По оценке фирмы Mott MacDonald [12] на 2010 год, проводимой по заказу правительства Великобритании, для вновь вводимых АЭС, стоимость электроэнергии составит £85/MВт*час для первого блока на площадке и £70/ MВт*час для последующих блоков. По оценке той же фирмы себестоимость строительства блока – 3500 $/кВт, дополнительные затраты на инфраструктуру при строительстве первого блока на площадке – 700$/кВт, норма прибыли – 300$/кВт, непредвиденные расходы застройщика (премия за риск) – 250 $/кВт, итого – 4750$/кВт – вот оценка стоимости для ЕРС компании. Кроме этого непредвиденные расходы владельца (инвестора)– 750$/кВт, перерасход средств – 500$/кВт и сумма капитальных затрат вырастает до 6000 $/кВт. То есть заранее закладывается практически удвоение себестоимости строительства АЭС. Многие руководители пришли уже к мнению, что крупно-модульная сборка может существенно ускорить процесс строительства. Фирма Westinghouse, подходя с размахом к будущим стройкам, планирует размещать вблизи «куста» строек АЭС заводы по созданию укрупненных модулей и поставку их на ближайшие стройки АЭС.

Так что же это за зверь такой – модульность? Википедия определяет этот термин как «принцип построения технических систем, согласно которому функционально связанные части группируются в законченные узлы - модули. Модульность - это свойство системы, связанное с возможностью ее декомпозиции на ряд внутренне связанных между собой модулей». Сущность модульного принципа - комплектование разнообразных сложных нестандартных изделий с большим различием характеристик из небольшого экономически обоснованного количества типов и типоразмеров одинаковых первичных общих элементов - модулей. Модуль в таком понимании - это самостоятельное изделие, имеющее автономную документацию на изготовление, полностью собранное, прошедшее функциональную проверку и готовое к монтажу. Модули могут легко соединяться, образуя сложные системы, разъединяться и заменяться с целью получения систем с другими компонентами и характеристиками при ремонте или модернизации [11]. Принцип модульности напрямую связан с принципом унификации, стандартизации и типизации. Будем различать два типа модулей: функциональный и размерный. В идеале имеем полностью функциональный модуль со встроенной системой управления с минимальным стандартным интерфейсом, размещенный в границах стандартизированных типовых размеров.

На самом деле, идеальным случаем может быть полное заводское изготовление энергоблока или отдельно ядерного и турбинного островов на заводе в виде поставочных модулей. Возможности гидромонтажа такой конструкции в системе каналов и шлюзов описаны в работе [2]. Сразу надо оговорить, что это не плавучая АЭС. В работе [2] описан способ транспортировки водным путем и гидромонтаж прибрежной АЭС. Ограничителем в этом случае может быть только величина единичной мощности энергоблока. Анализ плюсов и минусов уменьшения единичной мощности энергоблока приведен в статье [3]. На сегодняшний день достигнут заметный прогресс в размерах нефтяных платформ, изготавливаемых на заводах и транспортируемых водным путем до точки назначения. В таблице 1 приведены характеристики нефтяной платформы «Приразломная». Уже сейчас ее характеристики по объемам сравнимы с размерами контайнмента ВВЭР-1000.

Таблица 1 Характеристики нефтяной платформы «Приразломная»

персонал	200 человек
Масса верхняя часть	39 тыс.тонн
Масса нижняя часть (кессон)	79 тыс.тонн
общая высота	141 м
высота кессона	24,3 м
кессон в нижней части	126 x 126 м
кессон в верхней части	102 x 102 м
танки для нефти	14 шт. (113 тыс.м3)
танки для воды	2 шт. (28 тыс.м3)

В России после развала СССР остались в резерве значительные мощности на заводах, производящих атомные подводные лодки, атомные ледоколы, нефтяные платформы. Эти мощности могут быть загружены заказами по производству крупных унифицированных модулей АЭС, унифицированных под эти модули плавучих доков для доставки крупных модулей на площадки АЭС. Подобный метод приведет к серийному поточному производству АЭС в заводских условиях и коренному изменению технологии строительства АЭС.

Предложенная в [2] технология монтажа АЭС позволит сократить срок строительства первого блока до одного-двух лет, которые потребуются для подготовки канала и шлюзов, а также строительства общестанционных зданий и систем. Однако в последующем возможен монтаж следующих блоков за 3-6 месяцев и время ввода в строй энергоблока АЭС будет определяться уже возможностями заводов, изготовителей крупных модулей АЭС.

