科学考察船模块化实验室的可行性分析

1．模块化设计的概念
（1）模块的概念及特点
“模块”[1]是指可组合成系统的，具有某种确定功能和接口结构的、典型的通用独立单元。

模块具有以下三个方面的特点[2]：（1）独立性：具有独立的功能和结构，可以进行单独的设计、运转或测试、制造、储备，可作为商品流通市场；（2）通用性：具有广泛的功能和结构覆盖性，可以为构造多样化的系统提供功能或结构组件，从而构造出多样化的系统。

（3）组合性：具有标准的功能和结构接口，通过简单的连接形式实现与系统成员的结构与功能集成，构造成新的功能和结构；也可以通过简单的逆过程把模块从系统中分解出来。

（2）模块化的概念
所谓“模块化”[1]，就是为了取得最佳效益，从系统观点出发，研究产品（或系统）的构成形式，用分解和组合的方法，建立模块体系，并运用模块组合成产品（或系统）的全过程。

模块化作为一种过程或方法，有两层含义，即模块的形成和用模块构造系统，以及模块的分解和模块的组合[2]。

A．模块的分解：对一定范围内的系统功能总需求分析、分解和分割，按照独立性、通用性和组合性的原则进行功能和结构重组，形成一系列通用模块或标准模块，即模块型谱。

B．模块的组合：从模块型谱中选取相应的模块并补充新设计的专用模块和零部件一起进行相应的组合，以构成满足各种不同需要的系统。

模块化具体操作过程是：对一定范围内的系统进行功能的分解，然后，按照“高内聚、低耦合”的原则，实现功能与结构高度内聚和与外界功能与结构关系度低耦合，即把为实现某种功能的有关要素与要素之间的关系在结构上“封装”起来，形成一个“箱装体”式的整装单元，此为高内聚；单元与外界的联系只留下信息、能量和结构的接口，并将这些接口进行标准化的处理，从而实现与外界关系的标准化，此为“低耦合”。

2．国内外模块化的进展
随着模块化技术的形成和集装箱运输的发展，国内模块化广泛应用于舰船的建造中，同时，医疗模块系统也得到了应用。

在20世纪80年代，我国海军曾经开展“花园口”型滚装船改装为医院船的研究[3]。

1996年底我国海军研制成功了“船用医疗模块系统装备”，按照82舰及集装箱运输船甲板条件，利用国际标准通用固定件，连接水气电后构成了一个功能完整的船载医疗系统。

平时用于海上医疗训练及突发事件医疗保障，战时根据需要复制病房模块和部分功能模块，组成模块化医疗船。

船用医疗集装箱模块交付部队使用后，经过装舰、吊装、运输和多次随着82舰出海执行任务，经过实践证明总体性能稳定可靠[4]。

国外在舰艇和医院船的建造中模块单元得到了应用，并发挥了快捷经济的效果。

模块化造船的概念萌芽于二战期间的美国大量造船年代，形成于60年代日本造船工业兴旺时期，在国外，模块化作为现代舰船建造方法已经成为一种趋势。

集装箱式模块化的应用主要表现在舰船的武器、电子设备、通信、雷达等系统的功能模块设计，采用标准尺寸和接口，实现设备、系统的模块化[5]。

另外，医疗模块系统加载在集装箱船上，就组建了模块化医院船。

医院船是良好的海上救治机构和后送工具，是现代海战伤员救治需要的产物。

此外，模块化实验室在国外的科学考察船中也得到了应用，法国海洋科学考察船“马利翁·德弗莱”号在尾部甲板上装有集装箱式实验室模块，甲板上基座的布置适合安装不同标准尺寸的集装箱式实验室，可以满足不同专业实验室的要求。

3．国内科学考察船实验室的特点
我国的科学考察船在实验室设备、实验室功能、实验室结构形式和布置地位等方面存在先天不足，实验室全部是固定的，实验室内部设备也是固定的。

