涂本榮梅喬松陳鋒丁莉陳晉礫

（1.中車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司，江蘇南京，210031；2.安世亞太科技股份有限公司，北京，100025）

基于軌道交通裝備產(chǎn)品探討企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)平臺(tái)建設(shè)

涂本榮1梅喬松1陳鋒1丁莉1陳晉礫2

（1.中車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司，江蘇南京，210031；2.安世亞太科技股份有限公司，北京，100025）

隨著軌道交通裝備行業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，在合同交付期限的約束下，產(chǎn)品設(shè)計(jì)不宜完全采用全新設(shè)計(jì)，而應(yīng)建設(shè)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，通過(guò)大量重用成熟標(biāo)準(zhǔn)模塊，快速設(shè)計(jì)出符合客戶個(gè)性化需求的產(chǎn)品。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)平臺(tái)的建設(shè)可以穩(wěn)定企業(yè)核心技術(shù)，提高產(chǎn)品的研發(fā)和制造能力，縮短產(chǎn)品交付周期，為市場(chǎng)的拓展和深化奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本文闡述了企業(yè)如何根據(jù)自身的產(chǎn)品平臺(tái)來(lái)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)平臺(tái)方案，主要內(nèi)容包括：產(chǎn)品平臺(tái)結(jié)構(gòu)梳理、標(biāo)準(zhǔn)模塊劃分、屬性配置、模塊設(shè)計(jì)、軟件開(kāi)發(fā)和模塊運(yùn)用等方面。

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)平臺(tái) 產(chǎn)品平臺(tái)結(jié)構(gòu) 標(biāo)準(zhǔn)模塊 運(yùn)用軟件

0 前言

軌道交通裝備是國(guó)家走出去戰(zhàn)略的重點(diǎn)產(chǎn)品[1]，我國(guó)已形成了技術(shù)先進(jìn)、運(yùn)營(yíng)成熟、安全可靠的高速列車(chē)、動(dòng)車(chē)組、城軌車(chē)輛和鐵路客車(chē)等軌道交通裝備產(chǎn)品平臺(tái)。在越來(lái)越激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)尤其是國(guó)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下，客戶要求的多樣化，交付期限的約束化，以及車(chē)輛運(yùn)營(yíng)的安全化，都要求企業(yè)快速設(shè)計(jì)、制造和交付，并滿足客戶要求的可靠性。

軌道交通裝備具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多系統(tǒng)和多功能模塊集成等特點(diǎn)，產(chǎn)品采用全新設(shè)計(jì)，往往研發(fā)、制造和試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，成本較高，交付時(shí)間難以保證，且全新產(chǎn)品運(yùn)營(yíng)缺乏經(jīng)驗(yàn)。這些不確定因素都將影響到項(xiàng)目的執(zhí)行和后期市場(chǎng)的拓展。目前軌道交通裝備產(chǎn)品雖然因客戶和項(xiàng)目不同而有差異，但同型譜、同系列不同產(chǎn)品之間又呈現(xiàn)核心部件基本相同的特征，不同的地方僅體現(xiàn)在客戶個(gè)性化需求部分，而這些個(gè)性化需求往往又不是產(chǎn)品核心技術(shù)部分。這個(gè)特征為企業(yè)根據(jù)產(chǎn)品平臺(tái)劃分具有廣泛適用性的成熟核心部件（即標(biāo)準(zhǔn)模塊），建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)平臺(tái)提供了技術(shù)依據(jù)。

1 企業(yè)產(chǎn)品平臺(tái)結(jié)構(gòu)梳理

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)平臺(tái)建設(shè)的核心是模塊的劃分和模塊的重組，模塊劃分是從現(xiàn)有企業(yè)產(chǎn)品平臺(tái)中劃分出廣泛適用于未來(lái)項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)模塊，模塊的重組是將劃分出的標(biāo)準(zhǔn)模塊大量運(yùn)用于后續(xù)項(xiàng)目。企業(yè)產(chǎn)品平臺(tái)結(jié)構(gòu)是標(biāo)準(zhǔn)模塊劃分的前提，由產(chǎn)品平臺(tái)、產(chǎn)品型譜和產(chǎn)品系列三層次組成，關(guān)系為產(chǎn)品平臺(tái)包含多個(gè)產(chǎn)品型譜，產(chǎn)品型譜包含多個(gè)產(chǎn)品系列，產(chǎn)品系列包含多個(gè)同類(lèi)產(chǎn)品，是同類(lèi)產(chǎn)品的集合。在很多文獻(xiàn)中，產(chǎn)品系列也稱為產(chǎn)品族[2-3]。產(chǎn)品平臺(tái)結(jié)構(gòu)的梳理采用產(chǎn)品大類(lèi)、速度等級(jí)、產(chǎn)品小類(lèi)和功能結(jié)構(gòu)逐級(jí)分類(lèi)方法[3-4]。圖1所示，為產(chǎn)品平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖樣例。

