Модульдік дизайн: жүйелік құрастыру қағидалары мен артықшылықтары

Кіріспе

Дизайнға қатысу тәсілі

Модульдік дизайн, немесе дизайнның модульдік принципі – жүйені модульдер деп аталатын кішірек бөліктерге бөлу (мысалы, модульдік процестік блоктар), оларды тәуелсіз түрде жасауға, өзгертуге, ауыстыруға немесе басқа модульдермен немесе түрлі жүйелермен алмастыруға мүмкіндік береді.

Шолу

Модульдік дизайн функционалдық бөліністі дискретті, кеңейтілетін және қайта пайдаланылатын модульдерге бөлумен, жақсы анықталған модульдік интерфейстерді қатаң қолданумен және интерфейстер үшін өнеркәсіп стандарттарын пайдаланумен сипатталады. Осы контексте модульдік компонент деңгейінде және бір өлшемге ие – компоненттің ауыстырылуы. Осы шектеулі модульділігі бар модульдік жүйе әдетте модульді компоненттерді пайдаланатын платформа жүйесі ретінде белгілі. Мысал ретінде автомобиль платформалары немесе компьютерлік инженерлік платформалардағы USB порты келтіріледі. Дизайн теориясында бұл жоғары өлшемді модульділікке және еркіндік дәрежесіне ие модульдік жүйеден ерекшеленеді. Модульдік жүйелердің нақты өмір сүру мерзімі жоқ және кем дегенде үш өлшемде икемділік көрсетеді. Осыған байланысты модульдік жүйелер нарықта өте сирек кездеседі. Mero архитектуралық жүйелері нарықтағы нақты өнімдер тұрғысынан модульдік жүйеге ең жақын мысал болып табылады. Қару платформалары, әсіресе аэроғарышта, модульдік жүйелер болып табылады, онда ұшақ корпусы өмір бойы бірнеше рет жаңартылуға арналған, толығымен жаңа жүйе сатып алынбайды. Модульділік ең жақсы әсер ететін өлшемдермен немесе форма, құн немесе операциядағы еркіндік дәрежесімен анықталады. Модульділік мысалы, шығындарды азайту (жекешелендіруді жүйенің бір бөлігімен шектеуге болады, егер бүкіл жүйені жөндеу қажет болмаса), өзара үйлесімділік, оқу уақытын қысқарту, дизайн икемділігі, ұрпаққа байланысты емес кеңейту немесе жаңарту (жаңа модульді қосу арқылы жаңа шешімді енгізу) және алып тастау сияқты артықшылықтарды ұсынады. Платформа жүйелерінде модульділік масштабтау арқылы маржаны қайтару, өнімді әзірлеу шығындарын азайту, пайдалану және күтім шығындарын азайту және нарыққа шығу уақытын қысқарту артықшылықтарын ұсынады. Платформа жүйелері нарықта жүйелік дизайнды кеңінен қолдануға және өнім компанияларына өнім циклінің жылдамдығын ҒЗЖ жолдарынан ажыратуға мүмкіндік берді. Модульдік жүйелердің ең үлкен кемшілігі – дизайнер немесе инженер. Көптеген дизайнерлер жүйелерді талдау бойынша нашар оқытылған, ал инженерлер дизайн бойынша нашар оқытылған. Модульдік жүйенің дизайн күрделілігі платформа жүйесінен әлдеқайда жоғары және жүйелерді әзірлеудің тұжырымдамалық кезеңінде дизайн және өнім стратегиясы бойынша сарапшыларды қажет етеді. Бұл кезең модульдік артықшылықтарды қамтамасыз ету үшін жүйеде қажетті бағыттар мен икемділік деңгейлерін алдын ала болжауы керек. Модульдік жүйелерді толық немесе тұтастай дизайн ретінде қарастыруға болады, ал платформа жүйелері көбірек редукционисттік болып табылады, модульділікті компоненттермен шектейді. Толық немесе тұтастай модульдік дизайн платформа жүйесінен әлдеқайда жоғары дизайн шеберлігі мен күрделілігін талап етеді. Автомобильдер, компьютерлер, процестер жүйелері, күн панельдері, жел турбиналары, лифттер, жиһаз, тоқыма станоктары, теміржол сигнализациясы жүйелері, телефон станциялары, құбыр аспаптары, синтезаторлар, электр қуатын тарату жүйелері және модульдік ғимараттар – әр түрлі деңгейдегі компоненттік модульділікті пайдаланатын платформа жүйелерінің мысалдары. Мысалы, күн сәулесінің құрамына кіретін бөлшектерден күн сәулесінің текшесін құрастыру мүмкін емес, жүк көлігінің қозғалтқышын оңай ауыстыру мүмкін емес немесе модульдік тұрғын үй блогын бірнеше жылдан кейін басқа конфигурацияға ауыстыру мүмкін емес, модульдік жүйеде болғандай. Осы негізгі қасиеттер модульдік жиһаздарды өте әмбебап және бейімделгіш етеді. Бүгінгі нарықта модульдік жүйелердің жалғыз мысалдары – нұсқадан толығымен желілік парадигмаға ауысқан кейбір бағдарламалық жүйелер. Модульдік дизайн стандарттаудың жаппай өндіріс артықшылықтарын жекешелендірумен үйлестіреді. Модульділіктің дәрежесі, өлшем бойынша, мүмкін болатын жекешелендіру дәрежесін анықтайды. Мысалы, күн панельдері жүйелері 2 өлшемді модульділікке ие, бұл массивті x және y өлшемдерінде реттеуге мүмкіндік береді. Модульділіктің қосымша өлшемдері панельдің өзі мен оның қосалқы жүйелерін модульді ету арқылы енгізіледі. Модульдік жүйелердегі өлшемдер форма, құн немесе өмірлік цикл сияқты әсер ететін параметр ретінде анықталады. Mero жүйелері 4 өлшемді модульділікке ие, x, y, z және құрылымдық жүктемеге. Кез-келген заманауи конвенциялық кеңістікте көрініп тұрғандай, кеңістіктік құрылымның қосымша екі өлшемді модульділігі күннің 2 өлшемді модульділігінен гөрі форма мен функцияда әлдеқайда икемділікке мүмкіндік береді. Егер модульділік дұрыс анықталған және дизайн стратегиясында қарастырылған болса, модульдік жүйелер нарықта айтарлықтай бәсекелестік артықшылықтарды құруы мүмкін. Нағыз модульдік жүйе өнімдік циклға сүйенбей-ақ, өзінің функционалдығын қазіргі нарық жағдайына бейімдей алады. Дұрыс жобаланған модульдік жүйелер пайдасыз сыйымдылықты алып тастаудың экономикалық артықшылығын да ұсынады, сыйымдылықты пайдалану деңгейін және оның құн мен баға икемділігіне әсерін арттырады.

