CN112364437A - 一种轨道交通车辆产品平台模块简统设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种轨道交通车辆产品平台模块简统设计方法，对产品平台构建过程中模块类型的识别出的平台模块与非平台模块进行简统设计，以减少不必要、无价值的差异性，从而为构建产品平台与产品族设计提供了有力的支持，有效地帮助企业提高经济效益和市场竞争力。
Description
技术领域
本发明涉及一种产品平台模块简统设计方法，更具体地，涉及一种轨道交通车辆产品平台模块简统设计方法。
背景技术
随着我国越来越多地铁线路的申报与开通，地铁市场从传统的相对稳定型向动态多变型演变，当今的地铁车辆制造业已经从大批量生产方式向大规模定制方式进行转变，如何快速响应多样化的客户需求，以较低的成本、较短的设计周期研发出较高质量的产品，已经成为地铁车辆制造企业竞争发展的重大战略课题。目前业界普遍采用模块化产品平台与产品族策略实现大规模定制。产品平台是组成公共架构的子系统及其接口的集合，在架构基础上可以源源不断地派生出功能相似、性能不同的产品集合，即产品族。近年来，中国中车的各大主机厂，如四方、长客、唐车、浦镇等已都开始关注轨道交通车辆产品平台与产品族建设。
模块类型识别是产品平台与产品族设计的核心与关键。它是指在模块划分的基础上，识别出产品平台模块与非平台模块。其中，平台模块是被产品族中的产品重用，帮助企业实现规模经济效益，而非平台模块旨在满足客户定制化的需求，帮助企业实现范围经济效益。在模块类型识别的基础上，针对平台模块需要基于现有模块实例决策或设计出唯一的模块实例，针对非平台模块需要基于现有模块实例决策或设计出模块实例系列并构建模块基型模板，平台与非平台模块实例设计、基型模板构建可支持基于产品平台的定制设计。
发明内容
本发明的目的在于：针对目前轨道交通车辆产品平台建设需求，提出了一种轨道交通车辆产品平台模块简统设计方法，通过简统设计，以减少不必要、无价值的差异性。
为了实现上述发明目的，本发明的一种轨道交通车辆产品平台模块简统设计方法，主要包括1)平台模块的简统设计；2)非平台模块的简统设计；其中，平台模块的简统设计包括：
步骤1、定义模块的需求空间；需求空间是指目标市场内的客户需求的范围，包括但不限于根据市场内的已有模块需求、当前客户偏好、技术发展趋势进行确定。可选的，还可以整理目标市场的历史招标技术条件，梳理技术条件中关于模块的需求，并定义模块的需求空间。
步骤2、已有模块实例信息分析；整理目标市场内的已有模块实例，梳理模块实例的图纸、模型以及技术参数，计算模块实例的差异度、使用度、可靠性、供应商评分、成本信息。示例性地，本发明给出上述参数的计算方法：
1)模块实例差异度
模块实例差异度是指某个模块实例在所有实例集合中相对于其他实例的不同程度。模块实例的差异度值越高，说明该模块实例的结构型式、外形、材料等越特殊，则造成的设计、制造以及运维成本可能越高，因此在进行实例简统时应尽可能地选择差异度低的模块实例。模块实例差异度可基于公式1计算。
式中，VMi是模块实例i的差异度；n是模块实例总数；VMi(i,j)是模块实例i与第j个实例之间的差异度，可基于公式2获得：
式中，r是指模块实例i的技术参数属性，其总数为k；simmdp,r(i,j)是指模块实例i与第j个实例关于第r个属性的相似度值，有数值型与文本型两种类型，可参考公式3、公式4进行计算：
a)若第r个属性的数据类型为数值型，则其相似度值为：
式中，min(i,j)是指第i与第j个实例的技术参数的最小值；max(i,j)是指第i与第j个实例的技术参数的最大值；
b)若第r个属性的数据类型为文本型，则其相似度相似度值为：
2)模块实例使用度
模块实例使用度反应了模块实例被产品实例所采用的频次。模块实例的使用度值越高，说明该模块实例被运用越广泛，在进行实例简统时应尽可能地选择使用度高的模块实例。模块实例的使用度可基于公式5计算：
