Введение

Модульный дизайн, или модульность в проектировании, — это принцип проектирования, который разделяет систему на более мелкие части, называемые модулями (например, модульные технологические блоки), которые могут быть независимо разработаны, модифицированы, заменены или взаимозаменены с другими модулями или между различными системами.

Обзор

Модульная конструкция характеризуется функциональным разделением на дискретные, масштабируемые и многократно используемые модули, строгим применением четко определенных модульных интерфейсов и использованием отраслевых стандартов для этих интерфейсов. В данном контексте модульность рассматривается на уровне компонентов и имеет одно измерение – компонентную совместимость (возможность установки компонентов). Модульная система с такой ограниченной модульностью обычно называется платформенной системой, использующей модульные компоненты. Примерами служат автомобильные платформы или порт USB в компьютерных инженерных платформах. В теории проектирования это отличается от модульной системы, обладающей многомерной модульностью и большей степенью свободы. Модульная конструкция системы не имеет четко определенного срока службы и проявляет гибкость как минимум в трех измерениях. В связи с этим, истинно модульные системы редки на рынке. Архитектурные системы Mero являются наиболее близким примером модульной системы в отношении материальных продуктов, представленных на рынке. Вооружения, особенно в аэрокосмической отрасли, часто представляют собой модульные системы, в которых конструкция планера предусматривает возможность многократной модернизации в течение всего срока службы без приобретения совершенно новой системы. Модульность лучше всего определяется затронутыми параметрами или степенями свободы в отношении формы, стоимости или функционирования. Модульность обеспечивает преимущества, такие как снижение затрат (кастомизация может быть ограничена частью системы, а не требовать полной переработки), совместимость, сокращение времени обучения, гибкость проектирования, возможность модернизации или обновления без привязки к поколениям (добавление нового решения путем простого подключения нового модуля) и исключение ненужных элементов. Модульность в платформенных системах дает преимущества в виде увеличения рентабельности масштабирования, снижения затрат на разработку продукта, снижения затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание, а также сокращения времени выхода на рынок. Платформенные системы способствовали широкому распространению системного подхода к проектированию и дали возможность компаниям разделять скорость жизненного цикла продукта и траектории НИОКР. Основным недостатком модульных систем является квалификация проектировщиков и инженеров. Большинство проектировщиков недостаточно подготовлены в области системного анализа, а большинство инженеров – в области проектирования. Сложность проектирования модульной системы значительно выше, чем платформенной, и требует привлечения экспертов в области проектирования и продуктовой стратегии на этапе разработки системы. На этом этапе необходимо учитывать направления и уровни гибкости, необходимые для реализации преимуществ модульности. Модульные системы можно рассматривать как более целостный подход к проектированию, в то время как платформенные системы более редукционистские, ограничивая модульность компонентами. Целостное модульное проектирование требует гораздо более высокого уровня мастерства и опыта, чем более распространенная платформенная система. Автомобили, компьютеры, технологические процессы, солнечные панели, ветряные турбины, лифты, мебель, ткацкие станки, системы железнодорожной сигнализации, телефонные станции, органы, синтезаторы, системы распределения электроэнергии и модульные здания являются примерами платформенных систем, использующих различные уровни модульности компонентов. Например, невозможно собрать солнечный куб из существующих солнечных компонентов или легко заменить двигатель грузовика или перекомпоновать модульный дом в другую конфигурацию через несколько лет, как это было бы возможно в модульной системе. Эти ключевые характеристики делают модульную мебель невероятно универсальной и адаптируемой. Единственными существующими примерами модульных систем на современном рынке являются некоторые программные системы, которые отказались от версионности в пользу полностью сетевой парадигмы. Модульный дизайн по своей сути сочетает в себе преимущества массового производства, обеспечиваемые стандартизацией, с преимуществами кастомизации. Степень модульности, в размерном выражении, определяет степень возможной кастомизации. Например, системы солнечных панелей обладают двухмерной модульностью, позволяющей регулировать массив по осям X и Y. Дополнительные измерения модульности были бы введены путем создания модульной панели и ее вспомогательных систем. Измерения в модульных системах определяются как затронутый параметр, такой как форма, стоимость или жизненный цикл. Системы Mero обладают четырехмерной модульностью – X, Y, Z и несущей способностью. Как видно на примере любого современного выставочного центра, наличие двух дополнительных измерений модульности в пространственной конструкции обеспечивает гораздо большую гибкость в форме и функциональности, чем двухмерная модульность солнечных панелей. Если модульность правильно определена и учтена в стратегии проектирования, модульные системы могут создать значительное конкурентное преимущество на рынке. Истинная модульная система не нуждается в жизненных циклах продукта для адаптации своей функциональности к текущему состоянию рынка. Правильно спроектированные модульные системы также обеспечивают экономическое преимущество, заключающееся в отсутствии неиспользуемых мощностей, увеличении коэффициента использования мощностей и его влиянии на стоимость и гибкость ценообразования.

