随着经济全球化步伐的加快，机械装备向着小批量、多品种、低成本、高质量的方向发展．大规模定制的生产模式和极端条件下的应用需求使得研发生产和长途运输效率成为了制约机械装备发展的重要因素，因此模块化技术逐渐成为机械装备的发展趋势之一．模块化技术一方面可以针对大规模定制需求，实现个性化产品定制和新产品的快速开发，适应快速变化的市场需求，另一方面有利于大型机械装备的快速拆装，从而便于高效运输．为此，开展机械装备的模块化研究具有重要的意义．模块化是指以模块为基础，综合了通用化、系列化、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的高级形式[1]．复杂机械装备由于其零部件数量多，功能结构关系复杂，成为模块化技术的重点应用对象．20世纪20年代，欧美开始将模块化原理应用于机床等机械装备的设计当中，并于20世纪50年代正式提出模块化设计的概念[2]．我国于20世纪60年代开始模块化相关研究，并将其应用于机床、汽车等领域[2]．文献[1]掀起国内对模块化研究的浪潮．在中国知网和EI数据库中分别以“模块化”和“modular”为主题关键字检索中英文文献，2020年总数超过1.2×104篇，较2000年增长5倍，由此可见，模块化正在成为当前的研究热点．随着模块化技术的发展，越来越多的学者开始进行模块化的理论研究，以指导不同产品的模块化设计．例如，文献[3-4]提出了面向复杂机械产品的全生命周期的模块化设计方法；文献[5-9]形成了面向客户的产品模块化设计理论体系等．这些方法主要考虑了快速响应市场需求，能够有效降低产品的研发和维护成本，取得了一定的研究成果．然而，现有的方法还普遍存在着一些问题，有待进一步深入研究．综上所述，复杂机械装备的模块化设计已经成为现代企业发展壮大、立足复杂市场的重要手段和趋势之一．模块化理论和方法的研究有助于进一步加快现代产品模块化、系列化和个性化定制的步伐，符合我国在制造业领域的宏观布局与政策导向．因此，对模块化装备及其相关理论进行深入研究，必将对提高我国机械装备的自主创新能力、加快高精尖装备的应用发展产生重大意义，助力我国实现由制造大国向制造强国的历史跨越．1 模块化机械装备自欧美国家提出模块化的概念之后，模块化设计方法广泛应用于机械行业的各个领域当中，成为现代机械产品设计的普遍方法之一．1.1　工程装备模块化20世纪20年代，欧洲开始将模块化原理应用于机床的设计当中．例如，德国SARMANN公司、GROB公司、SCHIESS公司都进行了机床的模块化研究，其中SCHIESS公司采用模块化设计后，其机床产品从订货到供货的时间压缩到仅需4个月[10-11]．美国也于20世纪末提出了可重组制造系统(RMS)[12]，可重构机床(RMT)和模块化可重构机器(MRM)作为其重要应用，具有低成本、高质量、快速响应等特点，引起许多国内外专家和相关企业进行研究[13-16]．德国Lerinc公司研制的柔性生产系统(FMS)包括储存架、上料工作站、加工工作站、装卸机床托盘等单元模块，可以根据需要进行配置与模块化组装[13]．哈尔滨工业大学于1958年开始进行机床模块化设计，通过研究车、钻、镗、铣、刨、磨机床的共性和个性，设计了积木化机床，并且取得了较好的成效[17]．除此之外，北京第一机床厂、济南第一机床厂、沈阳机床集团等也在不同程度上在传统机床和数控机床上应用了模块化设计，取得了良好的效益[18]．机床的模块化为企业用户提供了不同的机床配置选项，帮助企业灵活配置生产线，降低生产成本．在起重设备方面，瑞典Linden公司生产出世界上第一台模块化平头塔机Linden8000，极大提高了塔机的适应性和灵活性[19]，此后，平头塔机迅速在国际上得到广泛应用，例如，我国抚顺永茂建筑机械有限公司于2018年成功研制了当时世界上最大的平头塔机STT3930-200t．其最大臂长为90 m，最大起重力矩为4.2×107 N·m[20]．模块化技术的应用极大地提高了其安装和施工效率，使得南京浦仪公路跨江大桥某项目至少提前15 d完成任务．