式中，UMi是模块实例i的使用度；m是产品实例总量，以“车辆”(如MP1、TC1车)为单元进行计算。
3)模块实例可靠性
可靠性是指模块在一定时间内、在一定条件下无故障地执行指定功能的能力或可能性，可通过平均故障间隔时间等来评价模块的可靠性。平均故障间隔时间，即MTBF(MeanTime Between Failure)，是指相邻两次故障之间的平均工作时间。当故障率函数服从指数分布时，可基于公式6计算：
式中，MTBFMi是模块实例i的平均故障间隔时间，Tlfi是模块i的使用寿命，nfi是模块i在使用寿命内的故障次数。
模块实例的MTBF越大，说明模块实例越可靠，因此在进行实例简统设计时应尽可能地选择MTBF高的模块实例。为了方便对模块实例的MTBF进行对比分析，在计算出每个实例的MTBF后，可以采用最大值归一化方法将模块实例的MTBF归一化至[0,1]。
4)模块实例供应商评分
供应商评分是指从合作与质量保障、物流与财务、研发能力和制造能力四个方面对供应商进行评定的总分数。模块实例的供应商评分越高，则说明该实例的质量越有保障，在进行实例简统设计时应尽可能地选择供应商评分高的模块实例。
5)模块实例成本
模块实例成本包括供货成本、制造成本以及运维成本。通常，在模块实例的质量得以保障的情况下，其成本越低，则带给企业的经济效益越高。因此在进行实例简统设计时，在模块实例的质量有保障的情况下应尽可能地选择总成本较低的模块实例。为了方便对模块实例的成本进行对比分析，在计算出每个实例的总成本后，可以采用最大值归一化方法将模块实例的成本归一化至[0,1]。
步骤3、模块实例决策；基于所述步骤2中分析的模块实例差异度、使用度、可靠性(即MTBF)、供应商评分以及成本，根据评分明细和评分标准对模块实例进行评分，评分最高者为简统实例候选者。
步骤4、模块实例校核；在步骤3中决策出最优的已有模块实例后，通过进一步进行计算校核、仿真、试验以判断已有实例是否满足需求空间。若模块实例满足需求空间，则该实例被定为简统实例；若不满足，则需要重新设计一个模块实例并进行校核，当其校核成功后方可被定为简统实例；
非平台模块的简统设计包括：a)分类简统实例设计；b)基型模板设计；
其中，分类简统实例设计包括：
步骤1、定义模块系列及其需求空间；模块系列的数量为2-4个，且每个系列仅有一个简统实例；
步骤2、已有模块实例信息分析；整理目标市场内的已有模块实例，梳理模块实例的图纸、模型以及技术参数，计算模块实例的差异度、使用度、可靠性、供应商评分、成本信息；
步骤3、模块实例决策；基于所述步骤2中分析的模块实例差异度、使用度、可靠性(即MTBF)、供应商评分以及成本，根据评分明细和评分标准对模块实例进行评分，评分最高者为简统实例候选者。
步骤4、模块实例校核；在步骤3中决策出最优的已有模块实例后，通过进一步进行计算校核、仿真、试验以判断已有实例是否满足需求空间。若模块实例满足需求空间，则该实例被定为简统实例；若不满足，则需要重新设计一个模块实例并进行校核，当其校核成功后方可被定为简统实例；
基型模板设计包括：
步骤1、整理目标市场的历史招标技术条件，梳理技术条件中关于非平台模块的需求，并定义非平台模块的需求空间；
步骤2、整理目标市场的已有非平台模块实例，梳理模块实例的图纸、模型以及结构尺寸参数信息；
步骤3、分析模块技术指标之间、技术指标与模块设计参数之间、以及模块设计参数之间的关系，构建技术指标-模块设计参数关系网络。定义参数网络中的驱动与从动参数项，定义参数的取值范围，以及参数之间的函数关系。
步骤4、基于定义的参数关系网络，运用CAD软件构建支持参数化变型设计的3D&2D基型模板。
