Document not found! Please try again

Modularisation in Shipbuilding and Modular Production

17 downloads 1118 Views 3MB Size Report
complex vessels, such as offshore support vessels. Figure 6 shows ... representation. Further, it enables this knowledge to be relatively easily made available to the “hosting” ..... "Web-based tendering collaboration in project-centric industries.
11-2009

WORKING PAPER

IGLO-MP2020

NTNU Norwegian University of Science and Technology Department of Industrial Economics and Technology Management

Modularisation in Shipbuilding and Modular Production

S.O. Erikstad Trondheim, December, 2009

Innovation in Global Maritime Production – 2020 (IGLO-MP 2020 - www.iglo-mp2020.no)

NTNU Trondheim Norwegian University of Science and Technology Department of Industrial Economics and Technology Management

Title: Modularisation in Shipbuilding and Modular Production

Postal address: Visiting address: Telephone: Fax:

7491 Trondheim A. Getz vei 1 73 59 35 11 73 59 10 45 Org.nr. 974 767 880

Report no.: IGLO-MP 2020 Working Paper 11-2009

Project: Innovation in Global Maritime Production 2020 Project no.: 8946/140 (IGLO-MP 2020) Client: Date: December 2009 Norwegian Research Council (financing partner) Number of pages: 56 Number of attachments: Collaborating companies: Siemens AS, Ulstein Clients ref. : International AS, Pon Power AS IGLO-MP 2020 Authors: Signature: Professor Stein Ove Erikstad NTNU Department of Marine Technology Responsible: Annik Magerholm Fet

Signature:

Summary:

This is deliverable 1.3 for the project IGLO-MP 2020. The purpose of this document is to give a short overview of modularisation related to shipbuilding. The emphasis has been on modularisation and platform technologies in the product development and tendering phase of the process.

Keywords: Modularity, Modularisation, Product platform, Lean manufacturing Classification: Open

1

MARINTEK REPORT

  TITLE

Norwegian Marine Technology Research Institute

MODULARISATION IN SHIPBUILDING

Postal address: P.O.Box 4125 Valentinlyst NO-7450 Trondheim, NORWAY

AUTHOR(S)

Stein Ove Erikstad, NTNU IMT CLIENT(S)

Location: Marine Technology Centre

IGLO-MP (Innovation in Global Maritime Production)

Otto Nielsens veg 10 FILE CODE

CLASSIFICATION

CLIENTS REF.

NFR – NTNU

R CLASS. THIS PAGE

ISBN

PROJECT NO.

270130 REFERENCE NO.

PROJECT MANAGER (NAME, SIGN.)

NO. OF PAGES/APPENDICES

55 VERIFIED BY (NAME, SIGN.)

A. Rialland REPORT NO.

DATE

APPROVED BY (NAME, POSITION, SIGN.)

IMT/SOE/1-2009

October 2009, revised Eivind Dale version Dec 09

ABSTRACT

The  purpose  of  this  document  is  to  give  a  short  overview  of  modularization  related  to  shipbuilding.  The  emphasis  has  been  on  modularization  and  platform  technologies  in  the  product  development  and  tendering  phase of the process.  

KEYWORDS GROUP 1 GROUP 2 SELECTED BY AUTHOR

ENGLISH

Modularisation, ship design, shipbuilding

NORWEGIAN

 

Table of Contents  Table of Contents .......................................................................................................................................... 2 Abstract and Summary .................................................................................................................................. 3 Background.................................................................................................................................................... 4 What is Modularity and Modularization? ..................................................................................................... 5 Product Platform Technologies.................................................................................................................6 Product Architecture .................................................................................................................................7 Configuration‐Based Systems..................................................................................................................10 Lean Manufacturing Principles................................................................................................................13 Motivating Modularity ................................................................................................................................ 15 Reduced Lead Time and Rapid Response in Tendering...........................................................................15 Effects on the Ship Production Value Chain............................................................................................16 Modularization in a sustainability perspective .......................................................................................16 Modular structures...................................................................................................................................... 18 What is a modular structure?..................................................................................................................18 Modularity types .....................................................................................................................................19 Review of Modularization in the Maritime Industry................................................................................... 24 Overview .................................................................................................................................................24 Equipment, modularization and arrangement (1992) ........................................................................25 Rational construction (1993)...............................................................................................................27 Early Outfitting ....................................................................................................................................29 Sales Phase Procurement (1999).........................................................................................................30 Tendering and Specification Development .............................................................................................31 Modularization in Ship Equipment Design and Production ....................................................................42 Modularization in Ship Design Processes................................................................................................44 Modularization in Ship Production..........................................................................................................47 The Damen Schelde Sigma Modular Ship............................................................................................48 Modularization in Operation...................................................................................................................48 The Littoral Combat Ship.....................................................................................................................49 Future Prospects for Modularization in Shipbuilding – From a Norwegian Perspective ............................ 50 Reference List .............................................................................................................................................. 52 Appendix...................................................................................................................................................... 54   2 / 56 

 

Abstract and Summary  In Chapter 1, the background for the work is briefly reviewed. The report is a delivery within the KMB‐ project IGLO, with the purpose of giving a short overview of modularity within shipbuilding.  In Chapter 2, an attempt is made to define modularity. In addition to breaking a larger system up into  parts and components, modularity also involves a systematic approach to recombine the parts according  to certain rules and procedures. Chapter 2 continues with a brief discussion how modularity relates to  interfacing and partly overlapping concepts, such as product platforms and configuration based systems.  In Chapter 3, the motivation for pursuing modularization in the first place is discussed, covering aspects  such  as  product  variety,  design  and  production  efficiency,  global  production  chains,  and  product  lead  times.  At  the  end  of  the  chapters,  the  relevance  and  applicability  specifically  for  shipbuilding  is  summarized.  In Chapter 4, different types of modular structures are briefly described, including slot modularity, bus  modularity, and sectional modularity.  In Chapter 5, different applications of modularity in the maritime industries are reviewed. In particular,  previous  Norwegian  projects  directly  or  indirectly  related  to  this  topic  are  presented,  such  as  Rational  Construction, Early Outfitting, and Sales Phase Procurement. These projects may provide valuable input  to  future  projects  within  this  field.  Further,  additional  examples  of  modular  solutions  are  reviewed,  grouped by phases including Tendering, Design and Engineering, Production and Operation.   In Chapter 6, a short discussion of future prospects for modular solutions is given, pointing in particular  to  configuration‐based  tendering  processes,  the  possibility  for  both  outsourcing  and  insourcing  of  production, and the potential of delivering innovative, flexible designs to meet future requirements to  energy efficiency and emissions in volatile transportation markets.  

3 / 56 

 

Background  The purpose of this document is to give a short overview of modularization related to shipbuilding. The  report  is  a  delivery  within  the  KMB  project  IGLO.  The  report  is  based  on  a  number  of  previously  published  papers,  including  (Brathaug  et  al.  2008;  Erikstad  and  Fathi  1999;  Erikstad  and  Hagen  2006;  Hagen and Erikstad 2002), as well as a number of other sources.   The topics listed below were considered relevant for this study. However, due to a relatively restricted  time  budget,  only  some  of  these  topics  have  been  covered  in  any  detail.  The  emphasis  has  been  on  modularization  and  platform  technologies  in  the  product  development  and  tendering  phase  of  the  process.    

4 / 56 

 

What is Modularity and Modularization?  The  terms  Modularity  and  Modularization  are  used  in  widely  different  fields  of  study,  such  as  biology,  computer  science,  languages,  mathematics  and  engineering.  Even  though the  meaning  of  this  concept  varies somewhat between these different contexts, there are some basic commonalities such as:  1. The division of a larger system into smaller parts or components  2. The principle of (relative) self‐sufficiency of the individual parts  3. The recombination of the parts into multiple end products, according to a set of “rules” given by  an overall systems architecture  These aspects are also captured in (Schilling 2000), where modularity is defined as   “A  general  systems  concept:  it  is  a  continuum  describing  the  degree  to  which  a  system’s  components can be separated and recombined”.   The  latter  presumes  that  there  is  the  possibility  of  a  certain  degree  of  “mixing  and  matching”  of  the  components. Thus, simply splitting up a product for later assembly is not necessarily termed a modular  approach, such as for instance in section and block oriented ship production strategies. There need to be  a certain level of flexibility in the way that the parts are recombined, such as for the Sigma Modular Ships  or the Littoral Combat Ship. We will return to the discussion about modular production strategies later in  this report.  However, this is quite a wide range of definitions for the term “modular”, and in several sources it is also  used for all types of assembly and packaging of systems and elements. In an early reference on this topic  from 1974, the following definition is used (Jolliff 1974):  “Pre‐Packaging  a  collection  of  equipment  (systems  or  components)  for  the  purpose  of  their  assembly and check‐out prior to delivery to the ship for installation and for ease of installation  and removal of the package (module)”    This definition also captures the division of the ship into blocks, sections and modules as part of the ship  production process.  Here, the purpose is not  “mass customization”,  but rather a “divide‐and‐conquer”  strategy  for  a  division  into  chunks  that  are  fit  for  the  production  facilities  (weight  and  size  of  crane,  docks,  halls,  ports,  production  equipment,  etc.)  and  the  production  process  (planning  units,  parallel  production,  procurement  units,  material  management,  etc.).  While  this  is  an  important  topic,  in  particular related to  production optimization,  it is outside the primary scope  in the  rest of this report,  where  the  focus  is  more  on  the  use  of  modular  architectures  as  a  strategy  towards  increased  competitiveness. 

5 / 56 

  As a consequence of the high focus on modular architectures and product strategies in manufacturing  industries, there exists a large body of research. The basis can be traced back to Simon’s generic studies  for handling complexity in artificial systems in (Simon 1973; 1981) and the “function‐to‐form” catalogues  from Pahl and Beitz (Pahl 1984). (Ulrich and Tung 1991) identified the core principles of the modularity  concept.  The  concept  of  modularization  is  closely  related to several other systems concepts  and  technologies  that  have  received  considerable  attention  lately.  These  concepts include:  •

Product platform technologies 



Product architecture, which  denotes “the scheme by which the  functions of a product are  allocated to physical components”  (Ulrich and Tung 1991) 



Configuration‐based design 



Mass customization 



Lean Manufacturing Principles 

In the following, each of these will be described in more detail. 