圖1 企業(yè)產(chǎn)品平臺(tái)結(jié)構(gòu)

2 標(biāo)準(zhǔn)模塊劃分

標(biāo)準(zhǔn)模塊是組成車(chē)輛的基本單元，列車(chē)的結(jié)構(gòu)關(guān)系為：列車(chē)由多個(gè)車(chē)輛單元編組而成，車(chē)輛由多個(gè)系統(tǒng)單元組成，系統(tǒng)由多個(gè)部件模塊單元組成，模塊又由多級(jí)子模塊和零件組成。標(biāo)準(zhǔn)模塊是在同一產(chǎn)品系列中多個(gè)產(chǎn)品均可適用的部件模塊，有些標(biāo)準(zhǔn)模塊甚至可以跨產(chǎn)品系列使用?；诩扔械钠髽I(yè)產(chǎn)品平臺(tái)結(jié)構(gòu)，對(duì)產(chǎn)品系列進(jìn)行功能和結(jié)構(gòu)分析，劃分出具有功能獨(dú)立、接口固化的標(biāo)準(zhǔn)模塊。標(biāo)準(zhǔn)模塊的劃分采用基于產(chǎn)品功能和裝配關(guān)系相結(jié)合的方法[2][5]，模塊不宜劃分過(guò)大，否則后續(xù)項(xiàng)目的細(xì)微改變將造成模塊的無(wú)法使用，也不應(yīng)過(guò)小，過(guò)小不能體現(xiàn)模塊化，也會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)引用和生產(chǎn)制造的不便。圖1所示的產(chǎn)品平臺(tái)結(jié)構(gòu)中可基于產(chǎn)品系列A劃分出適用于80km/h的A型地鐵的標(biāo)準(zhǔn)模塊庫(kù)，可基于產(chǎn)品系列B劃分出適用于80km/h的B型地鐵的標(biāo)準(zhǔn)模塊庫(kù)。A型地鐵中，根據(jù)系列的不同，如牽引電機(jī)模塊，又可以劃分出適用于A型地鐵產(chǎn)品系列的多種牽引電機(jī)模塊。表1中列出了基于80km/h地鐵車(chē)輛產(chǎn)品系列A梳理出的部分標(biāo)準(zhǔn)模塊。

標(biāo)準(zhǔn)模塊可以是以下幾種類(lèi)型。

（1）具有廣泛通用性的原型部件模塊單元。這類(lèi)模塊模型和接口固定，不需要在模塊上做任何更改可直接使用。

（2）需要衍生設(shè)計(jì)的模塊。這類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)模塊不是最終裝車(chē)使用的部件模塊，需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模塊做簡(jiǎn)單的“加”和“減”設(shè)計(jì)，再裝車(chē)使用。“加”指在標(biāo)準(zhǔn)模塊上安裝或焊接的形狀或位置不同的零件，以滿足不同項(xiàng)目設(shè)計(jì)需要?！皽p”是指不同項(xiàng)目所需的開(kāi)孔位置或者開(kāi)孔大小不同，使用時(shí)需要根據(jù)項(xiàng)目需要進(jìn)行開(kāi)孔等。

（3）具有標(biāo)準(zhǔn)接口的模塊。這類(lèi)模塊的顯著特征是接口固化，但形狀可以改變，如不同車(chē)型空調(diào)模塊結(jié)構(gòu)不同，但是空調(diào)的接口完全相同，使用這類(lèi)模塊需要對(duì)接口以外的部分做繼承性設(shè)計(jì)。

