝，一旦某一設備（或模塊）損壞或需要更換新的設備，可滿足短時刻內拆卸組裝。最后，實驗室內部的設備布置應充分考慮對稱性，空間布置的合理性，以幸免不合理的布置對船體性能造成不必要的阻礙。 界面接口設計模塊化實驗室界面接口設計包括兩種情況：A、船上各模塊化實驗室之間的界面，要緊是各種信息

19、和操縱信號的傳遞，也包括機械或電氣的互連，這是設計系統(tǒng)各模塊化實驗室必須考慮的問題，也是系統(tǒng)模塊化的必要條件。在模塊化實驗室中，有兩塊接口裝置，電源和數(shù)據(jù)信息的接口組合成一塊接口裝置，管路（水管、風管、氣管等）的接口組合成另一塊接口裝置，兩塊接口裝置的尺寸和結構形式均有統(tǒng)一的標準形式，兩塊接口裝置分不安裝在門的左右兩側。接口裝置采納由外向內鑲嵌在模塊化實驗室上的方式安裝，以螺栓固定。B、模塊化實驗室與船體甲板之間的界面，要緊是機械接口。模塊化實驗室的接口形式借用標準化集裝箱形式進行設計，在滿足實驗室要求的情況下，接口的聯(lián)接形式做到通用化，標準化。模塊化實驗室與船體甲板的聯(lián)接是靠嵌在甲板和內底板上的鈕鎖基座固定的。在船體甲板上布置了一些安裝基座，可滿足不同幾何尺寸的模塊化實驗室安裝。5結束語目前，模塊單元在船舶行業(yè)中的應用進展迅速，尤其是在艦船的設計中，模塊化造船成為國內外造船界爭相開發(fā)和應用的新技術。由于模塊技術能夠縮短造船周期，降低制造成本，同時有利于船舶的維修和改裝。因此，模塊單元在船舶的建筑中將會得到進一步的進展和應用。居住艙室模塊，武器裝備