除模块化平头塔机外，德国DEMAG公司将模块化设计方法应用于单梁吊车的研制，其设计费用仅为单件设计时的12%，生产成本降为45%[11]．如今DEMAG公司的最新一代的模块化轻型起重系统可以将悬挂式起重机、悬挂式单轨吊、立柱式和墙壁式悬臂起重机进行个性化组合，具有高效灵活的改装扩展性能[21]．芬兰KONE公司采用模块化技术开发了系列桥式起重机，并编写了相应软件系统，大大缩短了设计时间，降低了生产制造成本，其在上海的子公司仅用30人在一年内生产了700台系列起重机，生产效率得到极大提升[11]．我国大连大起集团有限责任公司以模块化设计理论为指导，开发了DSQD系列桥式起重机，与原先产品相比，自重减轻15%~35%，最大轮压减小10%~30%[11]．三一集团有限公司也于2008年开始引入产品的模块化设计方法，提出了工程机械典型接口．目前，模块化技术已在其主营工程机械产品中推广应用，其门式起重机等新产品改型设计周期缩短了一半以上[22]．1.2　交通运输装备模块化汽车行业最早的模块化思想源于北欧一家货车公司Scania，其卡车和巴士的发动机及底盘可在有限的零部件数量上实现85%的零部件通用[23-24]．20世纪下半叶，模块化设计在汽车制造业广泛普及，在现代汽车开发中，模块化与平台化密不可分，共同为提升汽车大规模制造和零部件通用共享提供便利[25-26]．大众于2007年大力推进模块化平台，即架构平台战略，推出发动机横置模块化平台(MQB)，实现了80%以上的零部件通用，极大地节约了开发时间，降低了成本．随后丰田推出丰田新全球架构平台(TNGA)，也将零部件通用率从20%提高到80%．日产也推出了通用模块化谱系平台(CMF)[26-27]．我国早在20世纪70年代引进的斯太尔91系列汽车就运用了模块化设计理念，提出了在5种驱动形式基础上，研发载重13.8~22.0 t共31种车型的模块系列化设计任务[17]．如今模块化技术和平台化开发已经在国内汽车公司中得到广泛应用[28]，例如吉利的CMA平台、广汽的GPMA平台、一汽奔腾的FMA平台等[29-30]，通过平台实现了模块化设计与生产，帮助汽车公司降低成本，实现新产品的快速迭代．模块化造船技术是现代船舶设计的核心技术之一，目前，德国MEKO技术和美国SEAMOD技术较为成熟[31]．MEKO技术由德国布隆•福斯造船公司于20世纪70年代初提出．1980年，第一艘MEKO舰问世，其凭借新颖独特的设计，建造周期从48个月缩短到35个月．第二代护卫舰的建造周期进一步缩短到29个月，同时造价降低，出口订单猛增到48艘，获得了巨大收益[31-32]．目前，该技术已应用于多系列MEKO舰艇研发当中，可以满足不同国家海军需求．20世纪90年代初，中国船舶工业总公司开始进行模块化造船技术的研究，并以3.5×104 t级浅吃水散货船为标准船型，组织广州造船厂与上海船舶设计研究院开发船用模块．其共设计出26种船用舾装模块，其中近13种共计180多个模块应用于2~4万吨级的20艘散货船、运木船、多用途船等[33-34]．文献[35]针对镇江船厂的36 m工程船舶进行了模块化设计，将船体分为船中、船首、船尾及上层建筑四个分段模块，缩短了造船周期．1.3　武器作战装备模块化模块化技术在武器装备方面应用广泛．美国陆军坦克-机动车辆研究发展与工程中心(TARDEC)提出了装甲车辆系列化(AFV)计划，打造了4种重型坦克和2种中型坦克，其中，4种重型坦克的底盘系统包含相同的发动机、传动系统、悬架系统、模块化装甲及履带装置，该计划旨在通过充分采用装甲车辆的模块化设计来降低风险[36]．欧美一些国家还在导弹CAMM，EMM及JCM的研发中采用了模块化设计方法[37-38]．例如欧洲EMM导弹分为引导头、战斗部、制导控制、导航系统、动力装置等模块，可供研制者根据作战需要选择配置[6]．除此之外，模块化技术还应用在美国陆军模块化武器系统(MWS)、德国莱茵金属公司的模块化战车等[39-41]．