Product Platform Technologies  During  the  last  20  years  many  industries  have  moved  from  designing  individual,  “one‐of‐a‐kind”  products,  towards  developing  product platforms  from  which  a  large number of  variants  or  customized  products can be configured. There are numerous cases from diverse industries on how this technology  has improved the product development process (Simpson 2003). For instance, Volkswagen has applied  platform  technology  across  their  Audi,  Volkswagen,  Seat  and  Skoda  brands.  Black  &  Decker  has  developed a common platform with extensive component reuse both across different brands and across  different product types. Sony developed a platform on which they developed and delivered a stream of  Walkmans models over many years.  The benefits reported are reduced cost, shorter development cycles  and  the  ability  to  maintain  a  broad  product  range  while  standardizing  and  reducing  the  number  of  different components and configuration elements (Wuuren and Halman 2001).  There are numerous definitions for the term “product platform” found in literature. A definition we find  suitable  for  our  purpose,  is  “a  structured,  coherent  collection  of  resources,  including  systems  and  template hierarchies, textual components, variants, rules and interface definitions, from which a range of 

6 / 56 

  customized  product  definitions  can  be  derived”.  In  our  context,  the  products  to  be  derived  from  the  platform are ship specifications, often with a series length of only one.    Modularization  is  related  to  product  platforms  in  terms  of  being  the  building  blocks  from  which  the  product platform is built. By adding, removing, replacing or scaling modules, the product platform can be  targeted towards specific markets or customer requirements. Core research challenges include efficient  strategies  and  methods  for  determining  the  sub‐division  into  modules  and  the  number  of  variants  of  each,  the  recombination  of  these  modules  into  product  families  of  products,  and  how  these  are  leveraged  to  target  specific  market  segments  and  niches.  The  primary  tradeoff  in  the  platform  design  process  is  between  commonality  and  distinctiveness  (Simpson  2003),  or  between  cost‐cutting  and  increasing market shares (Ericsson and Erixon 1999).   

Product Architecture  The product architecture describes the structure of a system, in defining the main function and entities  of the system and how these are related to each other. Thus, the product architecture can be thought of  as the more abstract skeleton in which the concrete modules can be placed according to given rules.  Actual  representations  of  product  architectures  sometimes  focus  on  the  functional  structure  of  the  product,  and  sometimes  on  the  physical  breakdown  –  and  quite  often  combining  these  two.  To  the  extent we can consider the SFI system as a generic product architecture for a ship (for which there are  many arguments against), we can see that it contains a mix between ship functions (e.g.  cargo handling)  and ship components (e.g. 601 – Main Engine).   The  main  objective  when  constructing  these  system  breakdown  structures  (SBSs),  which  often  are  function‐ or system‐oriented hierarchies, is that they should be wide enough to include all functions or  systems that are relevant in the specific product family. For instance, it would be expected that an SBS  for naval ships would highly focus functions related to weapons systems, which will not be the case in  commercial ships. Typically, companies use one or more SBS that are customized to adequately describe  the products they produce or their way of designing, engineering, procuring or producing.  In  practical  applications,  a  group  system  like  SFI  is  often  the  natural  backbone  for  the  product  architecture in the specification and early design phases. It defines the boundaries for the total scope of  the  derived  platforms,  identifying  a  set  of  building  blocks  as  well  as  the  relations  (typically  kind‐of  or  part‐of) between these building blocks in a hierarchical structure. 

7 / 56 

 

  Figure 1: The SFI breakdown structure  SFI  is  a  hierarchical  breakdown  structure.  The  drawback  with  a  hierarchal  structure  is  that  one  single  dimensions  need  to  (or  should)  be  selected  for  subdividing  the  system  ‐  in  this  case  being  a  “part‐of”  function  breakdown.  Alternatively,  a  heterarchical  model  can  be  used,  making  it  possible  to  capture  a  more complex, multi‐dimensional system structure.   The product architecture is typically based on a functional model of the product. One example is the VDI  model. This model is the foundation for a systematic method for design that has been developed by the  German design community. The method was originally developed by Pahl and Beitz (Pahl 1984), and has  later been adopted as part of the German national standard for the design of technical products. 

  Figure 2: In the VDI model, the basic function in all technical systems involves the conversion of energy,  material, and/or signals (Pahl 1984)  The  VDI  model  offers  a  problem  oriented  design  strategy,  where  the  emphasis  is placed  on  a  detailed  problem analysis and a structured procedure to identify a solution. The first step is to identify the main 

8 / 56 

  function of the design object from the problem description. The main function is then broken down into  a  hierarchy  of  sub‐function.  All  functions  are  seen  as  a  conversion  of  energy,  material,  and/or  signal  (information), as illustrated in Figure 2. The transformation from a hierarchy of function to a hierarchy of  solution  elements  is  by  means  of  design  catalogues,  relating  elementary  functions  with  alternative  physical  effect  solutions.  These  solutions  are  then  synthesised  into  a  complete  design,  and  further  improved in the embodiment design phase.  Thus, the definition of a product architecture based on a functional model of the product is an important  first  step  in  a  modularization  strategy.  There  has been  some  work  related  to  this  in  Norway  some  ten  years  ago,  related  to  the  MARINTEK  lead  project  “Procurement  in  the  Sales  Phase”  (“Innkjøp  I  salgsfasen”). In this project, several diagrams were developed for the main systems of the vessel. One  example of this can be seen in Figure 3  Included in main delivery 743 P Exh. syst. for prop. mach.

703.001 Fuel oil system main engine

1

634.025 Intermed. shaft

6

601063 ME couplings

8

2

601.001 Main engine

793.001 Autom. equip for main eng

5

3

9

871.001 Main switchboard

4

731 Starting air h.p. system

15

793 Autom. equip for prop mach 10

11

7

637.001 Main reduction gear

713.001 Lub. oil system main engine.

634.025 Propeller shaft

223.001 Main engine foundation

13

19

722 Fresh w. cool. syst

14

UMAS Alarm & monit.

16

17

18

12

667.001 Shaft generator

721 Sea w. cool syst.

  Figure 3: System diagram for the main propulsion system, from (Marintek 1998)  Though  these  systems  diagram  was  primarily  developed  to  serve  as  a  basis  for  the  specification  of  procurement  packages,  they  may  be  used  as  the  architectural  backbone  for  defining  modular  product  platforms for ships. This process would involve the grouping of a set of functional entities as a modular  “chunk”,  and  the  definition  of  the  interface  towards  other  modules  based  on  the  various  relations  between  functional  units  depicted  as  different  types  of  arrows  in  the  diagram.  A  more  detailed  description of this project is given later in this report. 

9 / 56 

 

Configuration‐Based Systems  We  may  define  a  ship  design  configuration  system  as:  “A  (software)  system  that  enables  a  structured  definition of a valid design solution from a given set of customer requirements, by applying pre‐defined  rules and templates to select, scale and synthesize a collection of modules” (Brathaug et al. 2008).   Configuration  may  be  described  as  a  particular  class  of  routine  design,  in  which  the  major  design  elements  –  modules  –  are  known,  and  that  these  can  be  combined  into  a  solution  that  meets  the  customer requirements without involving the development of new solution elements. Configuration is in  many aspects the opposite of the more common “copy‐and‐edit” approach taken in projects with short  lead times and only a limited set of changes from existing projects. 

  Figure 4: Configuration of a module‐based platform as a specific class of short lead time, routine design  process  In ship design,  the application  of configuration‐based design has been relatively limited, particularly in  segments  other  than  low‐complexity,  standardized  vessels.  Possible  causes  may  be  the  complexity  related  to  highly  customized  requirements  and  the  extensive  inter‐relationships  between  different  systems.  Further,  non‐technical  factors  may  be  important,  such  as  the  shipbuilding  culture  for  “handicraft”,  and  less  tradition  for  long‐term  thinking.  This  leads  to  a  focus  on  the  individual  projects  rather than process improvements. And, compared to many other industries facing a similar complexity  level (say, automotive and aviation), the typical length of a series in particularly European shipbuilding is  short. This implies fewer projects to share the costs of developing a configurable product platform.  A product configuration system will comprise three main elements:  1. A  design  (object)  representation.  The  primary  representation  will  be  a  collection  of  modules,  combined  with  parameter  sets  both  on  a  vessel  and  on  a  module  level.  The  parameters  will  further  be  divided  into  those  representing  customer  and  functional  requirements,  and  those  representing  a  description  of  the  design  solution.  The  secondary  representation  contains  a  3D  model,  a  textual  specification  and  performance  documentation,  all  which  can  be  derived  from  the primary representation.  10 / 56 

  2. A configuration process representation. It is preferable to base the process implementation on a  workflow management system. This enables a “plug‐in” type of external application integration,  as well as a declarative, configurable process logic definition.   3. A  configuration  knowledge  representation  that  captures the  rules  and  constraints  required  for  defining legal, meaningful product variants from the module platform.   

  Figure 5: The three main elements of a product configuration system (Brathaug et al. 2008)    There exist a number of options for the characteristics and features to be implemented in a configurator.  The  approach  taken  should  pay  attention  to  the  specific  aspects  of  the  tendering  phase  for  highly  complex  vessels,  such  as  offshore  support  vessels.  Figure  6  shows  a  schematic  classification  structure  from (Blecker et al. 2004) that can be used to characterize a given configuration system.   

11 / 56 

 

   Figure 6: Characteristics and features of configurators (Blecker et al. 2004)   First, a configurator may be classified according to the type of configuration knowledge applied. For ship  tender package development, it is likely that a rule‐based framework applying “condition‐consequence‐ action”  types  of  rules  is  useful.  This  enables  the  continuous  maintenance  of  the  design  knowledge  by  domain experts independently from the application  that  handles the design object and design process  representation.  Further, it enables this knowledge to be relatively easily made available to the “hosting”  application through a rule engine. A rule‐based approach has been used extensively in the DNV Nauticus  software suite, primarily for structural design, but also for modelling task automation in Nauticus Early  Design. Applications in the conceptual ship design/tendering phase is still limited.   Even if the knowledge in a rule‐based approach may be maintained independently, it will presuppose a  certain structure of the product, i.e. what parameters and modelling elements are the rules allowed to  operate  on. Thus,  from a more  pragmatic implementation point of view, there will  always be a choice  when representing a certain unit of knowledge; should it be defined as an explicit rule, or as part of the  underlying behaviour of the design model. In many cases the latter is preferable for both simplicity and  performance,  but  may  induce  a  long  term  maintainability  cost  as  well  as  rendering  the  complete  knowledge base intractable.  Case‐based  knowledge  will  still  be  important,  but  less  for  the  direct  configuration  knowledge  per  se.  Rather; it will be important for the evaluation and benchmarking of the emerging solution, as well as a  basis for deriving the function‐to‐form type of relations from an existing design database.  For the configuration strategy, assemble‐to‐order is likely to be the dominant approach, assuming that  the design solution can be built by assembling design modules in a select‐scale‐arrange cycle. This has  many parallels to building block design as described by (Andrews and Pawling 2007), and to arrangement  optimization    (Daniels  and  Parsons  2007)  (Oers  et  al.  2007).  Still,  the  current  level  of  maturity  in  modularization is far from a point where it is possible to avoid a considerable engineering content in the  process. 