Для площадок АЭС, расположенных вдали от водных артерий возможен другой подход по типу «лего», то есть собирать АЭС из модулей, размером со стандартный контейнер для автомобильных и железнодорожных перевозок. Для подобной технологии выгоднее использовать единичную мощность энергоблока на уровне 250-350МВт [3],[7]. В этом отношении интересен проект блочно транспортабельной АЭТС БН ГТ-300 [7], в архитектуру которой заложены принципы модульности.

Уже сейчас используется заводское изготовление трубных колен сложной конфигурации для уменьшения сварных работ на площадке АЭС. Можно пойти дальше и формировать в размерах стандартного контейнера функциональные модули, основанные на следующих принципах:
·       Стандартизация размеров и интерфейсов;
·       Принципы безопасности;
·       Возможность транспортировки;
·       Минимум гидравлических связей между модулями;
·       Экономичная компоновка;
·       Унификация монтажных связей между модулями;
·       Простота монтажа.

В таблице 2 представлены габаритные размеры стандартного 40 футового контейнера.

Таблица 2. Габаритные размеры 40 футового контейнера

Все интерфейсы (связи) между модулями должны быть стандартизированы и унифицированы по каждому типу, например, электросиловое питание, оптоволоконный кабель, кабель управления, гидравлическая связь (трубопроводы) и т.д. Встроенная в модуль система управления может предполагать только цифровой интерфейс по оптическому кабелю или для неответственных систем беспроводной интерфейс 4G.

При переходе на модульные методы строительства и монтажа необходимо менять и философию проектирования. Идея модульности должна быть заложена в системную архитектуру АЭС. На стадии функционального анализа [5] должны быть декомпозированы функциональные блоки на функциональные системы, пространственно ограниченные до размеров стандартных контейнеров или размеров, кратных стандартному контейнеру. При этом основным оптимизирующим критерием должен быть минимальный и стандартизированный интерфейс между модулями. На западе принят термин Commercial Off The Shelf (COTS) – готовые к применению модули коммерческого исполнения. Иными словами должна измениться практика поставки готовых к использованию COTS -модулей с заводов – изготовителей. Модули должны поставляться с результатами тестовых испытаний с полным комплектом документации, как на готовое изделие, включая интерактивные электронные технические руководства (ИЭТР) по монтажу, техническому обслуживанию и ремонту (ТОиР).

Более того, может измениться и философия поставки. Сегодня завод отвечает за свою поставку только в пределах гарантийного срока и только за единицы оборудования (насос, задвижка, теплообменник и т.д.). Для АЭС со сроком службы в 60 и более лет эта ответственность завода ничтожна. Ответственность за функциональный модуль (выполнение функции) целиком лежит на эксплуатирующем персонале. Может быть выгоднее закупать функциональные модули с гарантийным техническим обслуживанием на весь жизненный цикл АЭС? Во многих отраслях с длительным жизненным циклом, например в авиации, произошло изменение в философии поставки. Поставщики крупномодульного оборудования, например, авиадвигателей готовы даже снизить начальные цены за поставку при наличии долговременных договоров на обслуживание и ремонт. Подсчитано, что на длительной стадии эксплуатации доходы от сервиса могут многократно перекрывать доходы от поставки. Многие фирмы, производители оборудования, сделали акцент на доходы за сервис (обучение, внедрение, развитие, обслуживание, ремонт, дополнительный функционал). В этом случае и ответственность изготовителя за качество своей поставки будет гораздо выше, так как любой брак будет наказываться рублем на всем протяжении жизненного цикла поставочного изделия. В случае отказа изделия (модуля) с завода должна приехать команда и либо отремонтировать, либо заменить модуль. Действия эксплуатационного персонала в этом случае должны сводиться к неукоснительному выполнению регламента и инструкций по эксплуатации, а риск от простоя и времени восстановления ляжет на плечи завода-изготовителя или страховой компании. Безусловно, должна быть развита и система страхования для подобных случаев и методы диагностики и предварительного предсказания сроков технического обслуживания и ремонта (ТОиР). Обратная связь по опыту эксплуатации должна быть в режиме “on-line” с заводом-изготовителем для постоянного мониторинга риска [5]. В этом случае можно существенно сократить эксплуатационный персонал АЭС. Итак, важно отметить, что модульность должна облегчить не только процессы создания (строительства, монтажа), но и процессы эксплуатации (технического обслуживания и ремонта (ТОиР), замены и модернизации). Модульность позволяет упростить задачу быстрой и эффективной модернизации  систем контроля и управления (СКУ), которые морально устаревают гораздо быстрее основного оборудования, рассчитанного на 60 и более лет. Кроме этого, из-за технологической невозможности на момент проектирования обеспечить заданный срок службы отдельных видов оборудования (модулей) может потребоваться замена этих модулей на стадии эксплуатации, и проработка еще на стадии проектирования этих возможностей может существенно ускорить эти процессы на стадии эксплуатации, что приведет к существенной экономии средств.