模块化技术在我军的武器装备设计建造中起步较晚，但目前也已有较多应用和研究[5,42-43]．例如，文献[5]基于模块化方法提出了一种武器装备快速研制系统体系结构和快速设计模型，通过对比，应用该快速研制系统后，型号研制废品率降低30%，研制成本减少18.6%，某部件研制周期缩短一半．文献[42]为提高火炮供弹系统的性能，提出模块划分的原则并对其进行功能分析，将供弹系统分为了储存、转运、扬弹和控制四大模块，形成了供弹系统的分级模块划分结构，经过试验，该模块化供弹系统供弹速率和换弹速度得到明显提高，由此可见武器装备的模块化优势明显．上述分析表明：模块化的设计思想已经广泛应用于国内外机械行业部分种类的装备研制当中，模块化技术的实践使得相关装备研制的周期和成本得到大幅降低，并提高了装备的精细化水平和研发团队的专门化能力，促进相关装备技术不断迭代，行业快速发展，取得了显著成果．然而，现有的机械装备模块化实践大多数还主要依赖经验，模块化理论方法在实践中的应用较少，设计过程缺乏理论依据，相关影响因素难以全面衡量，可能导致装备实际提升效果受到限制．实际上，模块化理论的研究一直滞后于实践．在模块化领域，还缺乏通用的、有效的、系统的模块化设计理论体系，导致模块化技术未能在机械行业的所有领域中得到广泛深入的应用，其优势未能得到全面彰显，因此开展模块化方法的理论研究及其应用研究具有重要意义．2 模块化设计方法模块化在机械装备研制中彰显出了巨大优势，而对模块化理论和方法的研究是推动模块化技术发展的重要原动力．目前，已有众多学者提出了大量适用性各不相同的模块化设计和模块划分方法[44-47]，主要包括基于功能的、基于功能和结构的、面向产品生命周期的三大类方法，其中，面向产品生命周期的方法又包括面向研发、面向生产制造、面向售后和面向全生命周期四个子类．初期，模块化方法考虑因素比较简单，主要从功能出发，基于功能进行模块设计．为进一步提高模块化设计的实际可行性，考虑结构对模块化设计的影响，一些基于功能和结构的方法被提出．随着产品复杂程度提高，市场效益逐渐受到重视，涌现了一些面向产品生命周期各阶段的模块化设计方法，主要可以分为面向研发阶段、面向生产制造阶段和面向售后阶段．进一步地，为全面衡量产品生命周期各阶段的模块化需求，一些研究者提出了面向全生命周期的模块化设计方法．2.1　基于功能的模块化设计方法基于功能的模块化设计方法主要从产品的功能出发，通过建立产品的功能模型，将产品功能分解为若干相对独立的子功能模块，通过组合不同的子功能模块来形成新的个性化产品，方便满足客户对产品的个性化要求．早期的方法仅分析单个子功能的独立性，例如，文献[48]认为产品中的每个功能可以看做是一个具有一定输入/输出(I/O)接口的独立单元，为此提出了一种根据功能之间I/O相关度进行功能模块建立的方法．然而，简单逐个分析各个子功能不能够全面反映机械产品的功能关系．为全面描述产品的功能关系，一些学者开始致力于建立系统的产品功能模型．例如，文献[49]基于产品系统的功能-行为-状态(FBS)模型推导出实体关系，而后自动建立产品的设计结构矩阵(DSM)，并采用K均值算法在DSM的基础上进行模块聚类．该方法避免了专家咨询和填写DSM的繁琐工作．文献[50]还在模块化设计中考虑技术演化对功能模块的影响，结合了TRIZ理论(发明问题解决理论)，提出了基于技术演化驱动的模块演化方法，并以液压挖掘机工作装置为例，验证了方法的有效性．针对面向大规模定制的产品模块化配置问题，要综合考虑模块的性能、成本和时间等因素，进行多目标问题求解．为此，文献[51]将上述因素作为目标，通过建立数学模型，基于NSGA-Ⅱ算法[52]提出了多目标产品配置优化方法，得到产品配置的帕累托(Pareto)解集，并进一步提出了基于模糊的方案评价和选择机制，从而在Pareto解集中选择模块划分最佳方案．经过对比，该算法在计算效率和精度方面表现出了更好的性能．基于功能的设计方法虽然能够实现产品模块化，实现一定的个性化需求，但是这类方法大多忽略了零部件结构对模块化设计的影响．