12 / 56 

  Further, the initial focus will be a configurator for a non‐distributed design team for the internal use by  the  sales  or design  department  (though  the  future  possibility  of  external  use  has  been  voiced,  for  the  tender  invitation  development  by  customers,  enabling  a  better  understanding  of  design  opportunities  and consequences of requirements  ‐ “requirements elucidation”).  The complexity level of a configurator can be classified as primitive, interactive or automatic. A primitive  configurator  will  mainly  provide  a  pre‐defined  structure  in  which  the  designer  fills  out  the  blanks,  resembling a pure template‐based approach. It is useful for providing a structured and quality assured  process,  but  will  be  too  limited  in  achieving  the  required  level  of  decision  support.  In  an  interactive  configurator  the  human  still  has  a  significant  role,  but  with  added  capacity  of  checking  the  validity  of  decisions,  and  guiding  the  configuration  process.    Automatic  configurators  further  extend  this  into  actually driving the configuration process forward in terms of adding parts and determining parameter  values. While this may be applicable for certain sub‐processes, it is likely that the general approach still  need to be that the human designer will have a central and decisive role also in a configuration‐based  design process.   Integration  level  is  an  important  issue  in  determining  the  most  efficient  path  towards  a  full  scale  implementation.  While  it  is  required  that  a  configurator  will  need  to  be  tightly  integrated  towards  existing PDM, CAD and TDM applications, previous implementation projects have showed that having to  take  into  account  the  full  complexity  level  of  such  solutions  will  impede  the  development  of  the  underlying  processes,  structures  (modules)  and  knowledge  base  required  for  a  long‐term,  robust  solution.    Thus,  we  believe  a  stand‐alone  front‐end  is  currently  a  better  approach,  alternatively  an  application  where  the  end  result  is  a  collection  of  production  type  rules  that  can  be  imported  into   existing engineering systems to produce the tendering documentation at an appropriate level of detail.  To  summarize,  modularization  and  product  configuration  go  hand‐in‐hand,  in  terms  of  configuration  defining  a  process  in  which  the  modules  defined  in  the  product  platform  development  process  are  recombined specific product variants customized towards the end customer.  

Lean Manufacturing Principles  The underlying principle in Lean Manufacturing is to “shorten the production flow by eliminating waste”  (Liker and Lamb 2000). This paradigm grew out of the mass production philosophy,  that by economies of  scale had lead to substantial productivity increases, the most prominent being the car industry with Ford  as a frontrunner. The traditional mass production concept thrived in a situation where the industry was  able  to  sell  whatever  they  produced,  despite  involving  batch  production  that  tended  to  pile  up  as  inventories in the production chain. However, the problems with this approach became more apparent  as more models and variants were being produced to serve the individual needs of different customers.  As a response to this, Toyota started to develop the Lean Manufacturing principles in the 1950’s, with  the  goal  of  simultaneously  achieving”  high  quality,  low  cost,  short  lead  time  and  flexibility”  (Liker  and  Lamb 2000). This approach was further migrated to the Toyota suppliers, and then to the US in the late  70’s. In parallel to this, Japanese shipbuilders adopted lean principles, that together with other similar 

13 / 56 

  initiatives such as TQM, JIT and 5S1, helped them have an impressive productivity increase in the whole  period from 1960 to 1995.  The connection between Lean Manufacturing and Modularization is not obvious, but is likely to comprise  some of the following elements:  •

The relation between short lead time/JIT value chains, and the procurement strategies enabled  by a proper modularized approach 



Modularization strategy – sizes to synch production? 



Modularization opens up for outsourcing – having impact on JIT and product quality 



Modularity  related  to  product  management,  while  lean  thinking  is  a  process  management  principle 

                                                             1

TQM – Total Quality Management, JIT – Just In Time

14 / 56 

 

Motivating Modularity  Different stakeholders have different motivation for modularization. Key drivers can be summarized as:  • • • • • •

Product variety and customization  Production efficiency  Reduced lead time  Product development and design  Reduced risk  Outsourcing and globalization of supply chain 

  The drawbacks can be summarized as:  • Less optimized physical architecture, increased weight and size  • Less optimized performance, excessive capability  • Risk of product similarity 

Reduced Lead Time and Rapid Response in Tendering  An important motivation for a modular product platform is reduced lead time in responding to tender  invitations. Today, even for routine designs, it is quite common that the tender response is started form  a  previous  tender,  possibly  for  another  customer  with  slightly  different  requirements.  This  is  then  “cleaned”  for  project  specific  content,  and  the  particular  requirements  for  the  current  customer  are  incorporated. Typically, the tender documents need to be checked with the different disciplines, such as  structures, machinery and electrical. Obviously, both quality and response time are under pressure. With  a  modular  product  platform,  with  a  well‐structured  configuration  system  on  top,  this  process  may  be  considerably improved both in terms of efficiency, quality, and reduced risk, as well as indirectly through  increased likelihood of winning the contract. 

  Figure 7: A modular product platform may improve the efficiency and quality of tender project  development, and possibly leading to both increased handling capacity and higher hit rate  

15 / 56 

 

Effects on the Ship Production Value Chain  The core question here is to what extent there is a connection between the shipyard’s modularization  strategy and the supply chain structure.  And given that this connection exists, which one is the “cause”  and which one the “effect”?  Historically, the research and development related to two different subjects  of modularization and outsourcing, respectively, has taken place in different communities, the former as  a design and manufacturing principle in engineering communities, while outsourcing has been discussed  within the realms of economics, management and strategy (Fixson et al. 2005).  Obviously,  the  product’s  architecture  determines  the  opportunities  for  manufacturers  outside  the  company boundaries to produce individual components to be part of the final product. A classic example  referred to in many papers is the modular structure introduced with IBM’s 360 system. This opened up  for individual manufacturers to provide components to this platform, eventually driving prices down and  making components such as hard drives and memory chips commodities.  The  impact  that  modularization  has  on  the  production  value  chain  may  also  lead  to  changed  power  balances  between the  different  actors  in  the  value  chain.  One  example  is  the shift  in  control  over  the  specification.  In  a  more  “traditional”  process  the  shipyard  to  some  extent  play  the  role  of  a  sub‐ contractor  designing  and  developing  a  solution  constrained  by  the  requirements  in  the  outline  specification. With a modular, product platform‐based design, this is shifted towards a situation where  the owner is, at least in principle, selecting from a set of possible designs derived from a platform. Thus,  the yard has to some extent regained the control of the specification. 

Modularization in a sustainability perspective  Given  the  current  focus  on  both  global  warming  and  environmental  issues,  both  in  shipping  and  in  society  as  such,  the  following  question  becomes  pertinent:  “To  what  extent  can  modularization  contribute to sustainable shipping?”  There  is  no  obvious  direct  relation  between  modularization  and  emissions,  and  for  most  practical  purposes  they  should  be  considered  separate  issues.  Sustainability  and  environmental  efficiency  is  primarily  related  to  the  functional  performance  of  the  technical  solution.  Whether  a  modular  or  an  integral solution is used to realize this solution is of lesser importance.  Still, there are indirect effects of modularization that may influence the environmental footprint of the  solution, both in a positive and negative direction. This includes:  •

Modularity comes at a price in terms of size and weight. An integral architecture with the same  technical  performance  will  typically  be  more  energy  efficient.  Thus,  from  this  perspective  modularity has a negative environmental impact. 



Modularity  may  contribute  to  a  higher  degree  of  customized  solutions,  thus  improving  the  mission‐specific  efficiency  of  the  solution,  with  a  corresponding  positive  environmental  effect. 

16 / 56 

  For ships, this effect is likely to be small, since the design is typically highly customized regardless  of the chosen product architecture.  •

Modular  concepts  aimed  at  providing  operational  flexibility,  such  as  the  Littoral  Combat  Ship,  may  contribute  to  a  cost‐efficient  modernization  of  obsolete  equipment,  upgrades,  and  adaptation to changed external conditions (new markets, trades, regulatory regimes, etc.). This  may both contribute to increasing the operational efficiency of the vessel, as well as extending  the vessel’s operational life. 



Modularity  may  contribute  to  a  more  efficient  recycling  of  the  vessel  along  the  interfaces  defined  by  the  modular  architecture,  and  possibly  also  to  the  reuse  of  those  components  for  which the economic life time is longer than for the ship itself.   

17 / 56 

 

Modular structures  In this chapter, a number of approaches to defining modular structures are briefly reviewed, with some  generic  examples  from  various  industries.  In  the  next  chapter,  some  more  marine  specific  examples  based on modular structures are discussed in more detail. 

What is a modular structure?  Recalling  the  previous  chapter  covering  product  architecture,  we  may  define  a  product  both  from  the  perspective of function and form.  In the product design process, we assign the physical building blocks –  “chunks” – to the different functional elements.  This  can  be  illustrated  in  a  very  simple  example.  Consider  two  basic  functions  for  seaborne  transport  vessel:     

F1:  F2: 

Provide cargo support  Provide thrust through water 

In a traditional design, these two functions are, at a high level, allocated to a single ship “chunk”. To the  extent  that  this  overall  chunk  can  be  separated  into  a  hull  module  and  a  machinery  &  propulsion  module,  the  interaction  between  these  modules  are  complex  and  not  well  defined.  For  instance,  an  increase  in  speed  would  typically  require  a  larger  and  heavier  propulsion  system  that  in  the  next  step  would  require  an  increase  in  hull  displacement.  Thus,  these  two  modules  have a high degree of dependency, which    is  a  typical  characteristic  for  integral  architectures.  In  general,  integral  Figure 8: The high level architecture of a ship can be  architectures    are  characterized  by  the  characterized as a typical integral architecture  following properties (Ulrich 2008):   •

Product  functions  are  imple‐ mented using more than one chunk or module 



A single chunk or module implements many product functions 



There is a high degree of (complex) interaction between the product modules 

18 / 56 

  The  opposite  of  an  integral  architecture  is  a  modular architecture.  Here,  the  different  functions  of the  product are, to the extent possible, allocated to separate product modules, and the interaction between  these  modules  is  small  or  non‐ existent.  For  the  seaborne  transport  example,  a  more  modu‐ lar  architecture  could  be  achieved  by  separating  the  system  into  a  cargo  unit,  such  as  a  barge,  and  a  propulsion  unit,  such  as  a  tug.  In  this  case,  an  increase  in  speed  would only require a change in the    “tug  module”,  and  not  per  se  influence  the  “barge  module”.  Figure 9: Assigning the cargo support and thrust provision function  to separate modules provide a more modular architecture  (However,  this  functional  inde‐ pendence  does  not  hold  the  opposite way).   A  similar  concept  have  been  developed  as  part  of  the  EU  project  CREATE3S.  Here,  a  common  vessel  platform has been developed, that can be mated with several different types of cargo modules. 