本发明通过对模块类型识别的产品平台模块与非平台模块进行简统设计，减少了不必要、无价值的差异性，可以有效地帮助企业提高经济效益和市场竞争力。与传统模块简统设计方法相比，本发明能基于客观实例数据，量化模块实例的关键指标，包括差异度、使用度、MTBF、供应商评分以及成本，并基于指标决策出最佳的模块统型实例，从而降低了模块简统设计的主观性。
附图说明：
图1为平台模块的简统设计；
图2为非平台模块(分类简统实例)设计过程；
图3为非平台模块(基型模板)设计过程。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征和技术方案可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
对于轨道交通车辆而言，产品平台构建过程中的模块类型主要包括平台模块和非平台模块。其中，平台模块包括基本模块、通用模块与专用模块，基本模块是指在产品族中被所有产品所采用，其形状和特性在这些产品中完全相同的模块；通用模块是指在产品族中被多个产品所采用，其形状和特性在这些产品中完全相同的模块；专用模块是指在产品族中被少数产品所采用的，其形状和特性在这些产品中完全相同的模块。
本发明的一种轨道交通车辆产品平台模块简统设计方法，主要包括1)平台模块的简统设计；2)非平台模块的简统设计。
平台模块是指其形状和特性在产品族中完全相同的模块，它只有一个简统实例。平台模块的简统设计过程如附图1所示，主要包括如下步骤：
步骤1、定义模块的需求空间
需求空间是指目标市场内的客户需求的范围，可以根据市场内的已有模块需求、当前客户偏好、技术发展趋势等进行确定。可选的，还可以整理目标市场的历史招标技术条件，梳理技术条件中关于模块的需求，并定义模块的需求空间。示例性地，通过整理企业关于A型地铁的历史招标技术条件，梳理技术条件中与侧梁梁体相关的需求，并定义其需求空间，如下表所示：
步骤2、已有模块实例信息分析；整理目标市场内的已有模块实例，梳理模块实例的图纸、模型以及技术参数，计算模块实例的差异度、使用度、可靠性、供应商评分、成本等信息。示例性地，本发明给出上述参数的计算方法：
1、模块实例差异度
模块实例差异度是指某个模块实例在所有实例集合中相对于其他实例的不同程度。模块实例的差异度值越高，说明该模块实例的结构型式、外形、材料等越特殊，则造成的设计、制造以及运维成本可能越高，因此在进行实例简统时应尽可能地选择差异度低的模块实例。模块实例差异度可基于公式1计算。
式中，VMi是模块实例i的差异度；n是模块实例总数；VMi(i,j)是模块实例i与第j个实例之间的差异度，可基于公式2获得：
式中，r是指模块实例i的技术参数属性，其总数为k；simmdp,r(i,j)是指模块实例i与第j个实例关于第r个属性的相似度值，有数值型与文本型两种类型，可参考公式3、公式4进行计算：
a)若第r个属性的数据类型为数值型，则其相似度值为：
式中，min(i,j)是指第i与第j个实例的技术参数的最小值；max(i,j)是指第i与第j个实例的技术参数的最大值；
b)若第r个属性的数据类型为文本型，则其相似度相似度值为：
2、模块实例使用度
模块实例使用度的内涵与前述模块使用度的内涵一致，它反应了模块实例被产品实例所采用的频次。模块实例的使用度值越高，说明该模块实例被运用越广泛，因此企业在进行实例简统时应尽可能地选择使用度高的模块实例。模块实例的使用度可基于公式5计算。
式中，UMi是模块实例i的使用度；m是产品实例总量，以“车辆”(如MP1、TC1车)为单元进行计算。
3、模块实例可靠性
可靠性是指模块在一定时间内、在一定条件下无故障地执行指定功能的能力或可能性，可通过平均故障间隔时间等来评价模块的可靠性。平均故障间隔时间，即MTBF(MeanTime Between Failure)，是指相邻两次故障之间的平均工作时间。当故障率函数服从指数分布时，可基于公式6计算。
式中，MTBFMi是模块实例i的平均故障间隔时间，Tlfi是模块i的使用寿命，nfi是模块i在使用寿命内的故障次数。