A modular design can be characterized by functional partitioning into discrete scalable and reusable modules, rigorous use of well defined modular interfaces, and making use of industry standards for interfaces. In this context modularity is at the component level, and has a single dimension, component slottability. A modular system with this limited modularity is generally known as a platform system that uses modular components. Examples are car platforms or the USB port in computer engineering platforms. In design theory this is distinct from a modular system which has higher dimensional modularity and degrees of freedom. A modular system design has no distinct lifetime and exhibits flexibility in at least three dimensions. In this respect modular systems are very rare in markets. Mero architectural systems are the closest example to a modular system in terms of hard products in markets. Weapons platforms, especially in aerospace, tend to be modular systems, wherein the airframe is designed to be upgraded multiple times during its lifetime, without the purchase of a completely new system. Modularity is best defined by the dimensions effected or the degrees of freedom in form, cost, or operation. Modularity offers benefits such as reduction in cost (customization can be limited to a portion of the system, rather than needing an overhaul of the entire system), interoperability, shorter learning time, flexibility in design, non generationally constrained augmentation or updating (adding new solution by merely plugging in a new module), and exclusion. Modularity in platform systems, offer benefits in returning margins to scale, reduced product development cost, reduced O&M costs, and time to market. Platform systems have enabled the wide use of system design in markets and the ability for product companies to separate the rate of the product cycle from the R&D paths. The biggest drawback with modular systems is the designer or engineer. Most designers are poorly trained in systems analysis and most engineers are poorly trained in design. The design complexity of a modular system is significantly higher than a platform system and requires experts in design and product strategy during the conception phase of system development. That phase must anticipate the directions and levels of flexibility necessary in the system to deliver the modular benefits. Modular systems could be viewed as more complete or holistic design whereas platforms systems are more reductionist, limiting modularity to components. Complete or holistic modular design requires a much higher level of design skill and sophistication than the more common platform system. Cars, computers, process systems, solar panels, wind turbines, elevators, furniture, looms, railroad signaling systems, telephone exchanges, pipe organs, synthesizers, electric power distribution systems and modular buildings are examples of platform systems using various levels of component modularity. For example, one cannot assemble a solar cube from extant solar components or easily replace the engine on a truck or rearrange a modular housing unit into a different configuration after a few years, as would be the case in a modular system. These key characteristics make modular furniture incredibly versatile and adaptable. The only extant examples of modular systems in today's market are some software systems that have shifted away from versioning into a completely networked paradigm. Modular design inherently combines the mass production advantages of standardization with those of customization. The degree of modularity, dimensionally, determines the degree of customization possible. For example, solar panel systems have 2 dimensional modularity which allows adjustment of an array in the x and y dimensions. Further dimensions of modularity would be introduced by making the panel itself and its auxiliary systems modular. Dimensions in modular systems are defined as the effected parameter such as shape or cost or lifecycle. Mero systems have 4 dimensional modularity, x, y, z, and structural load capacity. As can be seen in any modern convention space, the space frame's extra two dimensions of modularity allows far greater flexibility in form and function than solar's 2 d modularity. If modularity is properly defined and conceived in the design strategy, modular systems can create significant competitive advantage in markets. A true modular system does not need to rely on product cycles to adapt its functionality to the current market state. Properly designed modular systems also introduce the economic advantage of not carrying dead capacity, increasing the capacity utilization rate and its effect on cost and pricing flexibility.