  Figure 10: Vessel platform with cargo modules, CREATE3S project  Thus, a modular architecture can be defined by the following properties (Ulrich 2008):  •

A single chunk or module implement one or a few product functions 



The interaction between the module is limited and well defined  

Modularity types  There  is  some  disagreement  in  literature  on  how  many  basic  types  of  modularity  there  is.  In  (Ulrich  2008), three types are identified:  •

Slot modularity, where the interface is specific to the module type. An example can  be  seen  in  Figure  10,  showing  a  US  Navy  concept  that  allows  for  different  configuration  and  rapid  refit,  but  with  a  predefined  location  for  each  equipment  type where the appropriate interface slot is available. 

19 / 56 

 

  Figure 11: Slot modularity in US Navy TES concept (Jolliff 1974)    •

Bus  modularity,  where  the  interface  is  standardized  across  several  module  types.  This  type  of  modularity  is  required  when  different  selections  and  combinations  of  (equipment) modules are used to customize the product towards different purposes.  One example  

20 / 56 

 

  Figure 12: Example bus modularity interface for US Navy SEAMOD vessel, where different equipment  packages can be connected to a standard interface (steel frame, power, water, signals, …). The purpose  was primarily to increase the ability to meet different mission requirements (Jolliff 1974)   

  Figure 13: The Littoral Combat Ship is another example of bus modularity, where different mission  modules, packaged as containers, can be plugged into a standard interface to provide a wide array of  different mission capabilities    •

Sectional  modularity,  where  there  is  no  “platform”  module  in  which  the  other  modules  attach.  Rather,  all  modules  have  one  or  a  few  common  interfaces,  which  typically allow a larger variety in the physical layout of the product. On a ship, piping  and HVAC systems typically exhibit sectional modularity.  21 / 56 

 

  Figure 14: Ship piping system, illustrating sectional modularity 

  Figure 15: The SIGMA Modular Ship, combing standardized hull sections to customize vessels with respect  to mission and size    In  the  figure  on  the  next  page,  a  more  detailed  division  into  different  modularity  types  is  given,  from  (Christiansen et al. 2003). 

22 / 56 

 

  Figure 16: A more detailed division into different modularity types, from (Christiansen et al. 2003) 

23 / 56 

 

Review of Modularization in the Maritime Industry   As  have  been  discussed  earlier  in  this  report,  the  extent  of  modularization  in  shipbuilding  is  relatively  limited.  The  dominant  tradition  has  been  based  on  “built‐to‐order”,  “one‐of‐a‐kind”  solutions.    Still,  there have been numerous initiatives and projects that in part have contributed to a body of knowledge  that may serve as a platform for the further development and more extensive use of modularization in  this industry. In this chapter, I will try to give a brief overview over some of these initiatives, both from  Norway and from abroad. The list is by no means exhaustive, but may serve as a first starting point for  further elaboration and investigations. 

Overview  The  table  below  lists  a  number  of  Norwegian  projects  that  are  either  directly  or  indirectly  linked  to  modularization.  A  number  of  these  projects  were  managed  by  the  Shipyard  Group  at  Marintek.  This  activity  at  Marintek  was  terminated  in  2001,  and  part  of  the  shipyard  activity  was  continued  in  the  Marintek spin‐off company proNavis.    

Norwegian projects and initiatives   Equipment,  modularization and  arrangement (Utstyr,  modularisering og  arrangement, 1992) 

Anders Utkilens Rederi  Identify factors important for selecting  and designing module‐based  Aukra Industrier   Barber Ship Mgmt,  arrangement solutions  Wilh Wilhelmsen Lines,  Kværner Warnow  Det Norske Veritas  UNI Storebrand  Marintek 

Rational construction  (1999)   

Brunvoll   Nyborg  Ulstein Bergen  Ulstein Propeller  UMOE Schat Harding  Wärtsilä NSD Norway  Marintek 

QFD‐based method for improving the  product structure and design based on  the grouping of requirements and the  corresponding mapping to components  and modules (Buhaug and Langset 1999) 

Early outfitting  (Tidligutrustning) 

Marintek  Ulstein 

Best practices for imporved design,  planning and production processes at  Norwegian shipyards 

24 / 56 

 

Early procurement  (Innkjøp i salgsfasen) 

Marintek  Ulstein 

Contain extensive material related to the  functional modeling of core ship systems.  In this project this is mainly used to form  the backbone of the procurement plan  and the content of the specification  packages. This is likely to useful as an aid  to define the modular architecture as  part of an modularization strategy 

MODNET (2004) 

Ulstein  Brunvoll  Kongsberg  DNV  m.fl. 

Develop and test new methods for  busienss development, design,  production, operation and sales of  modul‐based ship solutions from a global  collaborating industrial resource network  – the   Utvikler og tester ut nye metoder for  forretningsutvikling, prosjektering,  produksjon, drift og salg av modulbaserte  skipsløsninger fra globalt samvirkende  industrielle ressursnettverk – MODNET  konseptet 

 

Equipment, modularization and arrangement (1992)  The project “Equipment, modularization and arrangement” (Utstyr, modularisering og arrangement) was  a pre‐project with participation from MARINTEK, together with Anders Utkilens Rederi, Aukra Industrier,   Barber Ship Management, Wilhelm Wilhelmsen Lines, Kværner Warnow Werft, Det Norske Veritas, and  UNI Storebrand. The purpose of this pre‐project was to identify those factors being most important for  selecting  and  designing  module‐based  arrangement  solutions.  Life  cycle  cost  factors  for  a  chemical  tanker and a RORO vessel was used as a basis.  The conclusions from this project can be summarized as follows:  •

“There  is  no  free  lunch”  –  the  benefits  of  module‐based  solutions  will  need  to  offset  cost  increases in other areas 



The life‐cycle cost distribution among various types of vessels was fairly similar, indicating that  the potential savings as well can be found in the same areas 

25 / 56 

  •

From a ship owners perspective, there are substantial potential benefits if the correct decisions  are made already at the design stage 



The  most  important  cost  driver  in  a  life  cycle  perspective  are  the  machinery  systems,  and  the  systems for cargo handling 



The  recommended  focus  for  a  larger  main  project  should  be  on  developing  an  LCC‐based  modularization framework for the machinery and cargo handling system, and to develop robust  and efficient interfaces for foundations, piping and cabling. 

As we can see in the figure below, the incentives are different for the various stakeholders with respect  to modularization. While the ship owner is inclined to focus on solutions that are efficient in operation,  the yard will give preference to those solutions that will lead to decreased time or cost in production. As  a consequence, the solutions specified from the ship owner in the outline specification, being considered  preferable  from  a  pure  operations  point‐of‐view,  may  show  up  to  have  a  higher  life‐cycle  cost  than  alternative  solutions  due  to  a  high  realization  cost  for  the  yard.  Thus,  care  should  be  given  in  the  specification  process  in  order  to  strike  a  good  balance  between  the  multiple  stakeholders  interest.  Alternatively,  the  yard  and  ship  owner,  as  well  as  main  systems  suppliers,  should  jointly  develop  the  overall design and general arrangement. 

  Figure 17: Different stakeholders have different incentives for modularization  (Hagen 1998)  The project report also summarizes some of the mechanisms that may impede or hinder modularization  in shipbuilding. This includes: 

26 / 56 

  •

Technical  factors,  such  as  reduced  freedom  to  exactly  specify  exact  performances  (but  rather  select  from  a  limited  set  of  predefined  or  configurable  variants),  and  reduced  freedom  to  optimize arrangement such as placement and minimization of piping length. 



Techno‐economical  factors,  such  as  increased  weight  because  of  standardized  foundations,  increased area and volume requirements. 



Price competition vs. collaboration, i.e. the degree of interaction required to define and develop  good  modularized  solutions  may  be  in  conflict  with  a  competitive  tendering/souring  policy  to  keep prices down 



Procurement,  capital  binding,  larger  system  modules  may  require  a  larger  share  of  the  equipment to be installed at an early stage in the production process (say, complete cabins with  furniture). This may increase the finance cost of the vessel.  However, this is likely to be the same  as for an alternative early outfitting strategy. 



Production,  in  terms  of  requiring  an  increased  capability  in  handling  larger  modules,  and  for  maintaining openings and passageways for access and transport. 

Rational construction (1993)  The  purpose  of  the  project  was  to  develop  methods  and  tools  for  increasing  the  flexibility  of  product  configuration.  This  resulted  in  a  QFD‐based  method  for  improving  the  product  structure  and  design  based on the grouping of requirements and the corresponding mapping to components and modules.  The method was based on subdivision of the product into functional elements,  for which the interfaces  were  defined  for  power,  mass  and  signal  transfers  and  interactions.  This  is  illustrated  in  Figure  17.  Transferring  these  elements  and  interactions  into  a  diagram  (Figure  18),  a  mapping  to  physical  component can be made. Based on the interactions identfied here, an appropriate modular architecture  can be found, as illustrated in Figure 19. 

27 / 56 

 

  Figure 18: Block diagram for a thruster unit (Buhaug and Langset 1999)   

28 / 56 

 

  Figure 19: Connecting functional and physical elements for a thruster system (Buhaug and Langset 1999) 

  Figure 20: Identifying possible modular architectures by using the diagram to identify opportunities for  splitting, grouping, redesign and using adapters(Buhaug and Langset 1999)   

Early Outfitting  The focus of this project was primarily on the splitting of the vessel into zones that to a certain extent  can  be  outfitted  independently  of  other  zones.  The  topics  covered  were  mainly  Zone  oriented  29 / 56 

  production, Outfitting Matrix,  Module building – work packages,  aimed at reduced  lead times through  standardization and lean production.  “Design for production” – core principles  1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Standardisation  Interface minimization  Aggregation  Integration  Modularization   Flexibility  CAD systems supporting early outfitting and modularization (topological “black box” modeling) 

Sales Phase Procurement (1999)  The aim of this project was to develop a rational methodology supporting the procurement process in  shipyards. This was a collaboration project between Ulstein Yard and MARINTEK.  A core topic was the  procurement of project critical equipment, where a coherent framework for performance‐based  specifications was developed.  

401.001 RUDDER

402.016 LUBR: EQUIP.

403.012 STO. TANK

875.010 POWER SUPP. 24V

402.007 AXEL BEARING

403.012 EXP. TANK

403.055 CONTROL SYSTEM

402.001 RUDDER AXEL

403.007 STEERING GEAR

403.060 STARTER

875.010 POWER SUP. Relay box

263 FOUNDATION

These specifications were based on a functional modeling of core ship systems. These are used as a  backbone for the procurement plan, and for identifying the scope, content and interfaces of the  individual specification packages. Thus, this project may provide valuable input to the process of defining  the required modular architecture to serve a global sourcing strategy. 

30 / 56 

    *‐*‐*  The next section contains a brief review of modularization strategies applied to specific phases of the  ship development process. 