В сам модуль должны быть встроены и элементы крепления к строительным конструкциям для монтажа параллельно со строительством. Компоновка модулей должна позволять их замену без демонтажа соседних модулей или при минимальных затратах.

Примерная последовательность работ при применении философии модульного проектирования:
•        выделить системы, которые требуют крупноблочного монтажа;
•        все остальные технологические системы скомпоновать в модули стандартных размеров, за основу взять размеры стандартных контейнеров (40, 45 футов), при этом несущие конструкции систем могут быть совмещены со строительными конструкциями (см. ниже), что должно позволить осуществлять монтаж оборудования параллельно в процессе монтажа строительных конструкций;
•        разработать и включить в состав модулей оборудования дополнительные стандартные металлические каркасы и постаменты, обеспечивающие крепление оборудования, транспортную и монтажную жесткость, включить в состав модулей дополнительные демпфирующие устройства и др.;
•        проработать с поставщиками оборудования соответствующие требования по модульному исполнению, стандарты интерфейсов, договора сервиса на стадии эксплуатации;
•        проработать совмещение и координацию строительных, тепломонтажных работ и прокладки кабелей (разработать модель и смоделировать процессы монтажа).

В качестве примера модульного подхода можно привести проект АР1000. Модули в АР1000 формируются посредством серии сборочных операций, включающих изготовление элементов и их первичную сборку, изготавливаются как на удалённых предприятиях, так и на местах сооружения АЭС. Размеры модуля ограничены: 3.66*3.66*12.2 метров, а вес: 40 тонн. В случае производства модулей на производстве, удалённом от строительства, можно получить следующие преимущества:
·       более высокая продуктивность,
·       ниже затраты на трудовые ресурсы,
·       нет ограничений пространства (как на месте строительства) для сборки,
·       улучшенный контроль качества.

Как следствие возможны и недостатки: увеличение сложности проекта, увеличение расходов на доставку больших модулей, дополнительные расходы на производство рамных конструкций.

Можно привести еще массу примеров новых проектов АЭС, которые предполагается разрабатывать по модульному принципу, например, в США принята концепция создания малых модульных реакторов Small Modular Reactors (SMRs), в рамках которой предусмотрено разработать проекты на базе LWR за 5-10 лет (mPower фирмы Babcock&Wilcox на 125 МВт, NuScale фирмы NuScale Power, Inc. на 45 MВт, International Reactor Innovative and Secure (IRIS ) фирмы Westinghouse International на 335 MВт [14]).

На базе других проектов (Non-LWR designs) за 10-15 лет предусматривается разработать:
·       Advanced Reactors for Energy Supply (ANTARES) компании Areva на 275 MВт;
·       Modular High-Temperature Reactors (MHR) компании General Atomics на 280 MВт;
·       Pebble Bed Modular Reactor (PBMR) фирмы Westinghouse на 250 MВт [14].

На базе концепции улучшенных реакторов и технологий (Advanced Reactor Concepts and Technologies) предусматривается разработать за 15-25 лет:
·       Global Energy Module (GEM50) фирмы Brookhaven Technology Group на 10 MВт;
·       Power Reactor Inherently Safe Module (PRISM) фирмы General Electric на 311MВт;
·       Hyperion Reactor фирмы Hyperion Power Generation на 30 MВт;
·       Sodium-Cooled Fast Reactor Sandia National Laboratory на 100 МВт;
·       Traveling Wave Reactor (TWR) фирмы TerraPower на 350 MВт;
·       Toshiba 4S (Super Safe, Small and Simple) компании Westinghouse – Toshiba на 10 MВт [14].

Модульность в строительстве

Основа индустриализации строительства - это перенесение максимального объема производственных операций в заводские условия.

Основной способ: изготовление укрупненных сборных элементов с высоким уровнем заводской готовности на механизированных или автоматизированных технологических линиях с нетрудоемким механизированным монтажом этих элементов на строительной площадке. В этой связи на первый план выступает унификация, как научно-обоснованное сокращение числа общих параметров зданий и их элементов путем устранения функционально неоправданных различий между ними. Унификация обеспечивает приведение к единообразию и сокращению числа основных объемно планировочных размеров зданий (высот этажей , проемов перекрытий) и как следствие единообразию размеров и форм конструктивных элементов заводского изготовления [10].