表1 80km/h地鐵車(chē)輛部分標(biāo)準(zhǔn)模塊

3 標(biāo)準(zhǔn)模塊屬性配置

標(biāo)準(zhǔn)模塊應(yīng)配置屬性[2]，配置屬性的目的一方面是為研發(fā)人員更好地掌握標(biāo)準(zhǔn)模塊的技術(shù)信息，另一方面也是為后續(xù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)運(yùn)用軟件中通過(guò)屬性查找標(biāo)準(zhǔn)模塊提供依據(jù)。不同類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)模塊的屬性不同，同一類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)模塊的屬性相同，但屬性值不同。例如，牽引電機(jī)模塊和牽引逆變器模塊的屬性不同，但是不同的牽引電機(jī)的屬性相同，屬性值不同。模塊的屬性由模塊的強(qiáng)制屬性、系統(tǒng)屬性和補(bǔ)充屬性組成，其中強(qiáng)制屬性主要反映平臺(tái)結(jié)構(gòu)中的所屬平臺(tái)、型譜和系列等屬性，主要包括：模塊編號(hào)、名稱、平臺(tái)類(lèi)型、適用速度等級(jí)、（既往）運(yùn)用項(xiàng)目和所屬系統(tǒng)等；系統(tǒng)屬性是反映模塊本身的功能屬性，如模塊分類(lèi)、關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)和關(guān)鍵功能特性等；補(bǔ)充屬性主要反映一些非功能信息等。表2中列出了牽引電機(jī)模塊的部分屬性。

表2 牽引電機(jī)模塊部分屬性

4 標(biāo)準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì)方法

標(biāo)準(zhǔn)模塊劃分和屬性配置后，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模塊進(jìn)行三維模型和二維工程圖設(shè)計(jì)，并賦予屬性值。軌道交通裝備由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，標(biāo)準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì)應(yīng)從車(chē)輛的整體結(jié)構(gòu)考慮，應(yīng)優(yōu)選采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，即先建立車(chē)輛的總骨架，再基于總骨架采用關(guān)聯(lián)關(guān)系建立系統(tǒng)單元的子骨架，以子骨架為基準(zhǔn)創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)模塊的三維模型，基于骨架的設(shè)計(jì)相當(dāng)于給標(biāo)準(zhǔn)模塊在車(chē)輛中的位置進(jìn)行預(yù)裝配定位。

5 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)平臺(tái)應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件是標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)平臺(tái)中標(biāo)準(zhǔn)模塊重用的載體[2]。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)平臺(tái)是企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模塊庫(kù)和信息化應(yīng)用軟件的結(jié)合。應(yīng)用軟件承擔(dān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模塊存貯、發(fā)布、共享、查詢、使用和統(tǒng)計(jì)功能，通過(guò)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)人員可以瀏覽標(biāo)準(zhǔn)模塊的三維模型、二維工程圖、結(jié)構(gòu)關(guān)系和屬性（圖2）。系統(tǒng)的顯著優(yōu)點(diǎn)是將標(biāo)準(zhǔn)部件的屬性進(jìn)行配置，通過(guò)屬性值的選擇或輸入，可以迅速?gòu)凝嫶蟮臉?biāo)準(zhǔn)模塊數(shù)據(jù)庫(kù)中篩選到所需的標(biāo)準(zhǔn)模塊。對(duì)于同一類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)模塊，系統(tǒng)可對(duì)模塊的屬性進(jìn)行對(duì)比分析，并篩選出差異項(xiàng)，以便更加準(zhǔn)確地挖掘出滿足新項(xiàng)目設(shè)計(jì)需求的標(biāo)準(zhǔn)模塊（圖3）。通過(guò)該軟件，還可以統(tǒng)計(jì)新設(shè)計(jì)項(xiàng)目所用的標(biāo)準(zhǔn)模塊程度，迅速統(tǒng)計(jì)出項(xiàng)目的模塊化率。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)模塊運(yùn)用系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)模塊數(shù)據(jù)

圖3 同類(lèi)型標(biāo)準(zhǔn)模塊屬性對(duì)比（僅顯示差異屬性）

6 標(biāo)準(zhǔn)模塊的運(yùn)用

標(biāo)準(zhǔn)模塊的運(yùn)用是企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)平臺(tái)建設(shè)的根本目的。在產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)模塊重新組合快速設(shè)計(jì)出滿足客戶要求的新產(chǎn)品。由于標(biāo)準(zhǔn)模塊是經(jīng)過(guò)前期項(xiàng)目試驗(yàn)和運(yùn)用的成熟模塊，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)模塊在新產(chǎn)品中的大量重用，可大大提高產(chǎn)品的可靠性。