Tendering and Specification Development2  One  of  the  potential  benefits  of  modular  architectures  is  the  combination  of  short  lead  time,  rapid  configuration  combined  with  customization.  These  features  are  highly  relevant  in  the  ship  tendering  process. For shipyards and designers, a key competitive factor is their ability to efficiently respond to a  tender invitation with a high quality tender that meets the customer’s needs.   The  main  final  delivery  from  the  tendering  process  is  a  specification.  This  specification  is  frequently  developed through stages, starting from a purely functional (often termed brief) specification, through a  more performance oriented (often termed outline) specification, and potentially ending up as a detailed  technical specification (often termed full). The typical full specification that exists at contract signing may  have  an  extent  of  150  to  300  pages  covering  150‐400  system  groups,  describing  in  relative  detail  the  product to be delivered.   The  specification  is  accompanied  by  a  number  of  supporting  documents,  among  them  arrangement  drawings,  system  drawings,  and  makers  list.  In  addition,  an  internal  cost  calculation  is  developed  in  parallel  to  determine  the  bid  price.  The  current  typical  approach  to  developing  new  specification  document is to copy an existing specification from similar designs in previous projects. This document is  then modified to accommodate the specific requirements of the new customer.  In (Hagen and Erikstad 2002) and (Erikstad and Hagen 2003) the quality costs related to this approach is  discussed. For instance, specification errors are typically and repeatedly copied into new specifications,  as are customer‐specific requirements that were valid in the previous projects. Also, this approach will  tend to hinder development as new projects frequently are based on old solutions. The results may be  higher cost, higher uncertainty, outdated designs and reduced competitiveness with respect to winning  the bid.  One  example  of  a  tender  development  support  tool  based  on  modularization  principles  is  DNV  Software’s  TenderSuite.    TenderSuite  is  a  web‐based  tool  for  handling  the  concurrent,  distributed 

                                                             2

This chapter is partly based on excerpts from (Year). "IMDC 2009: the Thent International Marine Design Conference : May 26-29, 2009." IMDC, IMDC09 ; Tapir, Trondheim, 2 b, Erikstad, S. O., and Hagen, A. (2003). "Web-based tendering collaboration in project-centric industries." In: COMPIT - 2nd International Conference on Computer and IT Applications in the Maritime Industries, Hamburg, Germany, Erikstad, S. O., and Hagen, A. (2006a). "Applying Product Platform Technologies in Ship Specification Development." In: International Marine Design Conference (IMDC), Ann Arbor, MI, Hagen, A., and Erikstad, S. O. (2002). "Collaborative Ship Specification Development - From MS Word to Argus." In: International Conference on Computer Applications in Shipbuilding (ICCAS), Malmö, Sweden.

31 / 56 

  configuration  and  development  of  the  specification  document  and  the  accompanying  internal  project  calculation in project‐oriented industries.  TenderSuite is based on a module oriented, product platform approach. One of the main differences is  that  while  in  a  traditional  approach  (close  to)  all  tendering‐related  resources  are  spent  in  the  development of individual projects, a platform approach will require two separate processes:  •

Product  platform  development,  comprising  all  activities  related  to  the  establishment  and  maintenance  of  the  platform  from  which  the  individual  projects  will  be  generated  in  the  different  families  of  products.  This  process  can  be  further  divided  into  two  phases.    The  first  phase is the initial establishment of the product platform. Important decisions in this phase are  the  structure  and  scope  of  the  platform,  the  number  of  product  types,  and  the  classifying  dimensions of the type hierarchy. In the subsequent, these types will be referred to as product  templates. The second phase is the continuous maintenance of the platform. In this phase, input  is both received from design‐related activities independent from specific projects, and from the  technology developments within concrete projects 



Product platform exploitation, comprising the customer‐specific delivery projects, based on the  configuration  and  further  refinement  of  the  product  platforms  with  the  intent  to  adopt  customer‐ or project‐specific requirements. The efficient exploitation of the product platform is  as much a matter of process know‐how as of product know‐how. 

The platform development and exploitation process is illustrated in Figure 20. 

  Figure 21: A platform‐based approach consists of a modularization and platform development process,  and a platform exploitation process (Erikstad and Hagen 2006a)  One important question that arises in a platform‐based approach is the allocation of resources between  development  and  exploitation.  Allocating  more  resources  for  the  modularization  and  platform  development  process  is  expected  to  reduce  the  effort  and  improve  the  quality  for  each  specification  project. However, for a given resource, each additional resource unit spent in the platform development  phase  will  imply  one  resource  unit  less  spent  in  the  exploitation  process.  Thus,  we  should  continue 

32 / 56 

  spending  resources  in  platform  development  as  long  as  the  net  productivity  and  quality  profit  for  the  remaining projects in the exploitation phase is positive.  The correct trade‐off is difficult to determine in project centric industries like shipbuilding, partly due to  lack of efficient indicators, and partly due to the fact that it is often difficult to a priori assess how many  projects that can be expected to share the initial development cost. Methods to support the negotiation  of  these  trade‐offs  include  identifying  (a)  what  parts  of  the  total  product  portfolio  may  be  most  cost‐ efficient  to  invest  resources  in  developing  sound  product  platforms  and  (b)  where  it  may  be  most  feasible  to  create  few  flexibly  configurable  and  general  platforms  as  opposed  to  several  more  specific  ones.  This  is  a  matter  of  clustering  and  analyzing  historic  projects  to  identify  commonalities  and  differences, and will be a matter of further research.  In TenderSuite, a “template” corresponding to the product type forms the starting point for the product  configuration  process.  A  template  is  a  selection  of  nodes  in  the  system  breakdown  structure  that  are  relevant for a particular type of vessel. For each of these nodes there exists either a boilerplate text for  the system specification, or an enumeration of variant descriptions to be selected from.    Vessel

Chemical tanker

RoRo

Offshore vessel

PSV

Anchor handler

Supply

UT745

 

Figure 22: The product types in a tendering context, represented as an inheritance hierarchy of templates  The  different  templates  within  a  platform  each  form  a  unique  starting  point  for  a  new  specification,  which will be further configured and developed to adhere to each customer’s requirements. Still, there  will be a high degree of commonality among the templates, in particular for those systems that are not  ship‐type  specific.  If  all  templates  were  to  be  developed  and  maintained  in  parallel,  without  efficient  means to handle common resources, the efficiency of using the platform would decrease dramatically.  Since each product platform may contain between 150 and 400 various system groups, many of which  share properties across templates, it is important that the system can handle commonalities efficiently.  A company that introduces a product platform approach “… without concern to the underlying product  structure  risks  (a)  to  create  a  situation  where  [it]  gradually  looses  …  oversight  and  (b)  [the  ability  to] 

33 / 56 

  exploit  the  real  potentials  that  resides  in  a  well‐prepared  and  ‐founded  [product  platform]  strategy.”  (Hagen 1999)  Thus,  templates  are  organized  into  template  hierarchies,  where  each  template  only  defines  what  is  different  from  a  parent  template.  All  other  resources,  including  system  existence  and  content,  are  inherited.   In  (DRM  2005),  a  product  family  is  defined  as  “a  set  of  individual  products  that  share  common  technology and address a related set of market applications”. In the template structure defined above,  each parent node will thus define a product family, each family recursively being part of a larger family,  with broader scope but less specialization, as we go upwards in the inheritance hierarchy.  

  Figure 23: Core components of a specification product platform. Here, the variants corresponds to  modules, and the System Breakdown structure combined with the Template Library define how these  modules can be combined into “valid” specifications    The development of a specification product platform follows a stepwise process that to some extent will  be  similar  to  developing a  modularized  product  architecture  and  platform.  A  typical  starting  point  is  a  situation  where  accumulated  knowledge  and  experience  is  primarily  stored  implicitly  as  archived  projects and tacit human capital. The goal is to reach a situation where this knowledge and experience is  made explicit and becomes operationally available as part of a platform. The initial development of the  platforms may be divided into 5 major steps, as follows (Erikstad and Hagen 2006b): 

34 / 56 

     1. Identify product families and corresponding platforms  Divide  the  current  product  portfolio  into  families.  The  grouping  should  preferably  be  based  on  system  structure  and/or  content  commonality,  but  may  be  influenced  by  market  segmentation  and  organization  structure.  These  families  may  each  correspond  to  a  separate  product  platform,  or  they  may  be  grouped  together  to  form  larger  platforms.  2. Determine System Breakdown Structure  Determine  a  system  breakdown  structure  (SBS)  for  each  product  platform  defined  in  Step  1.  The  SBS  captures  the  scope  of  each  platform,  and  is  the  main  organising  hierarchy  across  projects  and  templates  (or  types),  as  well  as  for  the  variant  library.  The  SBS  may  be  seen  as  the  system  library  with  which  to  construct  all  possible  platforms  for  all  foreseen  templates  within  that  overall  product family. This corresponds to defining the functional  schematic in a modular architecture development process. 

3. Determine major templates  Within each platform, capture the set of distinct types to be  supported  by  defining  templates.  Each  template  defines  a  particular (product) type upon which new project instances  may  be  based,  and  will  be  increasingly  specific  with  the  depth in the (specialization) hierarchy. System groups from  the overall SBS may be eliminated for each level of detail.  Template  (or  type)  formation  may  be  internally  driven  by  system and content commonalities, or externally driven by  markets and models.  

 4. Populate the template structure  Once  the  template  configuration  (structure)  is  defined,  populate  the  content  in  system  groups  in  the  templates  using  knowledge  embedded  in  existing  projects.  Exploit  vertical  type  commonalities  by  using  a  (type‐subtype)  inheritance  mechanism,  wherein  content  with  relevance  across  several  templates  are  defined  at  a  more  general  level – above these “relevant” templates.   The result from step 3 and 4 is a defined product platform  upon which to base new project (specification) instances. 

35 / 56 

 

5. Capture cross‐type similarities as variants   When  the  template  (or  product  type)  specific  definitions  are  established  identify  standard  options  and  commonalities across types (horizontal) by defining sets of  variants  for  specific  systems.  Such  variants  constitute  project‐  and  template  independent  libraries  of  system  descriptions  for  reuse.  These descriptions may  be  relevant  across  several  templates,  for  instance  as  different  options  pertaining to different product types. 

