模块化———标准化的高级形式
上一篇 / 下一篇 2007-04-05 21:10:51 / 个人分类:标准化知识
“现代标准化前沿———模块化”研究报告
模块化———标准化的高级形式
文/李春田
———标准化形式的与时俱进
即使模件(块)化是标准化的最高形式,但是,它也离不开标准化的其他形式,有时甚至与某些形式(如组合化)难以截然区别。
———林鸿铮(前中国舰船研究院 研究员)
模块化是标准化原理在应用上的发展。它是多种标准化形式在产品总体标准化上的综合运用。
———童时中(国家电力公司电力自动化研究院 教授级高工)
技术装备的模块化生产,可视为复杂系统标准化的最高形式。
———A•A•瓦西里耶夫(前列宁格勒造船学院教授)
一、标准化形式的发展进化
标准化形式是标准化内容的存在方式。因此,标准化形式是由标准化内容决定的,并随着标准化内容的变化而不断发展进化。
标准化内容是由人类社会实践的客观要求决定的,并随着实践经验的累积和实践内容的变化而不断变化。
人类的社会实践是一个永不止息并不断发展的过程,标准化的内容也必定随之发展,其形式随之进化。
在标准化的发展史上,比较主要的、在全世界广为流行的标准化形式有:简化、统一化、通用化、系统化、组合化、模块化。不同的标准化形式反映不同的标准化内容、发生不同的作用。标准化的科学意义和经济价值几乎都通过这些生动的形式表现出来。人类的标准化创造也大都通过这些形式体现出来。
1. 简化和统一化
这是最早出现的标准化形式,是人类最初的标准化创举。无论是有意识的标准化还是无意识的标准化都可以追溯到久远的从前。
简化和统一化又是标准化的一般形式或基本形式。标准化的其他形式都是在这个基本形式基础上的进化形式,并且都体现简化和统一化思想。
简化着眼于精练,统一化则着眼于一致性。二者相辅相成、交替运用、互为因果。无论是古代还是今天,人类一直在对事物的复杂性进行简化,并用统一化建立共同遵循的秩序。
2. 通用化、系列化、组合化
这是工业化时代发展起来的标准化形式。它们的共同特点是体现了社会化大生产的客观要求,为创造机械化、自动化生产的高效率和资本主义市场经济的高效益提供了科学途径。这些标准化形式是人类社会的重要文明成果。它们在工业化社会中的普遍应用创造了无数经济奇迹,乃至经济学家们在回首这一二百年的工业发展时都不约而同地强调标准化的作用,甚至把这个工业化时代又称作“标准化时代”。
通用化最初是制造业的一个创造。当制造者从工场手工业迈向大机器工业过程中,一方面创造了成批、大量的生产方式,一方面开辟了广阔的市场。在用机器大量制造产品的企业里,其内部的生产分工日益细化,每个生产岗位甚至只完成零件加工的一道工序,并在制造业的企业之间逐渐地出现了生产专业化的发展趋势,有些企业走上了零件生产专业化之路。而零件的专业化生产必然要求扩展其产品的应用领域以增加产量,摆脱“批量法则”的制约。这就提出了零件或产品通用化的客观要求。
通用化在技术上的前提条件是互换性技术。到底是通用化的客观要求催生了互换性,还是互换性造就了通用化?虽然还不易说清楚,但是,它们同时并存、互为因果这一点是肯定的。
通用化一经被应用,就显示出独特的经济意义。产品或零件的通用化程度越高,其市场范围越广、生产批量越大、制造成本越低、维修越经济。当通用化从企业内部延伸到企业之间,从一个行业扩展到另外的行业时,它就为更大范围内的统一化奠定了基础。
通用化至今还被作为一种设计原则而被普遍应用着。
系列化和组合化是制造业的杰出创造,它们是资本主义市场激烈竞争的产物。在技术进步的速度加快、商品过剩、形成明显的买方市场的情况下,市场竞争的环境发生了显著变化。在顾客驱动市场、市场主导制造业的生产的形势下,企业面对的市场不仅稳定性低、快速多变,而且需求日益呈高质量化、层次化、多样化和个性化的特点。以往那种靠单一品种大量生产的经营模式,已经难以应对新的市场挑战。企业必须顺应时代潮流,面对现实改变自己的经营方针和产品开发策略,生产出具有如下特征的产品:
能满足顾客个性化需求的定制式产品;
新产品易于制造,生产周期短、成本低、交货及时;
品种、规格多,变化快;
质量好,产品生命周期成本低;
安全、环保,便于维修和更新换代等。
系列化和组合化就是在这种经济、技术背景下被企业作为产品开发的竞争策略而推广应用[可参阅《标准化概论》(第四版)第六章]。