Көлік құралдарында

Модульдік дизайнның ерекшеліктерін автомобильдерде немесе басқа көлік құралдарында көруге болады, мысалы, көліктің қалған бөлігін өзгертпестен, оған қосылатын немесе алынып тасталатын белгілі бір бөліктері болады. Автомобильдердегі модульдік дизайнның қарапайым мысалы – көптеген автомобильдер базалық модель ретінде шығарылса да, қосымша төлем жасау арқылы, қуаттырақ қозғалтқыш, көлік аудио жүйесі, желдеткішті орындықтар немесе маусымдық шиналар сияқты "қосылатын" жаңартуларды алуға болады; мұндай жаңартулар шасси, рульдік басқару, электр қозғалтқышы немесе аккумулятор жүйелері сияқты автомобильдің басқа бөліктеріне ешқандай өзгеріс енгізуді қажет етпейді.

Машиналар мен сәулет саласында

Модульдік дизайн кейбір ғимараттарда кездеседі. Модульдік ғимараттар (сондай-ақ модульдік үйлер) әдетте зауытта өндірілетін және кейін құрылыс алаңына жеткізіліп, әртүрлі конфигурацияда жиналатын әмбебап бөліктерден (немесе модульдерден) тұрады. Модульдік ғимараттардың мөлшерін белгілі бір компоненттерді қосу немесе алып тастау арқылы арттыру немесе кемітуге болады. Бұл ғимараттың негізгі бөліктерін өзгертпей жасалуы мүмкін. Модульдік ғимараттар компоненттерді қосу немесе жою арқылы функционалдық өзгерістерге де ұшырауы мүмкін. Мысалы, кеңсе ғимараты қабырғалар, каркастар, есіктер, төбелер және терезелер сияқты модульдік бөліктерден салынуы мүмкін. Содан кейін интерьері қосымша қабырғалармен бөлініп, жұмыс үстелдері, компьютерлер және толыққанды жұмыс істеу үшін қажетті басқа да заттармен жабдықталады. Егер кеңсеге қызметкерлерді орналастыру үшін кеңейту немесе қайта бөлу қажет болса, бүкіл ғимаратты өзгертпей, қажетті өзгерістерді жасау үшін қабырға панельдері сияқты модульдік компоненттерді қосуға немесе орнын ауыстыруға болады. Кейіннен осы кеңсе бөлшектеніп, сауда алаңы, конференц-зал немесе басқа да ғимарат түріне айналдырылуы мүмкін, мұнда бастапқыда кеңсе ғимаратын құраған модульдік компоненттер қолданылады. Жаңа ғимарат оның мақсатына сәйкес функцияларды орындау үшін қажетті заттармен қайта жабдықталады. Allied Modular сияқты компания ұсынатын басқа да модульдік ғимараттардың түрлеріне күзет үйі, жабдықтарды қорғау корпусы, баспасөз орталығы, конференц-зал, екі қабатты ғимарат, таза бөлме және тағы да көптеген қолданыстар жатады. Модульдік ғимараттар туралы көптеген жаңылыс пікірлер бар. Шындығында, модульдік құрылыс – жылдам дамып келе жатқан және қарқынды өсіп келе жатқан компаниялар үшін тиімді құрылыс әдісі. Бұл салаларға денсаулық сақтау, коммерциялық құрылыс, бөлшек сауда, әскери және көппәтерлі/студенттік жатақханалар жатады.