Унификация позволяет применять однотипные изделия в зданиях различного назначения. Она обеспечивает массовость и однотипность конструктивных элементов, что способствует рентабельности и заводскому изготовлению. Основой для унификации в геометрических размерах изделий является Единая модульная система в строительстве (ЕМС) - совокупность правил координации (взаимного согласования) объемно-планировочных и конструктивных размеров здания строительных материалов и оборудования для их формирования на основе кратности единой величине - модулей. В большинстве европейских стран в качестве единого основного модуля "М" принята величина 100 мм [10].

Методы строительства вспомогательных зданий и сооружений АЭС также могут быть унифицированными. Интересна технология фирмы Broad Sustainable Building (BSB) из Китая (http://www.broad.com:8089/english/product/bsb/bsb.asp). Можно сказать, что это революция в технологии строительства обычных зданий. При демонстрации технологии монтаж конструкции отеля в 15 этажей произвели за 46 часов, а внешнюю отделку закончили еще за 90 часов (http://www.youtube.com/watch?v=YShlbejY_ok).

При использовании предложенной технологии убираются риски от строительства:
•        Риск низкого качества проекта;
•        Риск низкого качества строительства;
•        Риск увеличения бюджета строительства;
•        Риск задержки строительства.


Рис. 1 Основная металлическая панель - базовый элемент технологии

Базовым элементом технологии является основная металлическая панель 7.8м или 15.6м длины, 3.9м ширины и 0.45м высоты (перевозка 4 панелей на 1 грузовике или платформе - 120 м² или 240 м² панелей, см. Рис. 1). Первый слой панели – готовый пол, нижний слой - потолок, между ними трубы для вентиляции и отопления (HVAC), воды и электрических кабелей. Все аксессуары для каждого этажа состоят из колонн, диагональных растяжек, стен, дверей и окон, которые поставляются вместе с каждой панелью. После установки панелей рабочим необходимо только смонтировать колонны, диагональные растяжки, двери и окна болтами. Технология дает следующие преимущества:

•        без бетона, кроме фундамента. 3 см стяжки на профилированном стальном листе пола (вес материала 300～400кг/м²);
•        низкая металлоемкость каркаса быстровозводимого здания, малый собственный вес конструкции, амортизация при землетрясении;
•        все здания рассчитаны на 9 бальное землетрясение. Легко сделать точную уменьшенную модель для тестирования землетрясения;
•        так как производство панелей заводское, то рецикл отходов стали и материалов составляет 95- 96%.
В результате можно получить следующие эффекты:
•        короткий срок изготовления металлоконструкций каркаса (серийные проекты - серийные детали);
•        низкая стоимость транспортировки строительных конструкций;
•        небольшие затраты на фундаменты здания (легкое здание);
•        экономия на работе механизмов (кранов, экскаваторов, бульдозеров);
•        короткий срок монтажа каркаса и ограждающих конструкций (здание собирается как конструктор из готовых металлоконструкций заводской готовности);
•        всепогодное строительство в любое время года;
•        комплект быстровозводимого здания поставляется Заказчику в полной заводской комплектации (возможна поставка окон, ворот, грузоподъемных механизмов, лестниц, инженерного оборудования);
•        ограждающие конструкции из сэндвич-панелей поэлементной сборки позволяют обеспечить сохранность тепла внутри помещения, изоляция стен и окон в 2-4 раза выше, чем требуют локальные стандарты;
•        построенное быстровозводимое здание не требует дополнительной отделки;
•        здания с ограждающими конструкциями из кассетных сэндвич- панелей имеют высокие пожаробезопасные свойства. Кассеты, в фасадных конструкциях, способны достаточно эффективно предотвращать распространение огня по многочисленным ячейкам сэндвич - панелей. Даже если произойдет выгорание оконного блока, то огонь не распространится по поверхности листовой сборки;
•        любой серийный проект здания можно с легкостью подстроить под требования Заказчика (расположение остекления, размеры и расположения ворот, дверей);
•        универсальность зданий (склады, промышленные здания, спортивные комплексы);
•        Отходы от строительства менее 1%;
•        структура панели служит ключевым несущим элементом конструкции для создания зданий заводского изготовления; Структура диагональных растяжек дает легкий вес;
•        4-6 этажей монтируются за 1 день, нет воздействий на соседей;
•        нет пыли или грязной воды, нулевые выбросы при строительстве.