若模块内部结构不合理，则将降低模块本身的生产和装配效率；若模块外部接口结构不合理，则将会影响到模块之间的组合．因此，由可制造性衍生的零部件间物理相关关系也应当在模块化设计过程中加以考虑，并且为模块未来的改进设计提供便利[53]．2.2　基于功能和结构的模块化设计方法基于功能和结构的模块化设计方法在考虑功能模块的同时，将零部件之间的物理结构关系也作为模块化设计的重要参考依据，并定量(如采用DSM)描述零部件之间的功能和结构关系，在此基础上进行模块的聚类．此类方法考虑了结构对模块化设计的影响，有利于产品模块的生产和组装，并且可以为模块的改进升级提供基础．一些研究从已有产品中通过分析功能和结构关系识别相应模块．例如文献[54]提出模块识别的基本原则和方法，该原则包括：识别个性化组件、分离可能发生变化的组件、提高功能独立性和提高结构独立性．通过建立数学模型和目标函数，将上述原则转化为多目标组合优化问题进行求解．例如，在分离变化组件的原则中，使用工程度量(engineering metric，EM)和变化响应向量(change response vector，CRV)指标来描述需求变化导致的部件变更成本，使模块整体变更成本最小．然而，该方法须预先设定模块数量，且划分结果对上述各个原则的权重敏感度较高，对于已有产品的改型设计具有一定适应性，难以应用于新产品的设计研发．为解决模块聚类过程中功能和结构等实际信息具有不确定性的问题，降低模块划分结果对输入参数的敏感性，一些研究者将模糊理论应用到模块化方法中．例如，文献[55]将模糊理论引入到寻求模块划分最优方案的过程中，使用模糊集合理论，从其提出的SPEA2+算法求得的帕累托解集中选取最优模块划分方案．文献[56]也针对模块化过程中存在零件间关联关系准则多、信息模糊和缺失的问题，引入了模糊综合关联关系来描述零件之间的功能、联接、物理相关关系，并发展了一种基于模糊非支配解的多目标粒子群优化算法，求解最优模块划分方案．以柱塞泵为例进行的模块化结果表明：该方法从模糊建模到模糊求解，有效解决了模块化设计过程中信息转化与传递时的模糊和不确定性问题．然而，该方法人工工作量较大，优化求解的过程复杂，耗时较长．除模糊数学理论在模块化设计中得到大量应用外，一些研究者也开始尝试着将更多的数学方法引入到模块化设计过程中．例如，文献[57]在模块聚类的过程中，采用解释结构模型(ISM)进行模块聚类，使用分解影响指数(DEI)的方法对零部件之间的结构关系进行数值建模，如图1所示．该方法以自行车为例进行案例研究，将自行车分为了四个产品族．文献[58]将可拓学理论引入到模块化设计中，将模块化设计问题转换为可拓理论模型，为使产品模块同时保持功能独立性和结构独立性，使用公理化设计与谱系聚类方法进行结构模块的相关性分析与聚合．文献[59]提出一种混合的模块生成算法R-IGTA，该算法建立在设计结构矩阵(DSM)和模块功能部署(MFD)两种基于矩阵的模块化设计方法之上，同时考虑模块之间的耦合和相似，平衡了模块的独立性和相似性，弥补了基于DSM和MFD表示的差距．10.13245/j.hust.211004.F001图1Hsiao的模块化方法流程图基于功能和结构的模块化设计方法同时考虑了功能和结构对模块化设计的影响，为生产组装过程提供了一定便利．然而，这些方法考虑影响模块化设计的因素仍然不够全面，模型较为简单，忽略了市场需求、企业竞争、产品效益等外部因素，在复杂变化的市场竞争中，这些方法难以大幅提升产品竞争力，企业在市场中的长期立足和持续发展难以保证．2.3　面向产品生命周期的模块化设计方法面向产品生命周期的模块化设计方法则从客户需求的角度出发，引入产品生命周期的概念对产品进行模块化设计[45]．这类方法不局限于产品本身，在考虑产品本身功能和结构的基础上，同时能够考虑市场需求、企业竞争、产品效益等外部因素对模块化设计的影响，为企业提高核心竞争力．同时，考虑到模块化设计的多角度特性[60]，根据设计者的特定意图和设计目的不同，这类方法可进一步分为面向研发阶段、面向生产制造阶段、面向售后阶段和面向全生命周期4种子类型．