模塊化設(shè)計(jì)在雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：闡述了模塊化設(shè)計(jì)及特點(diǎn)，介紹了模塊化技術(shù)的優(yōu)越性。重點(diǎn)討論了模塊化設(shè)計(jì)在雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的必要性和可行性，針對(duì)雷達(dá)產(chǎn)品的特點(diǎn)，概述了雷達(dá)模塊化的意義和模塊化的方向。
關(guān)鍵詞：模塊；模塊化設(shè)計(jì)；雷達(dá)系統(tǒng)

    模塊化設(shè)計(jì)作為一種新的設(shè)計(jì)理論和方法，自20世紀(jì)70年代在世界發(fā)達(dá)國家興起以來，已滲透到設(shè)計(jì)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(biāo)志予以強(qiáng)調(diào)，并形成了理論分析、設(shè)計(jì)生產(chǎn)、試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范等一套完整體系，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益、軍事效益和社會(huì)效益，它為新形勢(shì)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(shè)計(jì)
    模塊化設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)化原理進(jìn)行統(tǒng)一、歸并、簡(jiǎn)化，以通用單元的形式獨(dú)立存在的一種機(jī)電一體化設(shè)計(jì)方法。這種方法應(yīng)用于雷達(dá)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(dú)立的功能、標(biāo)準(zhǔn)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(gè)相對(duì)的，可因狀態(tài)條件、具體環(huán)境而定。模塊具有抽象性、獨(dú)立性、互換性和靈活性的特點(diǎn)，模塊一般制成現(xiàn)場(chǎng)可更換單元。
    模塊化(Modularization)是一種設(shè)計(jì)方法，是一種新的標(biāo)準(zhǔn)化方法。模塊化屬于標(biāo)準(zhǔn)化范疇，模塊化設(shè)計(jì)是標(biāo)準(zhǔn)化原理在設(shè)計(jì)方而的具體應(yīng)用。模塊化設(shè)計(jì)是以模塊的分解組合為基礎(chǔ)的，強(qiáng)調(diào)整個(gè)模塊的通用性和互換性的一種設(shè)計(jì)方法。在廣泛采用CAX技術(shù)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(shè)計(jì)思想
    模塊化設(shè)計(jì)在指導(dǎo)思想上與傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)不同，模塊化設(shè)計(jì)是按照標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)方法，是一個(gè)白上而下的過程，合理劃分模塊、建立模塊體系是其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在對(duì)設(shè)備的技術(shù)體制、性能指標(biāo)、接口形式、用途及工作環(huán)境中有充分了解和對(duì)現(xiàn)有沒備及將要研制的新設(shè)備等進(jìn)行分析、研究和綜合的基礎(chǔ)上，一方面改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，采用系統(tǒng)的觀念從系統(tǒng)頂層向底層將設(shè)備分解成不同等級(jí)的許多單元；另一方面從系統(tǒng)底層向頂層進(jìn)行模塊需求分析，并按標(biāo)準(zhǔn)化原理對(duì)同類和相近設(shè)備進(jìn)行對(duì)比、歸類，合理劃分模塊。然后，通過對(duì)同類和相近設(shè)備間的模塊進(jìn)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(yīng)的模塊體系。按照模塊化設(shè)計(jì)方法，有這樣一個(gè)關(guān)系：新型模塊化設(shè)備=通用模塊(大量)+專用模塊(少量)+模塊連接器。這樣，模塊化設(shè)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(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員只需了解通用模塊的接口關(guān)系，而不必從頭開始。這種設(shè)計(jì)模式大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)程序，縮短了研制周期，從而為雷達(dá)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(yàn)、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(shè)計(jì)上，因而，設(shè)備的質(zhì)量容易保證，研制風(fēng)險(xiǎn)大大減小。由于設(shè)備是由模塊組裝而成，各模塊均設(shè)計(jì)有測(cè)試接口，便于檢測(cè)、維修，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的基層級(jí)維修。同內(nèi)外大量事實(shí)證明，采用模塊化設(shè)計(jì)方法能顯著縮短研制周期，降低研制成本，提高設(shè)備的可靠性和可維修性。
    模塊化的電子設(shè)備是由電路功能模塊和機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊結(jié)合而成的。由于電路決定雷達(dá)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(dú)立分解、重新組合的性能，從而實(shí)現(xiàn)工藝、工裝通用化的目的，進(jìn)而大大提高電子設(shè)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(hào)雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體即以結(jié)構(gòu)模塊獨(dú)立先行，以結(jié)構(gòu)模塊制約并推動(dòng)電路模塊發(fā)展為總體設(shè)汁指導(dǎo)思想，系統(tǒng)全面地開展跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)的研制工作。
