軌道交通產(chǎn)品通用快速設(shè)計(jì)平臺(tái)構(gòu)建方法研究

任坤華

(中車工業(yè)研究院有限公司 北京 100160)

產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)作為一種現(xiàn)代快速設(shè)計(jì)方法，在縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)與試制周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本等諸多方面有很大的優(yōu)越性，可以快速、經(jīng)濟(jì)地設(shè)計(jì)出滿足用戶個(gè)性化需求、具有市場競爭力的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，已經(jīng)成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)廣泛使用的技術(shù)。我國軌道交通產(chǎn)品種類繁多,數(shù)量巨大，但缺乏統(tǒng)一的產(chǎn)品平臺(tái)，導(dǎo)致目前現(xiàn)有產(chǎn)品模塊化程度不高，沒有共用的標(biāo)準(zhǔn)模塊，結(jié)構(gòu)形式多樣，研制周期長，快速適應(yīng)市場能力不強(qiáng)，售后服務(wù)隊(duì)伍龐大。

基于以上問題，下文探討了一種軌道交通產(chǎn)品通用快速設(shè)計(jì)產(chǎn)品平臺(tái)構(gòu)建方法。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，通過模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品平臺(tái)規(guī)范地導(dǎo)入設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，實(shí)現(xiàn)軌道交通產(chǎn)品的快速開發(fā)，縮短研制周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低運(yùn)維成本。

如圖1 所示， 以現(xiàn)有相關(guān)用戶需求文件為基礎(chǔ)， 首先通過應(yīng)用需求分析與產(chǎn)品平臺(tái)規(guī)劃得出企業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品平臺(tái)的具體情況及平臺(tái)的頂層規(guī)劃； 其次通過對(duì)產(chǎn)品各組成部件進(jìn)行模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了實(shí)物產(chǎn)品與信息系統(tǒng)的有效關(guān)聯(lián)； 最后在模塊化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上建立相應(yīng)的配置規(guī)則， 實(shí)現(xiàn)需求參數(shù)的可傳遞性， 建立需求參數(shù)與產(chǎn)品模塊的完整映射關(guān)系， 從而實(shí)現(xiàn)由客戶需求到產(chǎn)品配置的快速設(shè)計(jì)過程。

圖1 產(chǎn)品平臺(tái)構(gòu)建總體思路

1 應(yīng)用需求分析與產(chǎn)品平臺(tái)規(guī)劃

1.1 應(yīng)用需求分析

分析軌道交通產(chǎn)品通用快速設(shè)計(jì)產(chǎn)品平臺(tái)在各企業(yè)中的應(yīng)用場景，產(chǎn)品開發(fā)人員使用場景如圖2所示，其流程描述如下:

(1)產(chǎn)品開發(fā)人員首先將用戶需求導(dǎo)入到產(chǎn)品平臺(tái)中。

(2)產(chǎn)品平臺(tái)會(huì)根據(jù)用戶需求項(xiàng)點(diǎn)自動(dòng)匹配相關(guān)模塊并給出相近的典型配置案例。

(3)由產(chǎn)品開發(fā)人員確認(rèn)產(chǎn)品平臺(tái)給出典型配置案例是否滿足相關(guān)要求。若滿足則執(zhí)行(8)，不滿足則執(zhí)行(4)。

(4)產(chǎn)品平臺(tái)給出不滿足項(xiàng)點(diǎn)模塊的推薦選項(xiàng)。設(shè)計(jì)人員根據(jù)推薦選項(xiàng)可選擇執(zhí)行(5)和(6)的操作。

(5)推薦模塊完全不匹配，則由設(shè)計(jì)人員替換差異模塊。

(6)推薦模塊需要進(jìn)行局部修改，則由設(shè)計(jì)人員通過產(chǎn)品平臺(tái)調(diào)用相關(guān)軟件在本地計(jì)算機(jī)修改，修改后可直接上傳至數(shù)據(jù)庫中形成新的實(shí)例。