模块实例的MTBF越大，说明模块实例越可靠，因此在进行实例简统设计时应尽可能地选择MTBF高的模块实例。为了方便对模块实例的MTBF进行对比分析，在计算出每个实例的MTBF后，可以采用最大值归一化方法将模块实例的MTBF归一化至[0,1]。
4、模块实例供应商评分
供应商评分是指从合作与质量保障、物流与财务、研发能力和制造能力四个方面对供应商进行评定的总分数。模块实例的供应商评分越高，则说明该实例的质量越有保障，因此在进行实例简统设计时应尽可能地选择供应商评分高的模块实例。示例性地，本发明中采用的供应商的评分明细及计算方法如下表所示。
5、模块实例成本
模块实例成本包括供货成本、制造成本以及运维成本。通常，在模块实例的质量得以保障的情况下，其成本越低，则带给企业的经济效益越高。因此在进行实例简统设计时，在模块实例的质量有保障的情况下应尽可能地选择总成本较低的模块实例。为了方便对模块实例的成本进行对比分析，在计算出每个实例的总成本后，可以采用最大值归一化方法将模块实例的成本归一化至[0,1]。
示例性地，整理企业关于A型地铁的已有侧梁梁体实例，并且计算模块实例的差异度、使用度、MTBF、供应商评分、成本等信息。并基于公式1计算每个侧梁梁体实例的差异度，其计算结果如下表所示：
| 序号 | 实例名称 | 差异度 | 排序 | 备注 |
| 1 | Sidebeam1-ZME80 | 0.245 | 3 | |
| 2 | Sidebeam2-ZMA100 | 0.223 | 2 | |
| 3 | Sidebeam3-ZMA120 | 0.186 | 1 |
基于公式5计算每个侧梁梁体实例的使用度，其计算结果如下表所示：
| 序号 | 实例名称 | 使用度 | 排序 | 备注 |
| 1 | Sidebeam1-ZME80 | 0.667 | 1 | |
| 2 | Sidebeam2-ZMA100 | 0.259 | 2 | |
| 3 | Sidebeam3-ZMA120 | 0.074 | 3 |
基于公式6计算每个侧梁梁体的平均故障间隔时间(MTBF)，其结果见如下表所示：
| 序号 | 实例名称 | MTBF(归一化) | 排序 | 备注 |
| 1 | Sidebeam1-ZME80 | 1 | 1 | |
| 2 | Sidebeam2-ZMA100 | 0.75 | 2 | |
| 3 | Sidebeam3-ZMA120 | 0.68 | 3 |
侧梁梁体属于自制件，其设计、制造均由主机厂自身完成，因此它没有供应商，也没有供应商评分。
模块成本包括采购成本、制造成本以及运维成本。由于侧梁梁体是自制件，因此并不包括采购成本，只有制造成本与运维成本，侧梁梁体实例的成本信息如下表所示：
| 序号 | 实例名称 | 采购成本 | 制造成本 | 运维成本 | 总成本(归一化) | 排序 |
| 1 | Sidebeam1-ZME80 | 无 | 30000元 | 75000元 | 0.75 | 1 |
| 2 | Sidebeam2-ZMA100 | 无 | 35000元 | 87500元 | 0.875 | 2 |
| 3 | Sidebeam3-ZMA120 | 无 | 40000元 | 100000元 | 1 | 3 |
步骤3、模块实例决策；基于所述步骤2分析的模块实例差异度、使用度、可靠性(即MTBF)、供应商评分以及成本，根据下表的评分明细和评分标准对模块实例进行评分，评分最高者为简统实例候选者，示例性地，模块实例的评分明细及计算方法如下表所示。
示例性地，基于步骤2所得的侧梁梁体的差异度、使用度、MTBF、成本信息，根据步骤3所述的方法对各个实例进行评分，其评分结果如下表所示：
| 序号 | 实例名称 | 差异度 | 使用度 | MTBF | 总成本 | 总分 | 排序 |
| 1 | Sidebeam1-ZME80 | 81.6 | 75 | 100 | 52.5 | 77.3 | 1 |