实验室无法更换，试验设备
替换困难，这给我国极地和海洋科考带来了许多不便，严重制约了我国科学考察的工作。

因此，在未来科学考察船的设计中，海洋物理、化学、水文生物、气象等一系列科学考察实验室具有一定的相似性，每个实验室除了具有自己的专业试验设备以外，一般都有工作台、水槽、器皿、桌椅、供水供电系统、局域网络、电脑终端，可以更换一定的试验设备，就可以重新组成其它功能的实验室。

另外，专业化实验室是未来科学考察船的需求，这些专业化实验室并不是在每一个科学考察航次中都能用到，例如放射性同位素实验室、微量洁净金属实验室（用于采集发现于南极的集聚量逐渐变少的微量金属）、海洋哺乳动物解剖实验室等，这些实验室可以做成模块化实验室，与船体甲板采取活络连接，根据不同的试验目的更换所需要的实验室。

所有的模块化实验室都有充足的电源、火警探测器、对讲电话/电话安全装置、计算机网络连接和管道系统（如淡水自来水、污水系统）等。

4．模块化实验室的分析研究
模块化实验室借用标准化集装箱的概念，把科学考察船实验室做成40英尺、20英尺国际标准集装箱，也可根据船舶的具体情况，设计符合模块化要求的标准实验室单元。

对模块化实验室的六个墙壁装修，根据不同的使用要求安装不同的内部试验设备和外部附件，就构成独立的专业实验室。

模块化实验室可以提高科学考察船的灵活性，根据不同的试验要求更换相应的实验室模块，大大降低了科学考察船的制造成本，提高了科学考察能力。

（1）实验室的结构和功能模块
根据目前国内外科学考察船实验室模块化的发展趋势，科学考察船实验室模块化大致分为结构模块化和功能模块化两种。

结构模块化是指具有尺寸互换性的结构部件，其安装连接部分的几何参数满足某种规定的要求，并能保证通用互换或兼容。

在大多数情况下，结构模块化是不直接具备使用功能的纯粹结构部件，而只是某种功能模块的载体。

对科学考察船实验室而言，可以把实验室的外壳做成结构模块，根据不同实验室的空间要求，实验室的外形尺寸可以做成几种不同形式。

功能模块化是具有相对独立的功能，并具有功能互换性的功能单元，其性能参数和质量指标能满足通用互换或兼容的要求。

也就是说两种或两种以上的同类模块，在使用范围内具有同样的效能，或者说它们的使用功能具有等效性和置换性。

科学考察船实验室内部有若干个功能模块，以放射性同位素实验室为例，其内部功能模块有：放射性同位素的设备模块，射线装置模块，试验仪器模块，放射性防护器材模块，实验室内照明、灭火模块，辅助设备模块，局域网络，能源接口模块，信息接口模块等等。

由于功能模块本身具有完整的功能，作为与船体相互独立的部分，可以单独进行研制、开发，通过标准接口快速更换。

因此，在实验室的结构模块没有改变的情况下，可以方便地更换固定实验室或模块化实验室内部的功能模块，以此来改变实验室的使用目的。

深入研究实验室模块化，提出结构模块化和功能模块化的解决方案，能够实现快速拆装，可以根据科学考察的需要改变任务使命，具有很好的灵活性和适用性。

对提高我国科学考察船的设计水平有着非常深远的意义。

（2）模块化实验室的内涵
要理解模块化实验室的内涵，首先介绍一下功能单元的内涵。

功能单元是指具有标准尺寸并且与船舶平台或甲板有标准界面的具有某一功能模块，其中包括功能系统（如武器系统，电子系统）或其它设备，也包括有关的外围辅助设备，达到可能并适合构成自给功能模块的程度[6]。