(7)設(shè)計(jì)人員對(duì)模型進(jìn)行相關(guān)操作完成后會(huì)將新的配置入庫生成新的配置案例。

(8)生成電子配置清單，并通過電子配置清單驅(qū)動(dòng)三維軟件生成三維裝配模型。

圖2 產(chǎn)品開發(fā)人員應(yīng)用場景

1.2 總體規(guī)劃

由上述應(yīng)用需求分析可知，產(chǎn)品平臺(tái)的應(yīng)用需要依托于企業(yè)的實(shí)際使用情況。為解決企業(yè)間設(shè)計(jì)差異性問題，軌道交通產(chǎn)品通用快速設(shè)計(jì)平臺(tái)需要擁有可配置的特性，如圖3所示，應(yīng)用企業(yè)在設(shè)計(jì)過程中逐步將各自企業(yè)已有的產(chǎn)品數(shù)據(jù)導(dǎo)入到軌道交通產(chǎn)品通用快速設(shè)計(jì)產(chǎn)品平臺(tái)中，從而形成企業(yè)自有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)。

圖3 總體規(guī)劃

2 模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在數(shù)組、堆棧、隊(duì)列、鏈表、樹、圖等常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，產(chǎn)品自頂向下的結(jié)構(gòu)劃分方式與樹結(jié)構(gòu)最為類似，而樹結(jié)構(gòu)的葉子節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的即為模塊。模塊是產(chǎn)品或系統(tǒng)的組成部分，由元件和零部件組合而成，其應(yīng)具有以下特點(diǎn)：(1)具有確定的功能；(2)具有能組合成系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)接口；(3)具有相似的設(shè)計(jì)、制造及運(yùn)維過程；(4)是可組合成系統(tǒng)的獨(dú)立單元；(5)是一種標(biāo)準(zhǔn)的可互換單元。綜上所述，對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行基于結(jié)構(gòu)樹的模塊劃分，即可實(shí)現(xiàn)實(shí)物產(chǎn)品與信息系統(tǒng)的有效關(guān)聯(lián)，具體劃分過程詳見如下論述[1]。

2.1 模塊化結(jié)構(gòu)樹構(gòu)建

模塊化結(jié)構(gòu)樹是以已有類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)BOM 為輸入，通過分析零部件之間的功能、結(jié)構(gòu)以及物理等相關(guān)性，采用相關(guān)智能算法如基于遺傳算法的零部件聚類分析等，最終獲得一個(gè)優(yōu)化的模塊化結(jié)構(gòu)樹。模塊化結(jié)構(gòu)樹示例如圖4所示。

圖4 模塊化結(jié)構(gòu)樹示例圖

2.2 關(guān)鍵模塊識(shí)別

關(guān)鍵模塊是組成一個(gè)產(chǎn)品不可缺少的核心模塊，體現(xiàn)了產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)，決定著產(chǎn)品的本質(zhì)功能和性能。以模塊化結(jié)構(gòu)樹為輸入，逐層逐級(jí)地選擇待分析模塊并綜合考慮其與功能(如：牽引、導(dǎo)向)、性能(如：安全性、穩(wěn)定性)、成本(如：設(shè)計(jì)成本、運(yùn)維成本)以及時(shí)間(如：制造時(shí)間、運(yùn)維時(shí)間)等的相關(guān)性，計(jì)算模塊的重要度，從而識(shí)別出關(guān)鍵模塊。

2.3 模塊類型識(shí)別

模塊類型識(shí)別是在關(guān)鍵模塊識(shí)別以后，綜合考慮模塊的變異指數(shù)和通用度，確定模塊的3種類型：基本模塊、可配置模塊以及個(gè)性模塊。其中模塊變異指數(shù)是關(guān)鍵模塊受需求影響發(fā)生變型的可能性；模塊的通用度是評(píng)估該模塊在其產(chǎn)品族中所被n種產(chǎn)品采用的比重，主要表現(xiàn)為：(1)模塊的總用量，也稱為深度指數(shù)；(2)使用模塊的產(chǎn)品數(shù)，也稱為廣度指數(shù)。