| 2 | Sidebeam2-ZMA100 | 83 | 24 | 81 | 46.25 | 58.6 | 2 |
| 3 | Sidebeam3-ZMA120 | 86 | 5.6 | 76 | 40 | 51.9 | 3 |
由上表可知，Sidebeam1-ZME80的评分最高，因此将Sidebeam1-ZME80作为侧梁梁体简统实例候选者。
步骤4、模块实例校核
通过步骤3决策出最优的已有模块实例后，需要进一步进行计算校核、仿真、试验以判断已有实例是否满足需求空间。若模块实例满足需求空间，则该实例被定为简统实例；若不满足，则需要重新设计一个模块实例并进行校核，当其校核成功后方可被定为简统实例。
非平台模块是指其形状和特性在产品族中不完全相同的模块，它具有多个实例。但为了提高模块的重用率，减少无价值的差异性，仍需对非平台模块进行简统，如牵引电机、齿轮箱、制动夹钳等。与平台模块的全局简统相比，非平台模块是一种分类简统，即设计多个系列化实例以满足客户多样化的需求，例如在建设地铁转向架平台时，设计响应80km/h、100km/h、120km/h三种速度等级的三个牵引电机实例。非平台模块的简统设计主要包括分类简统实例设计和基型模板设计两种，其中分类简统实例设计过程如附图2所示，基型模板设计过程如附图3所示。
如附图2所示的，非平台模块的分类简统实例设计过程与平台模块的全局简统实例类似，区别在于平台模块只生成一个简统实例，而非平台模块需要产生响应多样化需求的多个简统实例。因此，非平台模块的分类简统实例仅第一个步骤与平台模块的设计有所区别，它需要规划多个模块系列以及每个系列的需求空间。模块系列的数量不宜过多，一般2～4个，为了提高模块的通用性，每个系列最好只有一个简统实例。在完成非平台模块的系列规划以后，提取每个规划系列下的已有模块实例，然后与平台模块实例设计类似，为每个系列决策出一个最优的模块实例或者重新开发一个新实例，最终得到响应多样化需求的分类简统实例。
其次，如附图3中所示的，非平台模块除了具有分类简统实例外，还具有基型模板。基型模板是一种可参数化的结构模型，通过修改模型参数能快速生成响应客户需求的新模块实例。
首先，整理目标市场的历史招标技术条件，梳理技术条件中关于非平台模块的需求，并定义非平台模块的需求空间；
其次，整理目标市场的已有非平台模块实例，梳理模块实例的图纸、模型以及结构尺寸参数等信息；
再次，分析模块技术指标之间、技术指标与模块设计参数之间、以及模块设计参数之间的关系，构建技术指标-模块设计参数关系网络。定义参数网络中的驱动与从动参数项，定义参数的取值范围，以及参数之间的函数关系。
最后，基于定义的参数关系网络，运用CAD软件(如CATIA、CERO等)构建支持参数化变型设计的3D&2D基型模板。
以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种轨道交通车辆产品平台模块简统设计方法，其特征在于，包括：1)平台模块的简统设计；2)非平台模块的简统设计；
其中，所述平台模块的简统设计包括：
步骤1、定义模块的需求空间；需求空间是指目标市场内的客户需求的范围，包括但不限于根据市场内的已有模块需求、当前客户偏好、技术发展趋势进行确定；
步骤2、已有模块实例信息分析；整理目标市场内的已有模块实例，梳理模块实例的图纸、模型以及技术参数，计算模块实例差异度、使用度、可靠性(MTBF)、供应商评分、成本；
步骤3、模块实例决策；基于所述步骤2中分析的模块实例差异度、使用度、可靠性(MTBF)、供应商评分、成本，根据评分明细和评分标准对模块实例进行评分，评分最高者为简统实例候选者；
步骤4、模块实例校核；在步骤3中决策出最优的已有模块实例后，通过进一步进行计算校核、仿真、试验以判断已有实例是否满足需求空间；若模块实例满足需求空间，则该实例被定为简统实例；若不满足，则需要重新设计一个模块实例并进行校核，当其校核成功后方可被定为简统实例。