功能单元是一种多层次概念，有大型功能单元，也有小型功能单元，有复杂功能单元，也有简单功能单元。

在舰船上，大型复杂功能单元如武器系统功能单元、指控系统功能单元等，小型简单功能单元如某些功能设备。

模块化实验室是大型复杂的功能单元。

模块化实验室一般具有以下一些特征：
（1）具有系统、设备完整的独立功能；
（2）具有为了保障实现设备功能所需的其它辅助功能；
（3）具有标准界面接口。

（3）模块化实验室的设计
模块化实验室主要考虑模块的结构、功能，按照标准化原则使模块具备标准化、通用化和系列化特征。

模块与模块以及模块与船体甲板的连接设计要相互匹配，各种接口达到统一一致性要求，主要设备和材料应为标准件和市场成熟产品，一旦实验需要，即可方便更换设备。

在设计的过程中，应明确各功能设备模块的具体功能指标，同时这些设备模块应具有一定的先进性。

①标准化设计
模块设计必须严格按照各级有关标准，运用简化、协调、通用、组合、优化、超前等标准进行模块设计。

在整个系统中，每个模块具有独立的结构和功能，除了模块化实验室的几何尺寸逐步趋于系列化，标准化外，各种附属设备也趋于标准化，通用化，如模块化实验室与船体甲板的固定连接件采用国际标准通用件（通用的插头、插座等机械接口标准件），甲板上螺栓孔的布置、螺栓口的形状、尺寸、间隙等要标准化。

甲板上螺栓孔的布置满足几种标准尺寸的模块化实验室的安装。

因此，任何需要更换的标准化实验室模块都有可能进行更换，而且不需要改变船体结构设计，也不需要对基座进行耗时的机械加工，模块化实验室可以快速的拆装。

②模块化实验室内各设备的合理性设计
模块化实验室内部组件、设备布置均应合理，操作维修空间布局合理。

在一定的空间内，不同的布置会产生不同的效果，在设计中应对实验室内部的设备（或模块）、线路、网络、接口进行分析，避免互相之间的不良影响。

同时这些设备与实验室的联接应合理牢固，如极地科学考察船在南极科学考察时要经过西风带，作用在船上的外载荷较大，船舶摇摆幅度很大，这时应充分考虑设备与实验室的联接方式，联接件的受力要满足，保证设备的安全与正常运行。

此外，这些设备（或模块）的联接方式要方便拆卸、安装，一旦某一设备（或模块）损坏或需要更换新的设备，可满足短时间内拆卸组装。

最后，实验室内部的设备布置应充分考虑对称性，空间布置的合理性，以避免不合理的布置对船体性能造成不必要的影响。

③界面接口设计
模块化实验室界面接口设计包括两种情况：
A、船上各模块化实验室之间的界面，主要是各种信息和控制信号的传递，也包括机械或电气的互连，这是设计系统各模块化实验室必须考虑的问题，也是系统模块化的必要条件。

在模块化实验室中，有两块接口装置，电源和数据信息的接口组合成一块接口装置，管路（水管、风管、气管等）的接口组合成另一块接口装置，两块接口装置的尺寸和结构形式均有统一的标准形式，两块接口装置分别安装在门的左右两侧。

接口装置采用由外向内镶嵌在模块化实验室上的方式安装，以螺栓固定。

B、模块化实验室与船体甲板之间的界面，主要是机械接口。

模块化实验室的接口形式借用标准化集装箱形式进行设计，在满足实验室要求的情况下，接口的联接形式做到通用化，标准化。

模块化实验室与船体甲板的联接是靠嵌在甲板和内底板上的钮锁基座固定的。

在
船体甲板上布置了一些安装基座，可满足不同几何尺寸的模块化实验室安装。

5．结束语
目前，模块单元在船舶行业中的应用发展迅速，尤其是在舰船的设计中，模块化造船成为国内外造船界争相开发和应用的新技术。

由于模块技术可以缩短造船周期，降低制造成本，并且有利于船舶的维修和改装。

因此，模块单元在船舶的建造中将会得到进一步的发展和应用。

居住舱室模块，武器装备模块，电子功能模块，二氧化碳灭火装置模块等已经在实船上得到了应用，效果良好。

在国内，模块单元还没有在科学考察船上得到应用，随着新技术的不断出现以及科学考察项目的增加，对科学考察船的要求越来越高，在未来的发展中，科学考察船将会不断增加新的专业化实验室，因此模块化实验室也将会在科学考察船中得到广泛的应用。