Компьютерлік жабдықта

Компьютерлік аппараттық құрылымдық дизайн басқа да заттардағыдай (мысалы, көліктер, тоңазытқыштар және жиһаз) болады. Мақсаты – компьютерлерді стандартталған интерфейстерді қолданатын, оңай алмастырылатын бөліктерден құрастыру. Бұл техника пайдаланушыға ескі компьютерді толығымен алмастырмай, компьютердің белгілі бір бөліктерін жаңартуға мүмкіндік береді. Компьютер – құрылымдық дизайнның ең жақсы мысалы. Типик компьютерлік модульдерге компьютер корпусы, қуат блогы, процессорлар, аналық платалар, бейнекарталар, қатты дискілер және оптикалық дискілер жатады. Егер пайдаланушы бірдей стандартты интерфейсті қолдайтын бөліктерді қолданса, осы бөліктердің барлығы оңай алмастырыла алады.

Смартфондарда

Модульді смартфон идеясы Project Ara жобасында зерттелді, ол өндірушілерге смартфонға модульдер жасауға мүмкіндік беретін платформаны ұсынды, оларды соңғы пайдаланушы өзгерте алатын еді. Fairphone да осыған ұқсас принципті қолданады, онда пайдаланушы телефонды жөндеу немесе жаңарту үшін жеке бөліктерді сатып ала алады.

Теледидарларда

1963 жылы Motorola компаниясы алғашқы тікбұрышты түсті экранды теледидар түтігін, ал 1967 жылы модульді Quasar брендін ұсынды. 1964 жылы ол АҚШ-тан тыс алғашқы ғылыми-зерттеу және әзірлеу бөлімшесін Израильде, Мұса Басин басқаруымен ашты. 1974 жылы Motorola өзінің теледидар бизнесін Жапониядағы Matsushita компаниясына, Panasonic компаниясының бас компаниясына сатты.

Қару-жарақ саласында

Кейбір атыс қарулары мен қару-жарақтар техникалық қызмет көрсетуді және пайдалануды жеңілдету үшін, сондай-ақ оларды таныс ету мақсатында модульдік құрылымды қолданады. Мысалы, неміс қару өндірушісі Heckler & Koch түрлі болғанымен, сыртқы түрі жағынан және көп жағдайда ішкі құрылымы жағынан ұқсас бірнеше қару шығарады. Оларға G3 шайқас мылтығы, HK21 жалпы мақсаттағы пулемет, MP5 иесіз автоматтары, HK33 және G41 автоматтары, сондай-ақ PSG1 снайперлік мылтығы жатады.

Сауда-саттық көрмелері мен сауда көрмелерінде

Модульдік дизайн тұжырымы сауда көрмелері мен бөлшек сауда жарнамалық дисплейлерде кең таралды. Мұндай жарнамалық дисплейлер креативті, жекелеген дизайнды қажет етеді, бірақ қайта пайдалануға болатын уақытша құрылымды талап етеді. Сондықтан көптеген компаниялар модульдік көрме дизайнына көшуде. Олар үшін бұл креативті дизайн құру үшін құрылыс блогы ретінде қызмет ететін, алдын ала жасалған модульдік жүйелерді пайдалануға мүмкіндік береді. Оларды басқа конфигурацияға өзгертіп, келешектегі көрмелерде қайта қолдануға болады. Бұл өндіріс және жұмыс күші шығындарын (құрастыру және тасымалдау үшін) азайтуға, сондай-ақ тәжірибелі тұрғызуларды құрудың экологиялық тұрақты жолы болып табылады.

Цифрлық егізді модульдік жобалауға қосу

Өнімнің өмірлік циклын басқару – өнімнің (және өнімдер отбасысы, платформалар, модульдер мен бөліктер) өмірлік циклы бойындағы ақпаратын тиімді басқару стратегиясы. Зерттеушілер физикалық өнімнің цифрлық көшірмесін – цифрлық егізін – модульдік жобалаумен интеграциялау өнімнің өмірлік циклын басқаруды жақсартатынын көрсеткен.