1．3 模塊化設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)化開辟了一條新路。
    (2)模塊化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了機(jī)型，結(jié)構(gòu)模塊化受“模數(shù)”制約，使整機(jī)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(dá)的可靠性。
    (3)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，對(duì)以后雷達(dá)的改型，通過適量結(jié)構(gòu)模塊儲(chǔ)備，可縮短新品研制周期。
    (4)提高雷達(dá)的有效度，只需修改雷達(dá)一些功能結(jié)構(gòu)模塊，就可組成新結(jié)構(gòu)雷達(dá)，使結(jié)構(gòu)零件、部件的有效度大大提高。
    (5)模塊化設(shè)計(jì)是提高維修效率和質(zhì)量，降低對(duì)維修人員的技能要求及減少維修費(fèi)用的有效途徑之一。
    (6)結(jié)構(gòu)模塊的相對(duì)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(duì)和總體實(shí)際要求，可使用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的通用雷達(dá)結(jié)構(gòu)模塊組件，來組裝各種結(jié)構(gòu)要求的雷達(dá)，而不是每次都重新設(shè)計(jì)和制造。由于簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)、制造、裝配，縮短了研制周期，降低了雷達(dá)研制時(shí)間，生產(chǎn)成本，同時(shí)提高了功能模塊可靠性和可維修性，降低了運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。
    隨著電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、材料科學(xué)、電子組裝技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)已發(fā)展成為高科技的電子戰(zhàn)、信息戰(zhàn)，對(duì)雷達(dá)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(jiǎn)單化、維修快速化、外觀時(shí)尚化等等。如何滿足和適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)的要求，是每個(gè)設(shè)計(jì)人員所面臨的新課題。很顯然，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已不能滿足它的要求。很多專家認(rèn)為：過去是價(jià)格的競(jìng)爭(zhēng)，現(xiàn)存是質(zhì)量的競(jìng)爭(zhēng)，將來是設(shè)計(jì)的競(jìng)爭(zhēng)。可見設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)備的質(zhì)量以及競(jìng)爭(zhēng)力是何等重要。為此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，積極跟蹤當(dāng)今世界相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，更新設(shè)計(jì)理念，豐富業(yè)務(wù)知識(shí)，拓寬業(yè)務(wù)面，提高業(yè)務(wù)水平，從而提高設(shè)備的檔次和競(jìng)爭(zhēng)力。

2 模塊化設(shè)計(jì)的適應(yīng)性與遠(yuǎn)景展望
    傳統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)流程見圖1，不僅時(shí)間周期長，而且還要花費(fèi)大量財(cái)力和人力，在今天激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中已經(jīng)無法滿足客戶多變的需求?；谀K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(shè)計(jì)與制造，只要適當(dāng)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(gè)新產(chǎn)品來，這將會(huì)使新產(chǎn)品研制周期和生產(chǎn)周期大大縮短，研制費(fèi)用和生產(chǎn)費(fèi)用大大降低，使雷達(dá)可靠性和可維修性上一個(gè)新臺(tái)階，為實(shí)現(xiàn)一機(jī)多型提供基本條件，增強(qiáng)產(chǎn)品的配套適應(yīng)能力，進(jìn)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(dá)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(gè)意義上看，模塊化設(shè)計(jì)過程實(shí)際上就是在研究分析系統(tǒng)分解和組合特性的基礎(chǔ)上，使之不斷優(yōu)化的過程。因而，我們也深刻地認(rèn)識(shí)到，只有不斷地加強(qiáng)對(duì)模塊化理論的理解深度，不斷地提高模塊化設(shè)計(jì)的運(yùn)用技巧，不斷地解決結(jié)構(gòu)功能模塊對(duì)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(shí)用的雷達(dá)系統(tǒng)模塊庫，才是真正實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)根本途徑。

3 雷達(dá)系統(tǒng)模塊劃分
    雷達(dá)是多學(xué)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(dá)系統(tǒng)的總目標(biāo)、雷達(dá)電氣原理框圖及特定的環(huán)境條件，通過對(duì)系統(tǒng)的分解、組合特性的詳細(xì)分析，建立滿足系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)需要的、可靠的系統(tǒng)宏模型(結(jié)構(gòu)框圖)用以指導(dǎo)分系統(tǒng)模塊的方案設(shè)計(jì)及技術(shù)設(shè)計(jì)。