系列化可以说是企业“优势的延伸策略”。所谓“优势延伸策略”是指企业原有的优势遇到挑战,原本畅销的产品销售下降。在这种情况下,企业不是把原有的一切推倒重来,而是充分利用已有的资源和优势,扩展、延伸自己的专长。在充分掌握市场需求的情况下,以老产品为基础,利用系列产品的独有特点,开发能更好满足市场需求的派生、变型产品,保持市场的优势地位。
组合化可以说是“以少变求多变,以组合求创新”的开发策略。市场需求的一个最大特点就是千变万化。市场多变使产品开发无所适从。企业产品开发追赶不上市场变化,这样的事例比比皆是。如何跳出这个多变的怪圈?组合化便是一种应变对策。组合化的特点是通过可互换的标准单元组合为物体,这些单元又可重新拆装,组成具有新功能的新物体或新结构,而结构单元又可重新利用。可见,组合化的应变机理就是以组合单元的变来应对需求的变(而不是以整个产品的变来应对需求的变),有时改变某些单元的种类,有时只改变单元的组合方式。这就能以不变应万变,以少变求多变,以组合求创新。
系列化和组合化即是这样一种经济环境的产物,又是可以促进这种经济发展的有力工具。这是它们得以存在和发展的根本原因。
3. 模块化
模块化也是工业化时代的产物,大约是在20世纪中期发展起来的一种标准化形式。它产生的背景同产品和工程的复杂程度增高有极密切的关系。高度现代化的舰船武器系统、大型装备、航天器和电子设备等高度复杂的产品的快速设计和快速生产,向传统的设计方式和生产模式提出了挑战。一些工业发达国家研制的舰船武器系统、指挥系统和火控系统,早在20世纪70年代就已经采用了模块化的设计方法,而英国从60年代后期就应用模块化概念开发武器系统。由于集成电路的发展,美国首先出现了标准电子模块,美国海军从70年代开始大力推广这一技术。
当人类的活动(设计、制造或研究、开发)面对如此庞大、复杂的系统时,通常的处理和思考问题的方法已无能为力。其信息量之巨大,远远超出了人的大脑处理信息的能力。在这种情况下,把大系统加以分割,分成若干个相对独立的部分,变复杂为简单,从而使问题易于解决。随着经济的发展和技术创新步伐的加快,复杂的大系统日渐增多,模块化也就成了人们用来处理复杂问题的常用方法。
模块化是以模块为基础,综合了通用化、系统化、组合化的特点,解决复杂系统类型多样化、功能多变的一种标准化形式。
模块化的对象是可分解的复杂系统。这个系统的特点是结构复杂、功能多变、类型多样。模块化操作有利于减少复杂性,创造多样性和多变性。
模块化是标准化的一种形式。它是在综合了标准化其他形式的特点的基础上发展起来的标准化的高级形式。
二、模块及其种类
1. 模块
模块是模块化的基础。“模块”这一概念早已普遍流行。虽然不同专业也曾对这个概念给出过定义,但互相差别较大,至今尚未形成统一的一般性定义。在我国的造船行业里通常将“模块”称为“模件”。
《标准化概论》(第四版)综合了国内外已有定义之后,给出了如下的定义:“模块通常是由元件和零部件组合而成的、具有独立功能的、可成系列单独制造的标准化单元,通过不同形式的接口与其他单元组成产品,且可分、可合、可互换。”
这个定义的特点是力图概括描述模块的基本特征,但不够精练,可简化为:“模块是构成系统的,具有特定功能,可兼容、互换的独立单元。”这个定义也不能说是最恰当的,它除了较为简练之外,主要是想突出模块如下的基本特征:
模块是系统的构成要素。模块既可构成系统,又是系统分解的产物。用模块可以组成新系统(系统创新)乃至复杂的大系统。这是模块与一般零部件的重要区别。
模块具有特定的、相对独立的功能。因此,可以商品的形式单独生产和销售,可以依据一定规则单独设计、运转、测试。这是模块化设计和模块化产品一系列优势的本源,也是它和一般零部件的区别。
模块的互换性和可兼容性是模块化操作或模块运筹组合的条件(它要求模块具有互相联接并传递信息和功能的接口及相应的结构),由此模块便具备了通用性和多种组合的可能性。
模块相当于机械产品的部件,但不具备上述特征的部件不能称其为模块。有时在模块化设计中大型关键零件(如机床导轨、立柱)也列为模块。随着模块化技术的发展和模块化应用领域的扩展,模块的固有特征也将随之变化(如电脑产业中的模块),这些将在后续的章节中讨论。
2. 模块的种类