2.3.1　面向研发阶段面向研发阶段的方法目的是方便产品的研发工作，主要考虑影响研发工作的产品要素．其中一些方法针对产品早期概念设计，大部分则侧重于缩短研发周期，快速研发设计新产品，还有的针对团队协作和加密信息保护等．为提高新产品研发效率，同时降低研发成本，文献[61]将流分析和模糊方法引入产品研发过程，提出了一种基于产品族核心的、支持衍生自适应的灵活平台模块化设计方法，如图2所示．该方法能够识别影响产品性能属性的敏感元素，帮助企业减少繁琐研发设计工作、加快交货时间．通过对液压支撑平台进行实例验证，该方法与传统DSM设计方法相比表现出更高的计算效率和有效性．文献[62]使用模块化方法进行液压挖掘机的配置设计研究，面向产品管理、配置设计等提出了系统模型，可以根据客户需求实现快速个性化的产品配置．10.13245/j.hust.211004.F002图2灵活平台模块化方法流程图在复杂产品的模块化设计中，团队协作与加密信息保护也至关重要．文献[63]提出了一种基于矩阵的、支持安全的模块化方法，该方法将产品信息参数分为共享的和保护的，针对具有共享和保护参数的设计矩阵，提出一种三相聚类的方法来形成产品模块，该方法能够将保护参数分组隔离，避免在协同设计当中某些机密数据的泄露风险．针对产品的供应链和合作伙伴之间泄露机密信息的潜在风险，文献[64]提出的产品模块化设计方法考虑了受保护的模块和共享模块的参数之间的交互作用和影响，旨在降低知识产权泄露的风险，帮助企业选择优秀的供应商同时降低风险和成本，该方法在飞机外挂架的研究中得到了应用．面向研发阶段的模块化设计方法为产品研发工作提供了便利，有助于在大规模的产品研发团队中分工协作，提高研发效率，加快新产品的迭代速度，并保护好产品敏感信息．2.3.2　面向生产制造阶段面向生产制造阶段的模块化设计方法主要针对产品的生产、制造、装配及供应商等问题，强调模块的可制造性，旨在降低产品的生产制造成本．为保证设计模块的可制造性，文献[65]使用基于组件的DSM聚类进行模块化产品体系结构的定义和识别，其步骤如图4所示．在这个过程中，该方法关注的是模块实体，强调可以被构建、生产和加工的物理模块，其有效性在一个通用喷气发动机的聚类过程中得到验证．图3中：建模/数据获取步骤包括数据类型、评分尺度、对称/非对称、直接/间接相互作用部分；数据预处理步骤包括角度减少、数据协调部分；DSM步骤包括算法、目标函数部分；评价/后处理步骤包括聚类结果验证、实际接口识别和不同层次产品的调查部分．10.13245/j.hust.211004.F003图3Helmer提出的聚类步骤10.13245/j.hust.211004.F004图4面向维修的复杂装备模块化设计方法为降低生产制造成本，文献[66-67]基于成本提出了产品各部件之间相似性和依赖性的表示方法，建立评价矩阵从而形成产品模块，旨在降低产品的生产加工成本．文献[68]认为制造单元的构建是制造资源聚类的过程，通过模块化聚类分析来剖析制造系统的资源和模块单元构成，从而控制整体性能、寿命和成本．文献[69]提出以降低装配成本为主要目标的模块化产品设计方法．通过区分确定关键组件，分析与关键组件相关的装配成本，应用该算法确定模块结构并计算出总装配成本，该方法在咖啡机上得到应用，验证了该方法能够得到更低装配成本，但该方法中关键零部件的数量须人为确定，存在一定局限性．面向生产制造阶段的模块化设计方法将模块的实际可制造性和经济性作为首要考虑因素，解决了产品模块设计与模块制造之间信息不对等导致的矛盾问题，并有效降低产品的生产制造难度和成本．2.3.3　面向售后阶段面向售后阶段的方法考虑用户的使用、维修及产品的回收等方面，一些强调产品的拆装便捷性，以便快速拆装、维修，降低维修成本，一些则侧重零部件和材料的回收，达到绿色减排的目的．为便于模块拆卸装配和维修，文献[70]关注了产品组件的拆卸问题，提出了一种产品拆卸的表示方法，采用三角化算法和产品模块化建模，分析组件拆卸关系，识别确定产品的模块化方案和拆解模式．