Step 1: The identification of product families and corresponding platforms  At  the  outset  of  the  platform  definition  process,  a  core  question  is  how  many  platforms  should  be  supported  within  the  organization.  One  possible  assumption  is  that  one  such  platform  corresponds  to  one system breakdown structure that defines the ”dictionary of all possible systems” in that family, as  well as a valid hierarchical structure. In other words, the SBS contains all possible system groups that are  considered sufficient to describe all possible products in the product family.   One  single  platform,  or  product  architecture,  has  the  benefit  of  being  less  costly  to  establish  and  maintain, and makes it possible to exploit common resources across all projects, and product variants, in  the company. Such resources may, in addition to templates and variants, be libraries of rules of thumb,  system interfaces, list  of suppliers organized  according to the  SBS,  and so forth.  However, maintaining  only one SBS is of course contingent that there in fact are sufficient commonalities to exploit. If not, a  single platform will provide a poor “signal‐to‐noise” ratio, defining a common basic structure that is too  general to be useful in concrete projects. This may be the case for a company both building merchant  and naval vessels, where an SBS that fits both purposes equally may rather be equally poor than equally  good.  What has been common in the Norwegian maritime industry is a single platform is suitable for most ship  consultants and shipyards that develop designs and projects in a small to medium‐sized product range.  To  some  extent,  this  is  due  to  the  fact  that  there  is  already  a  well‐established  system  breakdown  structure, the SFI3 system, which is used across most types of shipbuilding projects. These projects range  from  small  offshore  supply  and  fishing  vessels,  to  larger  passenger  ships.  Even  for  yards  and  ship  consultants  having  a  relatively  wide  product  range,  the  fraction  of  system  groups  reoccurring  across  projects is fairly high. As discussed before, this is not a pure functional breakdown that would have been  preferable  when  developing  a  modular  product  architecture,  but  is  useful  for  a  specification  platform  since it represents a de facto common structure across projects. 

                                                             3

A system developed by the Norwegian Shipping Research Institute (SFI)

36 / 56 

  Multiple  platforms  are  particularly  useful  when  the  company  is  targeting  relatively  different  market  segments. One case is a design and engineering company that develops designs both for ships, offshore  and  land‐based  process  industry.  There  is  little  overlap  in  the  systems  specification  between  these  markets,  and  the  projects  are  structured  fundamentally  different.  This  is  an  obvious  case  for  multiple  platforms.  Different  structures  based  on  the  same  information  content  can  also  be  maintained  as  views  or  mappings  from  a  common  base  structure.  However,  this  would  require  a  predominantly  one‐to‐one  mapping  between  the  individual  systems  description.  Experience  from  developing  mappings  between  four  of  the  most  common  group  systems  used  in  North  European  shipbuilding  indicate  that  the  percentage of many‐to‐many mappings is too high to render a mapping‐based approach viable.  The key aspects to consider when evaluating how to divide into top‐level product families are:  •

To what degree projects may be divided into distinct clusters, in which the fraction of functions  or systems relevant only for each cluster is high. A high such fraction points to the establishment  of different product families. 



To  what  degree  there  is  value  in  reuse  of  information  across  the  clusters,  or  to  what  degree  equivalent systems vary in description. A low reuse value points to the establishment of different  product families. 

For  the  first  of  these  criteria  it  is  possible  to  establish  a  quite  tangible  metrics,  focusing  on  the  set  of  functions relevant only to the cluster of projects versus the set of functions relevant to both. The second  is  less  obvious  and  difficult  to  measure,  and  may  require  some  measure  of  semantic  similarity  in  the  textual descriptions.  Step 2: Determining the system breakdown structure in each product platform  The  main  objective  when  constructing  these  SBS,  which  often  are  function‐  or  system‐oriented  hierarchies, is that they should be wide enough to include all functions or systems that are relevant in  the specific product family. For instance, it would be expected that an SBS for naval ships would highly  focus functions related to weapons  systems, which will not be the  case in commercial ships. Typically,  companies use one or more SBS that are customized to adequately describe the products they produce  or their way of designing, engineering, procuring or producing.  As stated before, we consider a group system to be the natural backbone for the information content in  a  specification‐oriented  product  setting.  It  defines  the  boundaries  for  the  total  scope  of  the  derived  platforms,  identifying  a  set  of  building  blocks  as  well  as  the  relations  (typically  kind‐of  or  part‐of)  between these building blocks in a hierarchical structure.  

37 / 56 

 

  Figure 24: Example from the SFI group structure  The  SFI  group  system  used  extensively  in  the  Norwegian  maritime  industry  has  been  mentioned  previously.  It  contains  about  550  nodes  arranged  in  a  hierarchical  structure  comprising  most  systems  found on commercial ships.4 A partly expanded view of SFI is shown in Figure 23. SFI is mostly a kind‐of  (classification) hierarchy, but partly also a part‐of (composition) hierarchy.  The degree to which the SBS is suitable for the purposes depends upon several factors. One important  such is how well product platforms within the product family may be described in the same manner, or  in the same detail. If some products in the product family contain a large fraction of systems being very  widely described (through few system groups) while others are very detailed described (through many  system groups), this is an indication of an imbalanced system. This is found in SFI, where for instance the  huge “LNG Plant” is only defined by one system group while the significantly smaller loading/unloading  of  liquid  cargo  has  several.  Thus,  SFI  is  significantly  more  adjusted  to  product  tankers  than  to  LNG  carriers.  The  role  of  the  group  system  is  crucial  in  the  platform  definition  process.  SFI  is  for  instance  relatively  limited in scope and has a narrow target, being originally constructed to suit the purposes of describing  ship types like tankers, bulk carriers and RORO vessels. The contrast is the Norwegian standard for the  offshore sector, NORSOK, which is very broad and designed to span several different kinds of products.  The advantage with the prior is its simplicity, the disadvantage its lack of flexibility in defining any kind of  ship. NORSOK, on the other hand, has the opposite characteristics. This is the obvious reason why yards 

                                                             4

SFI also has a component-level detail code, expanding the number of groups to about 4.500, but this is not used to a large extent.

38 / 56 

  and  design  companies  typically  either  will  have  developed  their  own  group  system  or  will  have  customized a standard one.  Having been a de facto standard for the Norwegian shipbuilding community for decades, the SFI system  has  been  an  important  backbone  for  collaboration  and  integration  that  has  contributed  to  the  competitive position of this industry today. To play the same role in the future, however, SFI needs to be  updated to accommodate the changes in the structure and processes in shipbuilding, as well as provide a  foundations on which emerging technologies, such as modularity and product platform technologies, can  be based.  Step 3: Identifying types to be supported in each platform  Once  the  choice  has  been  made  as  to  how  many  product  families  to  organize  products  into,  and  thus  also how many and which system breakdown structures to use, the next step is to define the product  type, or variant, hierarchy. In TenderSuite, this is called a template hierarchy. Each template represents  in essence a particular product type, with its individual configuration based upon the product platform.  However, the product becomes gradually more defined the further down in the hierarchy the template is  defined,  inheriting  characteristics  from  its  parent  template.  The  “product”  at  the  top  level  is  simply  “Ship”, while at the bottom level it may be a particular type‐designated design.   For  a  ship  consultant  in  the  Norwegian  specialized  ship  market,  a  natural  choice  might  be  to  create  a  single  SBS  (and  thus  treat  all  products  as  belonging  to  one  large  product  family).  Further,  this  can  be  segmented  into  markets.  Logical  in  this  case  is  to  split  into  two  directions  in  the  template;  offshore  vessels  and  fishing  vessels.  These  clearly  meet  different  market  segments,  and  are  in  this  case  specializations of the template “ship” in the overall product family.  In this process, the functions or systems in the product family SBS that are not relevant are removed, or  “pruned  away”  and  excluded  from  being  used  as  resources  in  more  detailed  product  templates.  For  instance,  in  the  class  “Offshore  vessels”  it  is  unlikely  that  the  function  “trawl  winches”  ever  will  be  relevant, while in the class “Fishing vessels” the function “seismic systems” is not likely to be seen. The  respective system groups exist as general resources, but are not visible as part of the product definitions  neither on the product template fishing vessels nor any derived from this, such as lower level templates  like “trawler” or “seiner”.  A central issue in this process is how to classify project into different levels in the classification hierarchy.  The  pragmatic  and  common  approach  will  be  to  classify  according  to  markets  or  trades,  an  externally  driven approach.  This  may be  efficient,  but will not  necessarily  capture the  commonalities where they  exist across this division. For instance, if there is a class of products called “merchant” that distinguish  itself from both fishing and offshore vessels (as also is the case in Rolls‐Royce, having a separate market  segment for this trade), while fishing and offshore vessels have several commonalities, it may be most  feasible to make this segregation at one level for then to further distinguish “fishing” and “offshore” at  the next level. 

39 / 56 

  The  other  approach  is  internally  driven,  related  more  to  characteristics  of  the  products  than  of  the  markets  they  serve.  We  propose  that  it  is  possible  to  develop  indicators  –  “similarity  indices”  –  to  address this issue. One such indicator may be the set of common systems across products in a cluster  versus  the  set  of  systems  distinct  to  one  particular  cluster  of  projects.  Set  theory,  binary  clustering,  semantic analysis and statistical methods used on historic projects are all techniques that may be used  for this purpose.   Notwithstanding  the  methodological  foundation:  At  the  bottom  line  the  trade‐off  will  be  based  on  a  pragmatic decision, though in time upon sound (and objective) decision parameters. If there are many  templates  in  several  levels,  this  will  enable  and efficient  exploitation  since  the  projects will  initially  be  well‐defined from detailed product definitions. The downside is that as the levels increase, so does the  number  of  bottom‐level  templates  (and  thus  product  definitions),  also  increasing  the  cost  of  development and maintenance. This also influences when to stop addressing specializations as individual  product types (as templates) and rather specialize further through the concept of variants.  Step 4: Developing the type inheritance hierarchy   After  the  definition  of  the  configuration  of  the  product  families  and  platforms  in  the  template  hierarchies,  the  next  step  is  to  develop  their  content.  Typical  for  specifications  is  that  some  parts  are  relevant for most, if not all, specifications. For most ship design companies, this applies to parts of the  specification  dealing  with  general  terms,  standards  and  guidelines,  terminology,  and  the  like.  These  descriptions will be defined at a high level, to be inherited to all dependent templates. This is similar to a  (selective) class‐subclass inheritance mechanism.   If the descriptions of certain common ship systems are very similar across product templates it will be  relevant to describe the system at a higher level, and inherit the description in the subclasses, and thus  avoid the maintenance burden of multiple, similar instances. It is probable that, for instance, the value of  reuse of descriptions of, for instance, ship‐general functions like “Anchor winches” or “Windlasses” may  be  reused  across  more  product  templates  than  “Trawler  winches.”  Through  this  mechanism,  a  specification generated at the bottom level in a template hierarchy (that is, a very specific product type)  will be a result from extracting text fragments from the up‐most to the lowest level.   It is not a trivial task determining the proper level where the content, being a textual description, is to be  defined. The overall intention is to exploit the commonalities, both to support efficient development and  efficient maintenance. It is an area for future research to develop the necessary metrics for this, based  upon semantic similarity  across projects, both parametric similarity and textually descriptive similarity.  The challenge of finding out when to perform specialization of the description at a low level rather than  inheriting from a higher level is a demanding one.   Step 5: Developing a library of cross­type variants   The  template  hierarchy  developed  in  Step  4  is  useful  for  handling  large‐scale,  systematic  variations  between  different  types  of  products  (ships).  However,  the  different  options  on  a  system  level  that  a  customer  typically  may  choose  from,  is  not  efficiently  handled  by  the template structure.  Examples  of  this  are  different  systems  solutions  (e.g.  stabilizing  fins  vs.  liquid  stabilizers,  hydraulic  vs.  electrical  40 / 56 

  mooring  winches),  different  systems  configurations  (e.g.  2‐engine  vs.  4‐engine  main  propulsion  arrangement) or different makes (e.g. Sulzer vs. MAN BW).     Thus,  to  handle  system  level  options  that  are  predominantly  ship  type  independent,  a  collection  of  system variants can be made available through a library, as complete systems descriptions connected to  a specific node in the breakdown structure. Variants are typically selected as part of the configuration  process  immediately  after  a  new  specification  project  is  instantiated  from  a  template,  but  are  also  available as a resource in the further refinement process.   Propulsion System