На АЭС по вышеописанной технологии можно строить здания общестанционных, общеблочных и вспомогательных систем [6], административно-бытовые здания, а также при доработке комплекта стандартных модулей обстройку контайнмента, турбинный зал и т.д.

Модульность в судостроении [11]

В конце 40-х годов в СССР был разработан типоразмерный ряд речных наливных барж грузоподъемностью от 100 до 12 000 т, которые должны были собираться из стандартных плоскостных секций размерами 9600X2560 мм. Количество секций на каждую баржу составляло от 22 до 512 штук. Выполненные расчеты показывали, что трудоемкость серийной постройки барж различной грузоподъемности в случае использования секций-модулей должна была снизиться в 2,2- 2,5 раза. Резко сокращался производственный цикл, пропускная способность верфей возрастала в 2 раза и более. Однако практического воплощения это предложение в то время не получило.

Еще в годы второй мировой войны в Германии осуществлялось крупносерийное строительство подводных лодок из полностью насыщенных корпусных блоков, к тому же изготовленных на разных предприятиях.

В 60-е годы было построено 18 судов проекта "Пионер" западно-германской фирмы "Блом унд Фосс" на базе платформы MEKO^®. На базе стандартных секций и блоков-модулей эта фирма предлагала создать пять вариантов судна: четырех сухогрузов, различающихся дедвейтом, и одного контейнеровоза.

Широко известна также модульная постройка в США на Великих озерах судов для перевозки массовых грузов, различающихся длиной и грузоподъемностью. Эти суда собирались из блоков-модулей кормовой и носовой оконечностей и цилиндрической части. На постройку судна длиной 259 м уходило 15 модулей цилиндрической части, а длиной 305 м - 18 таких модулей. Модули цилиндрической части и оконечностей изготовляли на разных верфях, причем модули оконечностей после спуска на воду и стыковки на плаву своим ходом перегоняли на верфь, где изготовляли модули средней части и завершали постройку судов в целом.

Значительно привлекает использование на судах так называемых функциональных модулей - сборочных единиц межпроектного применения, основу которых составляет судовое оборудование (механическое, теплотехническое, электронное и др.), смонтированное на корпусных конструкциях, прошедшее соответствующую проверку и готовое к выполнению своих функций после установки модуля на судно.

Применение функциональных модулей будет обусловлено не столько требованием совершенствования технологии судостроения, сколько эксплуатационными соображениями. С их помощью, возможно, удастся разрешить противоречие развития судостроения - противоречие между все увеличивающимся сроком службы ("потенциальным долголетием") судов как плавучих платформ (вследствие совершенствования конструкционных материалов, защитных покрытий, повышения надежности и ресурса судовых механизмов и т. п.) и уменьшающимся временем эффективной службы судна из-за ускорения морального старения техники (особенно приборной) в условиях стремительного научно-технического прогресса. Смонтированные в виде функциональных модулей радиолокационные, радиосвязные и навигационные комплексы и другое технологическое оборудование смогут заменяться в процессе эксплуатации судов с минимальными затратами труда и времени на новые, более совершенные образцы, обеспечивая тем самым поддержание на должном уровне эффективность судна как системы [11].

А как скажется внедрение функциональных модулей на облике будущего судостроительного производства? Во-первых, часть монтажных работ верфи при этом неизбежно будет передана заводам - изготовителям судового оборудования, где, благодаря значительно большей повторяемости работ, удастся существенно повысить их технический уровень, перейти на механизированную и автоматизированную сборку модулей. Во-вторых, процесс установки функциональных модулей на судно будет неоднократно повторяться в течение эксплуатации, что обусловит целесообразность интеграции судостроительного (в части монтажа модулей) и судоремонтного производства и создания специальных средств для погрузки-выгрузки модулей [11]. Если уж и строить в будущем серийные плавучие АЭС, то только с учетом тенденций модульного создания судов.

Транспортировка крупногабаритных модулей

В случае, когда все-таки не удается сделать модуль в стандартных размерах для перевозки по суше крупногабаритных блоков на площадки АЭС, расположенные вдалеке от водных артерий, возможны различные варианты. Существуют низкорамные платформы на колесной основе, на воздушной подушке. Уже сейчас на них перевозят трубы, негабаритные емкости, станки с производственным назначением, крупногабаритную тару (бочки и прочее), тяжелую строительную и дорожную технику, нефтяное оборудование, сложные архитектурные объекты и композиции и многое другое. Однако у этих методов есть один недостаток – провоз крупно-габаритных грузов под мостами составляет большую проблему.