2.根据权利要求1所述的一种轨道交通车辆产品平台模块简统设计方法，其特征在于，所述非平台模块的简统设计包括：a)分类简统实例设计；b)基型模板设计；其中：
所述分类简统实例设计包括：
步骤1、定义模块系列及其需求空间；模块系列的数量为2-4个，且每个系列仅有一个简统实例；
步骤2、已有模块实例信息分析；整理目标市场内的已有模块实例，梳理模块实例的图纸、模型以及技术参数，计算模块实例差异度、使用度、可靠性、供应商评分、成本；
步骤3、模块实例决策；基于所述步骤2中分析的模块实例差异度、使用度、可靠性(MTBF)、供应商评分、成本，根据评分明细和评分标准对模块实例进行评分，评分最高者为简统实例候选者；
步骤4、模块实例校核；在步骤3中决策出最优的已有模块实例后，通过进一步进行计算校核、仿真、试验以判断已有实例是否满足需求空间；若模块实例满足需求空间，则该实例被定为简统实例；若不满足，则需要重新设计一个模块实例并进行校核，当其校核成功后方可被定为简统实例；
所述基型模板设计包括：
步骤1、整理目标市场的历史招标技术条件，梳理技术条件中关于非平台模块的需求，并定义非平台模块的需求空间；
步骤2、整理目标市场的已有非平台模块实例，梳理模块实例的图纸、模型以及结构尺寸参数信息；
步骤3、分析模块技术指标之间、技术指标与模块设计参数之间、以及模块设计参数之间的关系，构建技术指标-模块设计参数关系网络；定义参数网络中的驱动与从动参数项，定义参数的取值范围，以及参数之间的函数关系；
步骤4、基于定义的参数关系网络，运用CAD软件构建支持参数化变型设计的3D&2D基型模板。
3.根据权利要求1或2所述的一种轨道交通车辆产品平台模块简统设计方法，其特征在于，所述模块实例差异度、使用度、可靠性、供应商评分、成本的计算方法如下：
1)模块实例差异度
模块实例差异度基于公式1计算：
式中，VMi是模块实例i的差异度；n是模块实例总数；VMi(i,j)是模块实例i与第j个实例之间的差异度，基于公式2获得：
式中，r是指模块实例i的技术参数属性，其总数为k；simmdp,r(i,j)是指模块实例i与第j个实例关于第r个属性的相似度值，有数值型与文本型两种类型，通过公式3、公式4进行计算：
a)若第r个属性的数据类型为数值型，则其相似度值为：
式中，min(i,j)是指第i与第j个实例的技术参数的最小值；max(i,j)是指第i与第j个实例的技术参数的最大值；
b)若第r个属性的数据类型为文本型，则其相似度相似度值为：
2)模块实例使用度
模块实例使用度反应了模块实例被产品实例所采用的频次；在进行实例简统时选择使用度高的模块实例；模块实例的使用度基于公式5计算：
式中，UMi是模块实例i的使用度；m是产品实例总量，以“车辆”为单元进行计算；
3)模块实例可靠性
通过平均故障间隔时间(MTBF)来评价模块的可靠性；当故障率函数服从指数分布时，基于公式6计算：
式中，MTBFMi是模块实例i的平均故障间隔时间，Tlfi是模块i的使用寿命，nfi是模块i在使用寿命内的故障次数；
在计算出每个实例的MTBF后，采用最大值归一化方法将模块实例的MTBF归一化至[0,1]；
4)模块实例供应商评分
供应商评分是指从合作与质量保障、物流与财务、研发能力和制造能力四个方面对供应商进行评定的总分数；模块实例的供应商评分越高，则说明该实例的质量越有保障，在进行实例简统设计时选择供应商评分高的模块实例；
5)模块实例成本
模块实例成本包括供货成本、制造成本以及运维成本；在进行实例简统设计时，在模块实例的质量有保障的情况下选择总成本较低的模块实例；在计算出每个实例的总成本后，采用最大值归一化方法将模块实例的成本归一化至[0,1]。
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