System

Direct Drive

Diesel Electric

AziPod

Variant

CPP

Generator

Engine

Structure

Engine

B&W

MAN

Rolls-Royce

6-cylinder

8-cylinder

12-cylinder

 

Figure 25: Modular approach to handling complex variants  A  parametric  system  description  would  be  preferable.  However,  the  main  challenge  would  be  to  maintain  the  parameter  model  and  the  textual  model  of  the  system  in  parallel,  and  to  embed  the  parameter values into the text without putting constraints on how the systems are described.  Another development area is complex variants, i.e. variants that impact more than one system group. To  handle this, a combination of parametric variants and rules must be used. Again, the core challenge is to  handle this in a text‐producing context, without increasing the perceived complexity of the system from  a user perspective. In effect, this will imply a move towards a gradually more modular approach such as  that illustrated in Figure 24.  While the system breakdown structure and the template hierarchy should be developed to a high degree  of  completeness  in  the  platform  definition  phase,  the  variant  library  will  typically  be  a  target  for  continuous  change  also  during  the  exploitation  phase.  Technology  development,  changes  in  rules  and  regulations as well as new system solutions will typically incite changes in the library. These changes may  originate either from sources internally in the company, or it may come from external sources such as  suppliers or consultants. 

41 / 56 

  Summary  The  walkthrough  of  a  specification  platform  development  process  may  seem  slightly  on  the  side  with  respect to the core topic of this report, being modularization. Nevertheless, it has been included since it  involves  many  of  the  same  steps  and  fundamental  considerations  as  we  find  in  a  modular  product  platform/architecture  development  process,  as  well  as  it  points  to  some  of  the  special  considerations  that are related to the shipbuilding domain. Thus, it might serve as a useful starting point.  Generally, the use of platform thinking in the tender development phase of the ship lifecycle requires a  shift in focus, away from an individual project focus, and towards a platform resource base from which  individual  tendering  projects  can  be  derived.  It  involves  a  step‐by‐step  process  that  will  bring  a  specification‐producing  company  from  a  situation  where  accumulated  knowledge  and  experience  is  primarily  stored  implicitly  as  archived  projects  and  tacit  human  capital,  into  a  situation  where  this  knowledge and experience is made explicitly and operationally available as part of a platform.   For this approach to be viable, a presumption is that the upfront investment in developing the platform  will  be  offset  by  an  increased  total  efficiency  in  the  development  of  the  individual  tendering  projects  downstream. This presumption can by no means be taken for granted, and it is our experience that many  companies  fail  in  this  effort.  Often  there  is  a  lack  of  leadership,  discipline,  patience,  organizational  motivation and/or competence to overcome the initial hurdles and gain the required momentum to be  productive  in  a  platform  setting.  Sometimes  the  reason  is  as  simple  as  a  lack  of  time  and  dedicated  resources to do the initial investment in the platform – the project to be delivered nest week is always  more important than investing in long term benefits. The result is a downward pointing spiral, where the  latest project (with all its mistakes) is a better starting point than one derived from the platform, with  the consequence that the platform suffers a slow starvation and eventually dies.  However, for those companies that are able to pass this level of “critical mass”, the main benefits have  been  a  more  structured  process  leading  to  higher  quality  specifications,  and  a  shorter  response  time  from the initial request for tender to a final tender specification.  

Modularization in Ship Equipment Design and Production  In  the  maritime  industries,  the  product  platform  concept  has  been  employed  first  and  foremost  with  equipment  manufactures.  One  example  is  Wärtsilä  which  has  developed  sales  configuration  principles  and software. Their vision is that a significant part of the engineering and production planning, as well as  price quotes, should be a direct result of the enactment of different configuration rules (Sortland 2001).  Another  example  from  the  maritime  industry  is  Rolls‐Royce  Deck  Machinery.  They  have  performed  extensive  work  in  using  modularization  and  product  platform  principles.  This  has  caused  a  complete  redesign  of  some  product  lines,  significantly  reducing  the  number  of  configuration  elements.  This  is  illustrated  in  Figure  25.  The  result  is  both  in  a  significant  increase  in  the  range  of  possible  product  configurations offered to customers, a substantial shortening of development time for new products and  both reduced costs and throughput time in the sales projects (Andreassen 2005). 

42 / 56 

 

Figure 26:  The number of configuration elements before and after PDM project at Rolls‐Royce Deck  Machinery. Source: (Andreassen 2005)    Similar to the tender specification platform described earlier, primarily covering the needs of yards and  ship consultants, modularization may be used for efficiently generating custom‐specific product manuals  for ship equipment suppliers. One example of this is illustrated in Figure 26.   

43 / 56 

 

  Figure 27: A modularized ship equipment catalogue for deriving customized manual from a common  platform of manual elements (DNVP, 2003)   

Modularization in Ship Design Processes  In ship design and engineering, the application of product platform technologies has been more limited,  particularly in segments other than standardized tonnage. Some of the important factors explaining this  situation  may  be  the  complexity  resulting  from  highly  customized  requirements  and  extensive  inter‐ relationships  between  different  systems.  Further,  shipbuilding  has  a  culture  for  handicraft  and  less  tradition  for  long‐term  thinking,  with  an  inherent  focus  on  the  individual  projects  rather  than  process  improvements.  And,  compared  to  many  other  industries  facing  a  similar  complexity  level  (say,  automotive and aviation), the typical length of a series in particularly European shipbuilding is short. This  implies fewer projects to share the costs of developing a configurable product platform.  One of  the  forerunners  in  Norway  in this  technology  area  has  been  Ulstein Design.  Ulstein  Design  has  developed a product platform for offshore supply and service vessels, and uses this platform to configure  individual vessels based on customer requirements. Their vision is that the design reflected in the very 

44 / 56 

  early specification phase shall be as consistent as possible with the downstream detail engineering, and  in the end production, with as little (re)work as possible. 

  Figure 28: Selected products in the Ulstein Design portfolio. Source: Ulstein Design    Andrews (Andrews 2003; Andrews and Pawling 2007; 2009) have during the last twenty years published  numerous papers on early ship design methodology, advocating the importance of establishing a model  that can  be  configured in different ways to support the exploration  of  alternative solutions,  as  well as  providing a basis for understanding the impact of the initial requirements.   

45 / 56 

 

  Figure 29: Configuration of a vessel from building blocks from a library, for rapid evaluation and  requirements elucidation in early design stages, from (Andrews and Pawling 2009)   

  Figure 30: Large, general purpose warship broken down into construction megablocks (Andrews and  Pawling 2009)    A modular approach for arrangement optimization has been developed by both (Oers et al. 2007). Here,  a set of modules to be contained in the ship is defined, and an optimization routine finds the solutions 

46 / 56 

  that  best  balance  a  set  of  criteria.  This  requires  the  definition  of  a  set  of  distinct  modules,  and  their  corresponding interfaces both with the ship platform and towards other modules. 

   

  Figure 31: Module‐based approach used in the arrangement optimization in the early design of a  warship, in (Oers et al. 2007)     

Modularization in Ship Production   

47 / 56 

 

The Damen Schelde Sigma Modular Ship  The Sigma class is a corvette that is designed and built by Damen Schelde Naval Shipbuilding. “Sigma” is  an abbreviation for “Ship Integrated Geometrical Modularity Approach”. In this design, the hull segments  are  modularized,  and  can  be  assembled  in  different  numbers  and  sequences,  thus  using  a  sectional  modular  approach.  Off‐the‐shelves  equipment  is  used  to  the  extent  possible.  The  modular  approach  allows the client to configure a vessel out of these standard blocks, and different versions with 12, 13  and 14 sections have been sold to three different navies.      

  Figure 32: The SIGMA modular naval vessel from Damen Schelde   

Modularization in Operation  The incentives for modularization from an operational point‐of‐view may be:  •

Later modifications, for instance because of new regulations, technical development, or changed  operating profile/mission 



Easy component/system replacement because of failures or breakdown 



A  maintenance  policy  based  on  component/module  rotation  and  “offline”/”off‐site”  maintenance. This module rotation maintenance can be found in the aviation industry, 



A  “service‐oriented”  operating  regime  involving  remote  monitoring  and  operation,  typically  by  the system supplier 

48 / 56 

 

The Littoral Combat Ship  The goal with the Littoral Combat Ship program in the US Navy was to develop a near‐shore combat ship  that could be developed at a low cost, and with a flexibility that made it possible to rapidly shift from  one type of warfare to another. It consists of a base module – sea frame – that is the warship platform.  In addition, a range of different modules may be plugged in, providing capabilities such as Anti‐surface  warfare,  Mine  Counter  Measures,  Anti‐Submarine  Warfare,  Intelligence,  Surveillance  and  Reconnaiss‐ ance,  Special  Operation  Forces  support  and  Logistic  support.  These  mission  modules  integrate  to  the  extent possible, into the sea frame’s command and control architecture.    