В последнее время большое внимание уделяется хорошо забытому транспорту – дирижаблям. На первый взгляд это кажется экзотичным, однако многие серьезные фирмы уже вкладывают немалые деньги в этот транспорт. Например, канадская фирма SkyHook International, подписала соглашение о сотрудничестве с аэрокосмическим гигантом Boeing на создание транспортного дирижабля грузоподъемностью 40 т, что вдвое больше грузоподъёмности крупнейшего в мире грузового вертолёта Ми-26. Отличительной особенностью этого вида транспорта является его способность осуществлять монтаж поставляемого модуля.

Германский проект дирижабля CL160. (объём 550 000 м³, длина 260 м, диаметр 65 м, высота 82 м), предназначенный для перевозки 160 тонн полезного груза на расстояние до 10 000 км, так и не был построен из-за финансовых трудностей, несмотря на значительный объём проделанных работ. Был построен ангар, предназначенный для производства и эксплуатации CL160. Ангар (360 м в длину, 220 м в ширину и 106 м в высоту), был сам по себе чудом техники и является до сих пор самым большим подобным объектом, превышая по размерам эллинги 1930-х годов. Как только возникнет прямая потребность в дирижаблях подобных размеров, они будут созданы в кратчайшие сроки. В любом случае, атомная промышленность может стать прямым заказчиком и инвестором таких аппаратов с учетом их быстрой окупаемости при строительстве АЭС. Стоит также рассмотреть и их использование в качестве подъемных механизмов вместо кранов или в дополнение к ним.

Теоретические аспекты модульности

В системной инженерии [4] модульность рассматривается при разработке системной архитектуры с использованием метода DSM (матрицы структуризации проекта, см. рис. 2).


Рис. 2 Пример укрупненной матрицы DSM для энергоблока АЭС

Матрица DSM строится на стадии создания системной архитектуры. На рис. 2 представлен пример подобной матрицы для энергоблока АЭС. Для минимизации интерфейсов сгруппированы 2 блока модулей «ядерный остров» (F,J,K) и «турбинный остров» (L,M). Из матрицы видно, что системы снабжения электричеством на собственные нужды, системы управления и водоснабжения имеют интерфейс со всеми системами. Исходя из этого, нерационально их выполнять единым модулем, они должны быть встроенными подмодулями в каждом модуле, с которым предусмотрен интерфейс. В то же время, многочисленность связей этих систем дает возможность для унификации этих подмодулей и использования однотипных подмодулей в различных модулях АЭС. Иными словами модульность может быть вложенной по типу вложенности систем.

Основные успехи в теории и практике модульности достигнуты в работах Министерства обороны США. Разработана программа AIMS (Architectures, Interfaces & Modular Systems –архитектуры, интерфейсы и модульные системы) с переходом на программу OSA (Modularity & Open Systems Architectures – модульность и системы с открытой архитектурой), с помощью которых проводят в жизнь программу MAS (Modular Adaptable Ship –модульный адаптивный корабль) на базе модульного подхода MOSA (Modular Open Systems Approach) [13].

Технический подход AIMS включает:
·       Анализ требований;
·       Исследование рынка;
·       Функциональный анализ;
·       Отбор требуемой (оптимальной) архитектуры;
·       Разработка интерфейсов;
·       Внедрение модульных принципов.

В рамках этой программы разработан документ MOSA «Дополнительные руководящие принципы проектирования судов», базирующийся на принципах системной инженерии, в формате правил модульного конструирования и проектирования, который содержит 5 принципов [13]:

1.     Создание благоприятной среды разработки [4], [5], [8].
o      Формирование команды разработчиков, продуктовой и процессной среды;
o      Разработка программы и бизнес-стратегии (цели, политики, соглашения по открытой архитектуре, экономическое обоснование);
o      Определение стоимости и графика бюджета;
o      Разработка плана внедрения.

2.     Применение модульного проектирования и конструирования.
o      технологическая стратегия MOSA;
o      Анализ требований;
o      Функциональный анализ (функциональная декомпозиция, исследование рынка и поиск эталонных моделей, определение вызовов модульности, разработка эталонных моделей);
o      Выбор оптимальной архитектуры (функциональное распределение, совмещение системной архитектуры с функциональным разбиением, определение системной архитектуры.

3.     Назначение ключевых интерфейсов.
o      Данные;
o      Вентиляция/отопление (HVAC);
o      Электрика:
o      Гидравлика и т.д.