3 配置規(guī)則構(gòu)建

在產(chǎn)品模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，制定相應(yīng)的配置規(guī)則可實(shí)現(xiàn)由需求驅(qū)動(dòng)的自頂向下的產(chǎn)品快速配置設(shè)計(jì)[2]。配置規(guī)則需實(shí)現(xiàn)基于產(chǎn)品模塊化結(jié)構(gòu)樹的模型選配及位置定位，通過需求與模塊實(shí)例之間的映射關(guān)系構(gòu)建選配規(guī)則，通過坐標(biāo)變換構(gòu)建定位規(guī)則。

3.1 模型選配

在確定相應(yīng)模塊化結(jié)構(gòu)樹的基礎(chǔ)上，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖5所示，每個(gè)模塊化節(jié)點(diǎn)的基本數(shù)據(jù)包含輸入?yún)?shù)、對(duì)應(yīng)模型和輸出參數(shù)等信息。由此自上而下逐級(jí)迭代，上一層節(jié)點(diǎn)的輸出參數(shù)與下一層節(jié)點(diǎn)的輸出參數(shù)一一對(duì)應(yīng)，最終形成自頂向下的參數(shù)映射鏈條。每個(gè)模塊的輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)有多種對(duì)應(yīng)關(guān)系，如節(jié)點(diǎn)1(轉(zhuǎn)向架)為輸入與輸出參數(shù)一一對(duì)應(yīng)，而節(jié)點(diǎn)3(輪對(duì))即對(duì)參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)換算得出輸出參數(shù)4。

圖5 映射關(guān)系示意圖

3.2 模型定位

由需求信息確定結(jié)構(gòu)樹各節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的模型后，還需要確定各模型的位置信息，驅(qū)動(dòng)三維軟件進(jìn)行模型裝配，最終形成完整的產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)模型[3]。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖6所示,每個(gè)模塊化節(jié)點(diǎn)的基本數(shù)據(jù)都包含對(duì)應(yīng)模型、模型基準(zhǔn)點(diǎn)、與上一層級(jí)基準(zhǔn)點(diǎn)相對(duì)位置等信息。由此自下而上逐級(jí)變換，每個(gè)模塊最終可確定自身在總裝配模型中的位置信息。

圖6 坐標(biāo)變換示意圖

4 實(shí)現(xiàn)效果

依據(jù)上述方法理論指導(dǎo)建立通用的軌道交通產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)平臺(tái)，具體搭建過程不再贅述，下面以一組輪對(duì)的選配為例演示平臺(tái)呈現(xiàn)效果，經(jīng)需求采集后可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)參數(shù)映射匹配出合適的產(chǎn)品模塊(見圖7)，最后由選配出的產(chǎn)品模塊自動(dòng)裝配出三維裝配體模型(見圖8)。

圖7 參數(shù)映射功能演示

圖8 自動(dòng)裝配效果演示

5 結(jié)束語

現(xiàn)有產(chǎn)品平臺(tái)多以參數(shù)驅(qū)動(dòng)為核心，通過設(shè)置相關(guān)技術(shù)需求參數(shù)，逐步導(dǎo)出各部件的設(shè)計(jì)參數(shù)，再以參數(shù)驅(qū)動(dòng)各部件逐步形成相關(guān)軌道交通產(chǎn)品設(shè)計(jì)文件。但該方法所建立的平臺(tái)實(shí)用性欠佳，每次設(shè)計(jì)產(chǎn)品均需按軟件預(yù)設(shè)的設(shè)計(jì)步驟逐步完成，過于依賴設(shè)計(jì)流程的設(shè)置，針對(duì)只需修改少量模型的情況靈活度不足；同時(shí)導(dǎo)致模型的修改工作較繁瑣，參數(shù)驅(qū)動(dòng)對(duì)模型的限制條件較多，容易引起數(shù)據(jù)混亂。上文在總結(jié)了已有產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹關(guān)系映射及坐標(biāo)變換的平臺(tái)構(gòu)建方法，該方法所構(gòu)建的產(chǎn)品平臺(tái)不依賴于設(shè)計(jì)流程，平臺(tái)可配置程度高，適宜國內(nèi)復(fù)雜多樣的軌道交通產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)需求。