標(biāo)準(zhǔn)模塊的運(yùn)用在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)平臺(tái)應(yīng)用軟件中實(shí)現(xiàn)，通過(guò)軟件的標(biāo)準(zhǔn)模塊挖掘功能，選擇和填寫(xiě)標(biāo)準(zhǔn)模塊的相關(guān)屬性值，從而挖掘出滿足新產(chǎn)品要求的標(biāo)準(zhǔn)模塊。標(biāo)準(zhǔn)模塊要裝配到新產(chǎn)品中，需要通過(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)工具（如CATIA設(shè)計(jì)軟件）與標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)平臺(tái)應(yīng)用軟件的集成功能實(shí)現(xiàn)，可快速將標(biāo)準(zhǔn)模塊三維模型載入新產(chǎn)品模型中。對(duì)于需要新設(shè)計(jì)的模塊，要主動(dòng)與標(biāo)準(zhǔn)模塊的接口對(duì)接，新設(shè)計(jì)模塊僅需要對(duì)本身的結(jié)構(gòu)做新的設(shè)計(jì)，而接口無(wú)需重新設(shè)計(jì)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)模塊的運(yùn)用，可以固化企業(yè)產(chǎn)品的接口類(lèi)型。圖4所示，是采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)平臺(tái)中標(biāo)準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì)的兩個(gè)不同產(chǎn)品的車(chē)體系統(tǒng)，可以看出兩個(gè)不同項(xiàng)目車(chē)體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本相同，差別僅僅體現(xiàn)在非核心部件上，大大提高了產(chǎn)品的模塊化率。

7 結(jié)束語(yǔ)

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)平臺(tái)的建設(shè)，是標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化理念與產(chǎn)品設(shè)計(jì)相結(jié)合的成果。通過(guò)劃分出成熟模塊并在后續(xù)項(xiàng)目中組合重用，能大大提高設(shè)計(jì)效率，提升產(chǎn)品的可靠性，降低企業(yè)成本，并保證產(chǎn)品的交付周期。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)平臺(tái)投入使用后，企業(yè)新產(chǎn)品已經(jīng)大量使用標(biāo)準(zhǔn)模塊，新產(chǎn)品的模塊化率大大提高。標(biāo)準(zhǔn)模塊的重用也相應(yīng)帶來(lái)制造現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、工裝、工具和量具的重用，大大提高了企業(yè)的制造能力，經(jīng)濟(jì)效益日益顯現(xiàn)。建設(shè)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)平臺(tái)對(duì)于穩(wěn)定企業(yè)主體核心技術(shù)，充分運(yùn)用既有先進(jìn)、成熟技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于打造企業(yè)品牌，提升企業(yè)研發(fā)的軟實(shí)力具有重大意義，并為我國(guó)軌道交通裝備走出去和“一帶一路”的成功實(shí)踐提供有力的支撐。

[1] 國(guó)務(wù)院關(guān)于推進(jìn)國(guó)際產(chǎn)能和裝備制造合作的指導(dǎo)意見(jiàn)（國(guó)發(fā)〔2015〕30號(hào)）.中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院公報(bào)，2015(15).

[2] 郭津津，徐燕申，朱世和等.產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)中模塊劃分及建模方法[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2003(9).

[3] 都青華，邢海英，李瑞淳等.高速動(dòng)車(chē)組譜系列化技術(shù)研究平臺(tái)初探[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014(6).

[4] 傅成駿，陳喜紅，孫永鵬等.株洲電力機(jī)車(chē)有限公司城市軌道交通車(chē)輛轉(zhuǎn)向架系列化、型譜化、模塊化研發(fā)狀況[J].城市軌道交通研究》，2009，12(11).

[5] 王日君，張進(jìn)生，葛培琪等.模塊化設(shè)計(jì)中模塊劃分方法的研究[J]，組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2008(7).

[6] 孫幫成. 25型客車(chē)的模塊化設(shè)計(jì)[J].鐵道車(chē)輛，2006，44(4).

[7] 顧新建，楊青海，紀(jì)楊建等.機(jī)電產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)方法和案例[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.11.

With the rail transportation equipment industry increasingly fierce market competition， and under the constraint of contract agreed delivery time， product design should not adopt new design but modular design by which designer reuses mature standard modules to rapid design new products to meet customer personalized demands. Construction of enterprise standardization design platform， as a significant carrier to realize modular design， can stabilize the enterprise core technology， improve product development and manufacturing capabilities， shorten the product delivery time， and lay a solid foundation for the market development and deepening. This paper describes how enterprises according to their own products to build the standardized design platform， the main contents include: product platform structure combing， standard module， module attribute configuration， standard module design， software development and modules use

Standardized design platform， Product platform structure， Standard module， Application software.