4.     Выбор стандартов открытой архитектуры.
o      Характеризация ключевых интерфейсов;
o      Исследование рынка открытых стандартов, разработка новых стандартов;

5.     Подтверждение соответствия.
o      План верификации и валидации, включающий:
-    Проектная документация – соответствие стандартным формам;
-     Требования регулирующих органов и других заинтересованных сторон;
-     Сбор и трассировка замечаний, несоответствий и вопросов;
-     Инспекция со стороны регулирующих органов и других заинтересованных сторон;
-     Тестирование на заводах-изготовителях модулей;
-     Приемочные испытания по программе пуско-наладочных испытаний;
-     Сертификация;
-     Анализы: структурный (прочности), вибрационный, термошок, гидроудар и т.д.
-     Моделирование и симуляция (для систем, которые нельзя протестировать или для внешних систем);
o      Интерфейс управления конфигурацией.

На этапе создания благоприятной среды разработки создается интеграционная команда (Integrated Product Team (IPT)) проекта для разработки стандартных интерфейсов, инструментов поддержки, анализов технологии и классификации, разработки методов оценки стоимости и экономической эффективности, разработки критериев оценки альтернативных проектов систем и разработки спецификации показателей производительности системы.

На этапе функционального анализа проводится декомпозиция функций, укрупненный пример которой представлен на рис. 3. В нижней части рисунка выделены общие функции [6], которые с известной долей скептицизма могут быть применимы на всех типах АЭС и ядерно-опасных объектов (ЯОО) и которые могут быть унифицированы и выполнены, как отдельные модули.

На следующем этапе должны быть определены ключевые интерфейсы. Главный конструктор (или проектант) совместно с системными инженерами должны определить функциональные, физические и другие интерфейсы для выбранных кандидатов модулей-систем. Главный конструктор должен выделить ключевые интерфейсы для каждой системы и модуля.


Рис. 3 Пример разбиения на функции, с дальнейшим переходом к модулям

Использование вышеуказанных подходов по мнению авторов работы [13] позволяет достигнуть следующих целей:
•        Адаптироваться к меняющимся требованиям и угрозам.
•        Содействовать переходу от научных изысканий и технических разработок к приобретению и развертыванию.
•        Содействовать интеграции систем.
•        Использовать коммерческие инвестиции.
•        Сократить время цикла разработки и общей стоимости жизненного цикла.
•        Убедиться, что система будет полностью совместима со всеми системами, имеющими стандартный интерфейс, без серьезных изменений в существующих компонентах.
•        Повышение общности и повторное использование компонентов между системами.
•        Расширение доступа к новейшим технологиям и продуктам от различных поставщиков.
•        Снижение рисков, связанных с устареванием технологии.
•        Снижение риска единственного источника поставки в течение срока действия системы.
•        Улучшение условий технической поддержки на протяжении жизненного цикла.
•        Увеличение конкуренции.

По оценкам авторов [13] модульность и переход на открытую архитектуру должны также учитывать следующие факторы.
•        Коммерческий рынок – наличие предложения модулей, особенно специфического назначения, а не общепотребительского.
•        Потенциал для изменений - скорость изменения для системных технологий из-за требований постоянного развития в течение жизненного цикла.
•        Стоимость - Какова стоимость установки системы? Приоритет, чтобы открытая архитектура системы предлагала самый высокий экономический эффект.
•        Стандарты – Существуют ли стандарты, которые могут быть использованы в системе?
•        Технико-экономическое - Может ли система быть открыта?
•        Клиент-фактор - есть ли интерес у будущего владельца и сервисных предприятий в открытой архитектуре системы?

Цифровая модель стройки (BIM). Методы моделирования процессов строительства и монтажа

Для исключения непредвиденных случаев и нестыковок все строительно-монтажные операции должны быть промоделированы в 3-D с привязкой к графику работ, и оптимизированы на модели основные монтажные операции при строительстве. Это позволяет еще на стадии проектирования найти все несоответствия в технологии будущего строительства и монтажа и разработать оптимальные планы производства работ (ППР).

Фирма Gehry Technologies [15] впервые в промышленных масштабах применила концепцию управления жизненным циклом строительства (Building Lifecycle Management (BLM)) для ряда крупных объектов, например, Диснеевский концертный зал в Лос-Анджелесе, олимпийский стадион в Пекине (см. рис. 4), небоскреб One Island East в Гонконге (см. рис. 5) и т.д.