针对传统复杂装备在维修过程中的被动和不便等问题，文献[71]在装备的设计阶段就引入维修相关的驱动要素，如图4所示，将维修成本、维修复杂度和维修效率等作为模块化设计的准则，提出一种面向维修的复杂装备模块化设计方法，旨在实现复杂装备对维修的快速响应，降低维修成本．该方法以沈阳某机床厂的GMC型精密五轴加工中心为例进行应用，得到了支撑模块、工作台模块、刀库模块和防护模块等9个模块，验证了方法面向维修的有效性．在考虑模块拆装便利性的同时，也应考虑零部件的绿色回收重用．为此，文献[72]提出了一种绿色的模块化设计方法，综合考虑产品的技术系统模块化和材料重用模块化，强调主动-从动的双层决策模型，旨在提高材料效率．该方法以一家冰箱公司为例，展示了该方法针对绿色模块化设计的优势．文献[73]也关注产品的环境属性，从功能优化和环境优化两个方面确定产品模块化设计准则，提出了基于模拟退火和遗传算法(SAGA)的模糊C均值算法(FCM)算法，克服遗传算法的早熟现象，并以数控机床为例验证了其与传统FCM算法相比所具有的优势．面向售后阶段的模块化设计方法主要针对产品模块维修和回收的问题，使得产品在生命周期的末期便于模块的维修、更换和回收，提高了产品的绿色程度，有助于资源回收和环境保护．2.3.4　面向全生命周期上述方法均为面向产品生命周期中的某一个或几个特定阶段．虽然针对性较好，但对其他阶段的影响却缺乏考虑，针对某一阶段进行的模块化设计可能在其他阶段存在不合理的情况；因此，研究人员考虑生命周期各阶段的选项和需求，尝试寻找产品生命周期各个阶段在模块化设计中的平衡点，使得模块化在各个阶段中均具有相对较高的有效性．文献[3-4]最早提出了面向产品全生命周期的集成模块化设计方法，同时从装配、维修、回收、升级等角度考虑，建立相应的数学模型和目标函数，对不同的相关因素赋予一定权重，采用遗传进化算法、模拟退火算法进行求解．文献[74]研究了面向产品全生命周期的模块化产品结构(MPS)动态演化方法，针对生命周期各阶段构建了分阶段演化系统，提出了部件和模块演化的四种形式：添加，删除，修改，替换．该方法的应用可以推动产品产生新的模块，进行产品服务的更新换代．理想情况下，面向全生命周期的模块化设计可以同时实现产品在其生命周期各个阶段的需求目标，但实际上这些需求目标经常会产生冲突，一些相互矛盾的需求目标难以同时得到满足．为解决由于产品生命周期的各阶段的需求导向不同而带来的模块划分不同、进而导致模块在各阶段的有效性不高的问题，文献[75]提出了一种有效性驱动的模块聚类方法，如图5所示，图中：建立产品描述模型步骤包括识别产品组件空间、识别组件交互属性、识别组件联系结构环节；对生命周期各阶段进行组件聚类步骤包括将产品描述模型映射到各阶段、计算各阶段的相互作用、对各阶段划分联系环节；构建综合模块步骤包括计算总相互作用、将组件聚合到单一模块、分析模块化结果环节．该方法使用产品组件空间、交互属性和联系结构来描述产品模型，并根据产品生命周期各阶段的特性提出了三种聚类原则，在一定程度上平衡了模块在各阶段场景的有效性，提高了模块的整体有效性，但该方法的准确性仍然依赖各阶段的权重分配．10.13245/j.hust.211004.F005图5有效性驱动的模块化框架尽管这些面向全生命周期的方法试图平衡模块化在生命周期各个阶段的影响，也得到了一定成果，但这些方法的整体有效性往往依赖于对不同需求的权重分配，同时这类方法也失去了对某些特定问题的针对性和特异性．综上所述，上述三大类方法在一定的范围内均具有较好的表现，能够满足一定需求，但各自也存在一些问题与不足．表1对上述方法进行了归纳总结．