    不同用途的雷達(dá)，雖然特點(diǎn)各不相同，但是總體整機(jī)對(duì)分系統(tǒng)的要求則是基本相同的，這就是模塊化雷達(dá)的基礎(chǔ)。
3．1 雷達(dá)系統(tǒng)分解、組合原則
    雷達(dá)系統(tǒng)模塊層次自下而上可以分為元件級(jí)、器件級(jí)、部件級(jí)、組件級(jí)和設(shè)備級(jí)，模塊層次越高其結(jié)構(gòu)也越復(fù)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(yīng)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(duì)于雷達(dá)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(jìn)行分解，因?yàn)楣δ苁菢?gòu)成模塊的根據(jù)，也是系統(tǒng)分解和組合成整機(jī)的基礎(chǔ)。
    (2)盡可能擴(kuò)大采用通用要素，經(jīng)通用化處理后，便于形成獨(dú)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(jìn)行系統(tǒng)分解。因?yàn)榫奂雀?，專業(yè)功能單一才可能形成一個(gè)模塊，便于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、調(diào)試、試驗(yàn)和維護(hù)，而結(jié)合度弱，則可簡(jiǎn)化電氣、結(jié)構(gòu)接口，便于系統(tǒng)的分解與組合。
    (4)科學(xué)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(shè)計(jì)、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(jī)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(dú)立設(shè)計(jì)、調(diào)試、試驗(yàn)和維護(hù)的矛盾。為此，我們可以采取單一結(jié)構(gòu)模塊與復(fù)合模塊并用的技術(shù)措施。復(fù)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(dá)系統(tǒng)的組合。
3．2 模塊設(shè)計(jì)基本思路
    (1)模塊具有相對(duì)獨(dú)立的特定功能，可以對(duì)模塊單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工和儲(chǔ)備。
    (2)模塊具有若干配合面，具有標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)和電氣接口，單獨(dú)可以進(jìn)行檢測(cè)。
    (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(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化。
    (4)強(qiáng)電與強(qiáng)電放在一起，弱電與弱電放在一起。
3．3 雷達(dá)系統(tǒng)模塊的創(chuàng)建
    根據(jù)雷達(dá)特點(diǎn)，我們將模塊化設(shè)計(jì)定在部件或組件級(jí)。模塊創(chuàng)建是雷達(dá)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)中的核心環(huán)節(jié)，其主要任務(wù)是設(shè)計(jì)出標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化的模塊，滿足產(chǎn)品的基型設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行變形設(shè)計(jì)及組合設(shè)計(jì)。
    以模塊作為設(shè)計(jì)對(duì)象，按模塊化的思想，我們對(duì)產(chǎn)品構(gòu)成的認(rèn)識(shí)將發(fā)生變化。按傳統(tǒng)的觀點(diǎn)，產(chǎn)品由部件組成，部件由零件組成。而按模塊化的觀點(diǎn)，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(shè)計(jì)分為：原創(chuàng)性設(shè)計(jì)(Originaldesign)、適應(yīng)性設(shè)計(jì)(Adaptive design)和變型設(shè)計(jì)(Variant design)三類。據(jù)此，本文將模塊化設(shè)計(jì)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(yīng)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(shè)計(jì)是一種全新的設(shè)計(jì)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(yīng)的，并且還有利于并行工程、系統(tǒng)工程等思想在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和管理中的應(yīng)用。追求產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)是我們實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代雷達(dá)設(shè)計(jì)努力的方向，目前我們?nèi)w設(shè)計(jì)人員正朝著實(shí)現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)一步一步前進(jìn)，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(jī)，接收機(jī)，等分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不再是一部雷達(dá)一個(gè)要求，而是將已有的模塊拿來集成，屆時(shí)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率、互換性、一致性、可靠性都將得到極大的提高。