  Figure 33: The Littoral Combat Ship providing operational flexibility through replaceable mission modules  in a bus modular architecture     

49 / 56 

 

Future Prospects for Modularization in Shipbuilding – From a Norwegian  Perspective  Previously  in  this  report,  we  have  seen  that  the  process  from  a  tender  invitation  is  received  to  the  complete tendering documentation is completed typically involve a large number of parties both within  and  outside  the  company.  In  this  process,  we  have  made  an  argument  for  a  modular  approach,  with  potential  gains  in  areas  such  as  lead  time,  efficiency,  quality  and  product  variety.  PDM/PLM  systems  offer  a  technology  platform  to  support  the  necessary  communication  and  integration,  both  from  a  product,  a  process  and  a  systems  perspective.  However,  there  is  currently  little  knowledge  and  experience  in  linking  the  theoretical  models  to  practical  industrial  solutions  within  this  field.  The  acquisition of a PDM system will by itself offer little or nothing to amend this situation.   Thus,  there  is  a  need  to  better  understand how  the  complete  tendering  documentation,  including  the  building  specification,  arrangement  drawings,  ship  performance  analyses  and  3D  visualization,  can  be  consistently derived from a disparate set of models, and how the different activities, systems and parties  can  be  integrated  into  a  common  process  that  can  be  subsequently  handled  in  a  workflow  support  system.  Based  on  this,  further  research  should  focus  on  how  modularization  and  product  platform  technologies can enable a transition from designing new solutions from scratch with a large engineering  content in each project, into a situation where customized solutions are increasingly configured from a  product  platform  consisting  of  standard  components  and  parametric  modules.  Based  on  published  results  from  other  industries,  there  seem  to  be  a  potential  for  significantly  reducing  the  time  and  resource  effort  required to  develop  a  new  design,  while  maintaining  the  ability  to  provide  customized  solutions.   Examples of specific issues that will require further research and technology development are:  •

Improved  product  modeling  of  ships,  in  particular  from  a  systems  perspective,  to  identify  and  define  modules  suitable  for  parameterization,  and  with  minimal,  well‐defined  interfaces  to  be  used as building blocks in the product platform 



The  identification  of  the  significant  set  of  parameters  for  each  type  of  component  or  module,  and the relation between those parameters and the performance of both the containing system  and the complete design 



The structuring and classification of components and modules into libraries, for efficient access  in  the  configuration  of  individual  design  solutions.  The  definition  of  standard  component  and  module types, variants and instances, and how these can be grouped together to form standard  templates for different ship types 



The  development  of  process  models  and  Best  Engineering  Practices  for  configuration‐based  design process support from request to tender delivery 

50 / 56 

  In the ship production phase, a modular approach offers a number of opportunities for improvements.  First,  it  is  an  enabling  technology  for  more  flexible,  and  increasingly,  global  production  chains.  A  clear  modular  structure,  with  well  defined  interfaces  between  the  modular  “chunks”,  opens  up  for  the  outsourcing of a larger share of the total production. Alternatively, by enabling the reuse of standardized  components  across  multiple  design  variants,  it  may  provide  a  basis  for  a  higher  degree  of  automated  production  of  longer  component  series.  This  may  result  in  an  insourcing  of  production,  enabled  by  automated production that possibly is competitive in high‐cost countries like Norway.  In the operations phase, a modular product structure may be a strategic platform for offering ships with  a  higher  degree  of  operational  flexibility  in  the  future.  This  might  be  an  instrument  towards  meeting  some  of  the  most  imperative  challenges  we  face  today,  in  terms  of  higher  demands  for  reduced  emissions and energy efficient transport, volatile markets and an increased pace of technology changes  and  the  emergence  of  new  market  opportunities.  A  key  research  challenge  related  to  this  is  a  better  understanding of real options related to design: To what extent should the ship owner invest in future  operational  flexibility  already  at  the  newbuilding  stage.  Examples  of  such  investments  ranges  from  providing  sufficient  structural  and  powering  support  for  upgrading  cranes,  to  investing  in  hybrid  powering systems and additional power reserves beyond what is required for the vessel’s first contract.  A proper modular architecture may provide a more competitive cost‐benefit ratio for this.  Also related to the operations phase, a  higher degree of flexibility for handling  multiple  cargo  types  and  integration  into  increasingly  complex  logistic  transportation  chains,  a  modular  approach  offers  potential  oppor‐ tunities in the future, as illustrated by  the  figure  on  the  right  from  the  CREATE3S project. This will require the  current  competence  of  Norwegian  ship designers in developing innovative ship solutions, but also require research and development into a  better understanding of how the requirements for future transport provide the ramifications for the next  generation specifications in the first place.   A final question to be asked is, to what extent is a modular approach applicable to the typical Norwegian  shipbuilding domain, where the focus is primarily on highly complex, highly customized vessels? A final  answer  to  this  has  not been  given  in  this  report.  It is  likely  that the  high  complexity  may  increase the  level  of  difficulty  in  developing  a  modular  platform  in  the  first  place.  However,  it  is  likely  that  the  potential benefit is also higher for complex vessels. A recommended strategy for handling complexity in  general is “divide and conquer”, thus hiding the inner complexity of the parts so that a comprehensible  system with well‐defined interfaces emerge. This was put forward by Herbert Simon already in 1962 by  his seminal paper “The Architecture of Complexity”, and the current application of modular strategies in  multiple high‐complexity domains, such as aviation and automotive, should serve as an argument for its  relevance in the maritime field as well. 

51 / 56 

 

Reference List  (2009).  "IMDC  2009:  the  Thent  International  Marine  Design  Conference  :  May  26‐29,  2009."  IMDC,  IMDC09 ; Tapir, Trondheim, 2 b.  Andreassen,  T.  (2005).  "Module‐Based  and  Parametric  Configuration  and  Engineering."  In:  Web‐IT  Maritime, Ålesund, Norway.  Andrews,  D.  J.  (2003).  "A  Creative  Approach  to  Ship  Architecture."  International  Journal  of  Maritime  Engineering.  Andrews, D. J., and Pawling, R. (2007). "Research into the Use of Computer Aided Graphics in Preliminary  Ship Design." In: ICCAS 2007, Portsmouth.  Andrews, D. J., and Pawling, R. (2009). "The Impact of Simulation on Preliminary Ship Design." In: IMDC  2009  ‐  The  10th  International  Marine  Design  Conference,  S.  O.  Erikstad,  ed.,  Tapir,  Trondheim,  Norway.  Blecker, T., Abdelkafi, N., Kreuter, G., and Friedrich, G. (2004). "Product Configuration Systems: State‐of‐ the‐Art,  Conceptualization  and  Extensions."  In:  Eighth  Maghrebian  Conference  on  Software  Engineering and Artificial Intelligence, May 2004, Tunisia, 25‐36.  Brathaug, T., Holan, J. O., and Erikstad, S. O. (2008). "Representing Design Knowledge in Configuration‐ Based  Ship  Design."  In:  COMPIT  2008  ‐  7th  International  Conference  on  Computer  and  IT  Applications in Maritime Industries, Liege, Belgium.  Buhaug,  Ø.  H.,  Arnulf,  and  Langset,  J.  (1999).  Kravhåndtering:  Økt  fleksibilitet  ved  tilpasset  produktoppbygging, MARINTEK.  Christiansen, K., Kjeldgaard, J., and Tvenge, K. (2003). "Shaping Product Portfolios for the Future." V. M.  Consultants, ed.  Daniels, A. S., and Parsons, M. G. (2007). "Development of a Hybrid Agent‐Genetic Algorithm Approach  to General Arrangements." In: COMPIT 2007, Italy.  Ericsson,  A.,  and  Erixon,  G.  (1999).  Controlling  design  variants:  modular  product  platforms,  Society  of  Manufacturing Engineers, Dearborn, Mich.  Erikstad, S. O., and Hagen, A. (2003). "Web-based tendering collaboration in project-centric industries." In:  COMPIT  ‐  2nd  International  Conference  on  Computer  and  IT  Applications  in  the  Maritime  Industries, Hamburg, Germany.  Erikstad,  S.  O.,  and  Hagen,  A.  (2006a).  "Applying  Product  Platform  Technologies  in  Ship  Specification  Development." In: International Marine Design Conference (IMDC), Ann Arbor, MI.  Erikstad, S. O., and Hagen, A. (2006b). "Applying product platform technologies in ship specification  development." In: 9th International Marine Design Conference (IMDC 2006), Ann Arbor, MI, USA.  52 / 56 

  Fixson,  S.,  Ro,  Y.,  and  Liker,  J.  (2005).  "Modularisation  and  Outsourcing:  Who  drives  whom?"  International Journal of Automotive Technology and Management, 5(2), 166‐184.  Hagen, A. (1998). "Utstyr, modularisering og arrangement Sluttrapport fra forprosjekt." MARINTEK, Trondheim.  Hagen, A., and Erikstad, S. O. (2002). "Collaborative Ship Specification Development ‐ From MS Word to  Argus."  In:  International  Conference  on  Computer  Applications  in  Shipbuilding  (ICCAS),  Malmö,  Sweden.  Jolliff, J. V. (1974). "Modular Ship Design Concepts." Naval Engineers Journal, 86(5), 11‐32.  Liker, J., and Lamb, T. (2000). "Lean Manufacturing Principles Guide." MARITECH.  Marintek.  (1998).  "Innkjøp  i  salgsfasen,  sluttrapport  ("Procurement  in  the  Sales  Phase,  final  report")."  MARINTEK.  Oers,  B.  v.,  Stapersma,  D.,  and  Hopman,  H.  (2007).  "Development  and  Implementation  of  an  Optimisation‐Based Space  Allocation Routine for the Generation of Feasible Concept Designs." In: COMPIT 2007, Italy, 171‐185.  Pahl, G. B., W. (1984). Engineering Design, Springer‐Verlag, Berlin.  Schilling,  M.  A.  (2000).  "Towards  a  general  modular  systems  theory  and  its  application  to  interfirm  product modularity." Academy of Management Review, 25(2), 312‐334.  Simon, H. A. (1973). "The Structure of Ill‐structured Problems." Artifical Intelligence, 4, 181‐200.  Simon, H. A. (1981). The Sciences of the Artificial, 2nd Ed., The MIT Press, Cambridge, Massachusetts.  Simpson,  T.  W.  (2003).  "Product  Platform  Design  and  Customization:  Status  and  Promise."  In:  ASME  Design  Engineering  Technical  Conferences  ‐  Design  Automation  Conference,  K.  Shimada,  ed.,  Chicago, IL.  Sortland,  S.  (2001).  "IT  and  Net‐Based  Solutions  in  Product  Configuration  and  Sales."  In:  Web‐IT  Maritime, Ålesund, Norway.  Ulrich,  K.,  and  Tung,  K.  (Year).  "Fundamentals  of  Product  Modularity."  ASME  Winter  Annual  Meeting  Symposium on Design and Manufacturing Integration, Atlanta, GA, 73‐79.  Ulrich, K. T. (2008). Product design and development, 4th ed. Ed., McGraw‐Hill/Irwin, Boston :.  Wuuren,  W.,  and  Halman,  J.  I.  M.  (2001).  "Platform‐driven  Development  of  Product  Families:  Linking  Theory  with  Practice."  In:  The  Future  of  Innovation  Studies  Conference,  Eindhoven,  The  Netherlands.     

53 / 56 

 

Appendix       

Construction method 

Production technology 

Stick building 

Piece part construction  Multiple building positions  on building ways       Limited production  equipment 

Operations effect  Long construction cycle time  Sequential production  operations   Highly labor intensive 

  Block building  Block assembly and  erection on building  ways or in a building  dock 

Reduced building positions   

Reduced construction cycle  time  

Increased equipment 

Parallel assembly of blocks  

 

Excessive block assembly time 

Some automated panel  assembly 

Narrow product range 

  Product  oriented 

Hierarchical interim  product assembly  throughout defined  stages of construction 

Single building position    High levels of automation    Maximized use of robotics   

Long learning curve on 1st of  class  Minimum construction cycle  time  Totally integrated ship  assembly  Maximized labor / facility  utilization  Broad product range   No learning curve on 1st of  class 

 

54 / 56 

 

 

   

   

55 / 56 

 

 

56 / 56