10.13245/j.hust.211004.T001表1模块化方法总结分类特点不足基于功能强调功能模块，通过功能组合产生新产品，满足客户个性化需求缺乏对零部件结构及模块外部接口结构的考虑，影响生产装配效率基于功能和结构同时考虑产品零部件功能和结构的联系，利于模块组装，便于改进升级考虑模块化设计的影响因素不够全面，没有考虑外部市场因素面向产品生命周期面向研发阶段方便产品的研发工作、缩短研发周期、便于研发团队协作、敏感信息保护等虽具有一定的针对性优点，但对其他阶段缺乏考虑，容易出现设计不合理的情况面向生产制造阶段强调模块的可制造性，降低生产制造成本面向售后阶段强调拆装便利性、降低维修成本、绿色回收减排面向全生命周期考虑生命周期各阶段的需求，平衡各阶段的有效性整体有效性依赖于不同需求的权重评估，同时也失去了针对性优势3 目前存在的问题尽管模块化技术发展多年，模块化设计理论与方法及模块化装备的研发均取得了大量成果；但是，现有的模块化方法仍然不能够满足当今装备制造领域快速变化的市场形势，难以有效指导模块化实践，模块化装备的各方面性能整体提升水平有限．究其原因，主要存在下列几个主要问题．a. 模块化装备设计过程依赖知识经验，综合性能难以保证．对于目前现有的模块化装备，其设计过程大多依赖知识经验，从装备产品以往的设计、制造和使用的过程中发现其存在的问题，从而依据经验将装备划分为几个模块，进行模块化设计．由于缺乏理论方法的系统指导，使得模块化装备的各方面设计缺乏严谨的论证，各方面性能表现也无法得到系统准确的评估，在实际应用中，不同的模块化需求之间将出现矛盾，难以调和，综合性能难以得到最大程度的保证．b. 零部件相关性评估数据量庞大，计算过程复杂．大多数方法主要通过自底向上的方法将底层零部件进行模块聚类，这个过程主要基于底层零部件之间的相关关系数学模型．然而，对于大型复杂机械装备而言，零部件数量庞大、相互关联维度多、功能结构复杂，这使得须输入的数据量增多、方法的计算量几何级增长，导致方案的寻优过程也变得复杂和漫长．c. 零部件相关性评估主观因素强，缺乏客观基础．当建立产品各零部件之间的相关关系数学模型时，无论这个过程的具体方法和具体形式怎样，都须人工对零部件之间的关系进行评价．而人工评价主观依赖性强，对专家的经验水平要求较高，评估过程缺乏客观基础，不同的专家个体差异性也较大，不能够保证方法的稳定性．d. 局部需求与全局有效性相互矛盾，尚未调和．由于从产品设计、制造、使用等不同方面考虑，会对模块化设计有不同的要求，因此各种方法的针对性侧重点也有所不同，全局有效性得不到保障，容易导致设计不合理，增加成本等问题．尽管一些方法声称考虑产品生命周期各阶段中的各方面因素，试图平衡生命周期各个阶段对模块化的要求，但其须合理分配各阶段各因素的权重，一方面依赖人的主观评价，整体有效性未必能得到保障，另一方面也会导致局部特性不佳，失去了对某些特殊环境下对特定模块化需求的针对性优势．整体来看，局部特性和全局有效性两者存在矛盾，尚不能兼得．e. 各类方法应用范围宽泛，缺乏特殊需求考虑，针对性不强．目前的大部分模块化设计方法在一定范围内具有适用性，但其使用范围过于宽泛，设计对象不够明确，针对性不够强，在针对特定工作环境下、有特殊需求的大型复杂装备方面没有特别考虑和针对性的方法．如在地质灾害环境下，对救援装备模块运输的便利性和现场拆装的作业效率有较高要求，现有的方法没有针对性的考虑选项，未将其作为模块化设计的重要原则，因此难以满足极端环境下对装备拆装效率和工作可靠性的要求．4 发展趋势针对现有模块化设计方法存在的问题与当今国内外机械装备行业的实际需求，未来模块化机械装备及其设计方法的发展趋势如下．a. 零部件相关性评估方法逐渐向完备客观、准确高效的方向发展．零部件相关性描述的完整性和准确性对模块化设计结果的合理性和科学性具有决定性影响．与传统大批量生产产品相比，现代大型复杂机械产品系统具有复杂性和异质性[46]，子系统数量巨多、系统要素之间存在多重耦合关系，对应的零部件数量庞大，部件之间的相关关系也相当复杂，完整准确的相关性数学模型有助于机械装备进行后续准确科学的模块划分和性能评估．近年来我国科技部、工信部、发改委等多个部委文件多次提及大型机械装备、高端复杂装备的模块化，对模块化技术提出了更高的要求．因此，针对大型复杂机械装备系统的零部件相关性评估方法亟待建立．