由于模块化应用的领域越来越广,模块的新类型层出不穷。当模块化尚处于制造业,特别是机器制造业的时候,模块具有硬件的属性。但是,现在的软件生产也走上了模块化的道路,出现了软件模块或模块式软件。至今,模块的种类(品种)已经相当繁多,诸如:基本模块、标准模块、辅助模块、附加模块、部件模块、系统模块、生产模块、通用模块、专用模块、主体模块、固定模块、变型模块、单元模块、设备级模块、部件级模块、集成模块等等。按照不同的分类依据会有不同的类型。有时同一个模块会分别归属不同类型(如某模块既是基本模块、又是标准模块、固定模块、部件级模块等等)。所以模块分类是一个复杂问题,类似于零件分类。
对模块进行科学分类的关键是统一模块分类标准(分类依据)。有了科学统一的分类依据,才能防止分类和命名上的混乱。这是标准化学科建设中的一项基础性工作(许多学科的建设就是从分类开始的)。
按照当前国内通常的做法,首先是将模块分成功能模块和结构模块两大类。
① 功能模块
功能模块是依据价值工程的功能分析方法,对模块化产品的功能进行分析的基础上确立的模块类型。每种模块都成为相应功能的载体,所有模块的集合便是能够满足全部功能要求的产品。按照这样的原则建立的功能模块,不仅具有相对独立的功能,并具有功能互换性。功能模块是该类型模块的总称,通常包括:
基本模块:对应产品(系统)的基本功能,满足用户最基本、最重要功能要求的模块。它应该能在同类产品的各种变型、派生产品中重复使用,它毫无疑问又属于通用模块。
辅助模块:对应产品(系统)的辅助功能,有时不直接形成产品的功能,仅用于连接模块或对基本模块起辅助作用(如联接模块)。
专用模块:对应产品(系统)的特殊功能,是为某一用户或某项用途而专门设计的,为满足个性化需求,有时要单独研制。
附加模块:对应产品(系统)的附加功能或补充辅助功能的模块。
扩充模块:用于扩充产品(系统)的功能而开发的模块。
② 结构模块
结构模块通常不具备使用功能,但却是功能模块的载体(如机箱、机柜)。不过也不绝对如此,如建筑物的门、窗等结构模块也是具备使用功能的。为保证模块的通用、互换,结构模块的安装连接部分的几何参数必须符合规定要求。通常规定协调尺寸为标准模数的倍数和整数分割值[见《标准化概论》(第四版)第五章第五节]。
把模块分成这样两大类是通常的做法。这是出于把握模块基本属性的需要。由于对产品进行分析研究时,通常也是从产品的功能和结构入手,形成与两大类模块间的逻辑联系,更易于加深对模块属性的理解。但这也只是相对的,客观上还存在着既具有功能特征又具有结构特征的模块,况且功能模块又常与结构模块结合或以结构模块为载体组成新的模块(单元模块)。
由于产品或系统的结构和功能具有层次性,与其相对应的模块也有层次性,即高层模块由低一层次的模块组合而成,最底层的模块则是由零件或元件组成,由此形成模块的层次结构。于是就产生了诸如产品级模块、部件级模块、单元级模块等等。在企业里也有的把模块按上述顺序分为1级、2级、3级的,也有分得更细的。
产品级(1级)模块就是模块产品。它常以箱体、固定板、安装轨道等结构模块和辅助模块为载体,集合全部所需的功能模块、专用模块和附加模块,构成具有某些特定功能的产品。
部件级(2级)模块,相当于产品的部件或总系统的子系统,它具有产品(系统)的部分功能或结构。构成产品(系统)的部件级模块会有两个以上。它们还可由更下层的模块组成,组成部件级模块的底层模块(单元级模块)也会有两个以上。
单元级(3级)模块是部件级模块的构成要素,是模块的最低层次(也有不止分至3级的)。它的元件一般均为最基本的几何形体,如各种零件(元件)、分元件和负分元件。[1]
此外,按模块的通用化程度还可将模块分成通用模块和非通用模块(专用模块、特别模块);按其在系列化过程中所处的地位和所起的作用,将某些模块分成基型模块和派生、变型模块;按模块在产品中的重要程度把构成产品的模块分为主体模块和非主体模块(辅助模块、附加模块)等等。
在一个具体的产品系统(如电脑)中,根据模块的具体功能会有更具特性的模块。如:主机模块、键盘模块、鼠标模块、音箱模块、光盘驱动模块、存储器模块……等等。
三、模块化过程
模块化过程一般来说包括模块化的全部活动内容。这里重点讨论模块化策划、模块的划分、模块化设计(模块创建与模块组合)。
1. 模块化策划
对一个企业来说,要真正实施模块化的话,首要的工作是认真策划。策划的内容会因对象不同而有所不同,但较为共同的方面主要有:
模块化的目的和目标是什么?也就是要弄清楚为什么开展模块化?最终要达到什么样的目标?对这些问题的回答不能过于抽象,论证得越透彻越明确越好。必要时做市场调查、趋势和需求预测。
采取那些措施和途径?包括产品对象、模块化的方式(自上而下还是自下而上)、模块的研制开发方式、相关规则标准的制定等。