Рис. 4 Цифровая модель олимпийского стадиона в Пекине [15]

Выступая в роли единого консультанта, она осуществляла управление цифровой моделью объекта, обучение и техническую поддержку использования этой цифровой модели всеми участниками разработки проекта и строительства.


Рис. 5 Цифровая модель небоскреба One Island East в Гонконге [15]

На примере проекта небоскреба One Island East в Гонконге были проведены следующие работы:
·       Цифровая подготовка проекта для всей команды проекта.
·       1 неделя базовая подготовка по программному обеспечению цифровой модели стройки (BIM).
·      1 неделя повышение квалификации для инженеров и архитекторов по программному обеспечению цифровой модели стройки (BIM).
·      1 неделя "обучение действием" (Полная занятость специалистов GT во время моделирования с ответами на вопросы).
·       Разработка BIM методологии проекта (цифровой модели стройки).
·       Освоение проектной командой модели управления GT.
·       Техническая поддержка проектной команды работе с архитектурной цифровой моделью стройки (BIM).
·       Техническая поддержка проектной команды работе с Структурные цифровой моделью стройки (BIM).
·       Техническая поддержка проектной команды работе с гео- цифровой моделью стройки (BIM).
·       Техническая поддержка специалистов по инженерным системам в проектной команде работе с цифровой моделью стройки и инженерных систем (МЕР BIM).
·       Разработка исходной цифровой модели стройки BIM и передача проектной команде.
·       Обучение всех подрядчиков формированию запроса из BIM модели для тендера.
·       Полноценные тренировки для выполнения требований проекта и победы в конкурсе.
·       Тренировки подрядчика на модели управления GT.
·       Постоянная техническая поддержка победившего подрядчика.
·       Обеспечение маркетинговыми материалами владельца непосредственно из модели BIM.
·       Оказание технической поддержки процесса поставок подрядчика через BIM модель.
·       Осуществление для владельца процесса обеспечения качества через BIM модель.
·       Обеспечение поддержки передачи BIM модели подрядчика обратно управленческой команде владельца объекта и обучение управленческой команды владельца.
·       Содействие владельцу в получении актуализированной информации за счет реализации BIM.
·       Помощь владельцу в передаче знаний после успешной реализации BIM к другим его проектам.
Использование BIM модели позволяет гармонично организовать работы, процессы, знания и людей, чтобы более эффективно построить требуемый объект.

По опыту фирмы Gehry Technologies удалось добиться следующих показателей [15]:
·       по крайней мере в 5 - 10 кратном размере вернуть вложенные в 3D и BIM инвестиции;
·       общая экономия составила 10% от стоимости строительства за счет обнаружения несоответствий на более ранней стадии;
·       еще 20% экономии за счет моделирования строительных процессов;
·       7%  за счет сокращения графика сооружения;
·       на 40% снижен объем непредусмотренных в бюджете изменений проекта (обычно от 4 до 8% от стоимости проекта);
·       улучшена точность сметы расходов до +/-3%;
·       рост стоимости сооружения составил менее 1%;
·       на 80% сократилось время разработки сметы проекта.

Вышеописанный метод частично использовался и на Ленинградской АЭС-2 при монтаже «ловушки» расплава активной зоны. Все технологические процессы были промоделированы заранее, выбраны оптимальные маршруты движения техники, места расстановки контролирующих специалистов, методы техники безопасности, маршрут движения «ловушки». К сожалению, это был единственный пример. Можно предположить, что авария потому и случилась, что выбранная технология монтажа арматуры (с отклонениями от стандартной ранее применяющейся) не была промоделирована и просчитана заранее. Понадеялись на русское «авось». Почему же на ЛАЭС-2 не удалось добиться впечатляющих результатов, какие продемонстрировала GT? Все дело в «кусочном» подходе. Метод работает только при полном системном охвате всех строительных процессов, включая конкурсы и поставки. Второй фактор – это человеческий. Катастрофически не хватает специалистов с практическим опытом в этой области. Пригласи генеральный застройщик фирму GT к себе на стройку и неукоснительно выполняй все рекомендации ее специалистов, и, возможно, результаты не заставили бы себя ждать.

В настоящий момент Нижегородский АЭП в рамках развития Multy-D концепции осваивает вышеуказанный метод для строительства АЭС. В конечном итоге метод предварительного моделирования процессов строительства и монтажа позволяет оптимизировать структуру работ по проекту (WBS) [8], а следовательно, людские и материальные ресурсы, графики работ и поставок и избежать задержек при реальном строительстве и монтаже.