一方面，该体系应当充分考虑机械装备中各子系统、零部件之间在功能、结构、能量、信息等各方面的相关维度，保证相关性评估的完整性；另一方面，降低相关性评价对人的主观依赖性，使用相对客观的方法准确评价零部件相关性，同时减少人工工作量，提高评估过程的效率．最终，产品零部件相关性评估方法将实现完备客观、准确高效．b. 模块化设计方法逐渐形成整体完备、具有一般普适性、能够多情景适用的理论体系．模块化的相关理论方法在许多学者的努力下已经取得了一定的研究成果，完整的模块化设计理论体系可以将这些研究成果进行有机整合．在未来，在整体理论体系框架的科学指导下，可进一步根据领域门类、具体模块化需求和特殊要求，综合考虑各因素权重和模块化整体有效性，对具体方法和相关指标进行科学选择，并有机结合起来，从而进行模块化设计的具体工作．该理论体系应既能够在顶层指导模块化设计方法的具体选择与应用，在全行业各领域具有通用性，又能够在具体领域具体问题上进行局部考量，进行针对性的应用求解，保证模块化设计的全局有效性．最终将形成整体完备、具有一般普适性、能够多情景适用的模块化设计理论体系，将有助于推动模块化设计在整个行业的推广应用．c. 模块化装备向着统筹全局、设计与研制相结合的方向发展．随着模块化设计的理论方法研究进一步深入，相关方法必将在模块化装备的设计实践当中广泛应用．未来，模块化装备将有科学的模块化设计理论方法指导，能够全面综合地考察机械装备在不同维度、不同生命周期阶段、不同工作环境的具体模块化需求，调和需求矛盾，提升装备整体有效性．此外，使用系统的数学模型和数学方法对机械装备进行模块化设计，并应用相关模块化方案评估理论体系，科学评价模块化装备的综合性能，可以为装备的改进设计提供理论依据．整体上，模块化装备向着统筹全局、设计与研制相结合的方向发展．模块化理论方法在机械装备上的实践应用，将减少模块化装备的设计过程对个人经验的依赖性，降低设计的不确定性，有助于实现模块化装备的不间断更新和连续性迭代，为客户提供稳定可持续的模块化装备产品．d. 模块化技术逐渐在灾害应急救援装备领域得到应用和发展．我国国土面积辽阔，地质条件复杂，地震、泥石流、山体滑坡等重大灾害发生频率高、分布地域广、危害程度高．模块化技术可以帮助应急救援装备进行“大转小”模块化改造，通过建模分析模块的划分方案及快速拆装结构，在保证结构可靠性的前提下，限制模块体积和质量，优化模块拆装时间，形成快速拆装的模块化救援装备．当灾害发生时，道路桥梁损坏严重，交通闭塞，救援装备可以分模块使用空中运输工具快速抵达灾害现场，并在现场高效组装快速投入抢险救灾，可以极大地提高重大灾害的救援效率，减少人员伤亡和财产损失．近年来，科技部、应急管理部多次支持重大自然灾害的救援装备模块化技术发展，为模块化救援装备的研究提供了政策支持．针对救援装备的模块化设计方法应当充分考虑灾害环境下的多约束条件．综合考虑灾害情况下对运输便利性、拆装效率、工作可靠性、复杂工况适应性等多约束条件，通过模块划分方案评价、结构尺度优化等方法，得到救援装备的最优模块化拆解方案，最终形成一种面向大型救援装备的、实现便于运输和快速拆装的模块化设计方法．5 结语模块化技术是机械装备的发展趋势之一，是在市场个性化、大规模定制的需求下，帮助企业提升企业产品竞争力、适应复杂多变市场环境的重要途径之一，是提高机械装备生产效率及运输效率的重要保障，因此大力发展机械装备模块化技术有助于提高我国机械装备技术创新水平、提升国际市场竞争力．随着模块化技术发展，大量模块化设计方法涌现出来，整体分为基于功能的方法、基于功能和结构的方法和面向产品生命周期的方法三大类．在综述了模块化机械装备及模块化设计方法的基础上，指出了当前模块化装备研制仍然依赖于经验，模块化设计方法尚存在计算量庞大、对人的主观依赖性强、全局与局部因素矛盾、缺乏特殊工况考虑等问题，这些问题阻碍了模块化装备推广应用的步伐．指出相关性评估方法向着完备客观、准确高效发展，并逐渐形成一套整体完备、具有一定普适性、能够多情景应用的模块化设计理论体系，从而准确应用于模块化装备的研发，并在应急救援等领域得到应用和发展．