В транспортных средствах

Аспекты модульной конструкции можно увидеть в автомобилях или других транспортных средствах, поскольку в них есть определенные детали, которые можно добавлять или удалять, не изменяя остальную часть автомобиля. Простой пример модульной конструкции в автомобилях – это то, что многие автомобили выпускаются в базовой комплектации, но за дополнительную плату можно приобрести такие опции, как более мощный двигатель, аудиосистема, вентилируемые сиденья или сезонные шины; для их установки не требуется никаких изменений в других узлах автомобиля, таких как шасси, рулевое управление, электродвигатель или аккумуляторные системы.

В машинах и архитектуре

Модульный дизайн можно увидеть в некоторых зданиях. Модульные здания (а также модульные дома) обычно состоят из универсальных частей (или модулей), которые производятся на заводе, а затем доставляются на строительную площадку, где они собираются в различные конфигурации. Модульные здания можно увеличивать или уменьшать в размерах, добавляя или удаляя определенные компоненты. Это можно сделать, не затрагивая большие части здания. Модульные здания также могут менять функциональное назначение, используя тот же процесс добавления или удаления компонентов. Например, офисное здание может быть построено из модульных частей, таких как стены, каркасы, двери, потолки и окна. Затем интерьер можно разделить (или зонировать) дополнительными стенами и обставить столами, компьютерами и всем необходимым для полноценного рабочего пространства. Если офис необходимо расширить или перепланировать для размещения сотрудников, можно добавить или переместить модульные компоненты, такие как стеновые панели, чтобы внести необходимые изменения, не перестраивая здание целиком. Позже этот же офис можно разобрать и переконфигурировать в торговое помещение, конференц-зал или другое здание, используя те же модульные компоненты, из которых он изначально был построен. Новое здание можно затем переоборудовать предметами, необходимыми для выполнения его новых функций. Среди других типов модульных зданий, предлагаемых, например, компанией Allied Modular, – сторожевые пункты, кожухи для оборудования, пресс-боксы, конференц-залы, двухэтажные здания, чистые помещения и множество других вариантов применения. Существует множество заблуждений относительно модульных зданий. На самом деле модульное строительство – это эффективный метод для быстрого возведения объектов и компаний с динамичным ростом. Эта технология будет полезна в таких отраслях, как здравоохранение, коммерция, розничная торговля, военная промышленность, а также строительство многоквартирных и студенческих домов.

В компьютерном оборудовании

Модульная конструкция в компьютерном оборудовании аналогична той, что используется в других областях (например, в автомобилях, холодильниках и мебели). Суть заключается в создании компьютеров из легко заменяемых компонентов, использующих стандартизированные интерфейсы. Такой подход позволяет пользователю легко модернизировать отдельные части компьютера, не прибегая к покупке нового устройства целиком. Компьютер является одним из наиболее ярких примеров модульной конструкции. К типичным компьютерным модулям относятся корпус, блоки питания, процессоры, материнские платы, видеокарты, жесткие диски и оптические приводы. Все эти компоненты должны быть легко взаимозаменяемы, при условии использования деталей, поддерживающих один и тот же стандартный интерфейс.

В смартфонах

Идея модульного смартфона была исследована в рамках проекта Ara, который предоставил производителям платформу для разработки модулей для смартфона, которые затем пользователь мог бы самостоятельно настраивать. Fairphone использует схожий принцип, позволяя пользователям приобретать отдельные компоненты для ремонта или модернизации телефона.

В телевизорах

В 1963 году Motorola представила первую прямоугольную цветную кинескопную трубку, а в 1967 году – модульную линейку Quasar. В 1964 году компания открыла свой первый филиал научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок за пределами Соединенных Штатов, в Израиле, под руководством Моисея Базина. В 1974 году Motorola продала свой телевизионный бизнес японской компании Matsushita, материнской компании Panasonic.

В вооружении

Некоторые виды огнестрельного оружия и вооружения используют модульную конструкцию для облегчения обслуживания и эксплуатации, а также для повышения их узнаваемости. Например, немецкая компания Heckler & Koch производит несколько образцов оружия, которые, несмотря на принадлежность к разным типам, визуально и во многих случаях внутренне схожи. К ним относятся боевая винтовка G3, пулемет общего назначения HK21, пистолет-пулемет MP5, штурмовые винтовки HK33 и G41, а также снайперская винтовка PSG1.

В выставочных экспонатах и на розничных выставках

Концепция модульного дизайна приобрела популярность при создании выставочных стендов и рекламных дисплеев для розничной торговли. Эти виды рекламных конструкций предполагают креативные индивидуальные решения, но требуют временной структуры, которую можно повторно использовать. Поэтому многие компании переходят на модульный подход к проектированию выставочных стендов. Это позволяет им использовать предварительно спроектированные модульные системы, которые служат строительными блоками для создания уникального дизайна. Затем эти системы можно переконфигурировать для другой планировки и использовать повторно на будущих мероприятиях. Это позволяет снизить затраты на производство и рабочую силу (на монтаж и транспортировку) и является более экологичным способом создания эффектных выставочных решений.

Интеграция цифрового двойника в модульную конструкцию

Управление жизненным циклом продукта — это стратегия эффективного управления информацией о продукте (и семействах продуктов, платформах, модулях и компонентах) на протяжении всего его жизненного цикла. Исследователи показали, что интеграция цифрового двойника — цифрового представления физического продукта — с модульным проектированием может повысить эффективность управления жизненным циклом продукта.