CN112633994A - 一种轨道交通车辆产品平台规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复杂机电产品平台构建方法，特别涉及一种轨道交通车辆的产品平台构建方法，通过构建复杂机电产品的模块化结构树；识别所述复杂机电产品模块类型；进行各个模块的简统设计；构建产品主结构；构建产品平台定位规则；构建需求‑模块映射规则；构建模块配置规则，从而构建了一种轨道交通产品平台，有利于推动轨道交通车辆模块化、通用化、谱系化建设，实现以较低的成本满足多样化的客户需求。

Description

一种轨道交通车辆产品平台规划方法
技术领域
本发明涉及一种复杂机电产品的设计平台规划方法，更具体地，涉及一种轨道交通车辆产品平台规划方法。
背景技术
复杂机电产品因其需求、结构、技术、制造和管理等方面的复杂性,导致产品设计参数和约束繁多,设计结果多变,定制生产周期长、风险大、成本高。在对复杂产品设计时只有充分利用现有成熟技术和零部件才能够提高复杂产品设计的可靠性,达到预期设计效果。因此为复杂机电产品建立产品平台的重要性相对于简单产品而言更加凸显。
国家经济的发展与交通运输密切相关。相较公路、航空、水运等交通方式，轨道交通因具有输送能力大、速度快、安全性高、正点率高、能耗低、全天候运行的综合优势，在交通运输体系中扮演的角色日益突出。近年来，中国的轨道交通车辆从无到有、从追随者到领跑者，突破了欧洲、日本的技术垄断，取得了一系列举世瞩目的发展成就，轨道交通车辆装备及产业化水平已总体达到国际领先水平。与此同时，在经济社会日益发展、交通运输需求日趋旺盛、路网规模与客运能力不断攀升的背景下，随着工程研究的深入、市场的拓展与细化、运用数据的积累，轨道交通车辆的谱系化等需求发展也已提上日程，轨道交通车辆发展面临着新的机遇与挑战。而轨道交通车辆作为一种复杂的机电产品，势必需要建立其产品平台，从而实现以较低的成本来满足多样化的客户需求，从而推动轨道交通车辆的模块化、通用化、谱系化建设。因此目前急需一种针对复杂机电产品的设计平台规划方法，更具体地，涉及一种轨道交通车辆产品平台规划方法。
发明内容
本发明的目的在于：针对目前轨道交通车辆模块化、通用化、谱系化建设需求，提出了一种针对复杂机电产品的设计平台规划方法，更具体地，涉及一种轨道交通车辆产品平台规划方法。
为了实现上述发明目的，本发明提出了一种复杂机电产品平台构建方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤1：构建复杂机电产品的模块化结构树；其中，通过多层级模块划分方法构建所述复杂机电产品，尤其是轨道交通车辆产品的模块化结构树，通过构建统一、规范的模块化结构树，为实现以“模块”为载体的产品平台信息管理奠定基础；
步骤2：识别所述复杂机电产品模块类型；根据所述步骤1中模块化结构树将所述模块类型识别为平台模块和非平台模块，所述产品的平台模块包括基本模块、通用模块、专用模块；其中，将识别结果用于模块实体设计，用于构建产品主结构以实现需求驱动的产品定制设计；
步骤3：基于所述步骤2中模块类型识别的结果，进行各个模块的简统设计，以减少不必要、无价值的差异性；
步骤4：构建产品主结构，根据所述模块化结构树、所述模块类型识别结果、所述模块实体设计结果综合形成产品主结构；
步骤5：根据产品平台规划时的市场细分变量与产品平台规划的结果，构建产品平台的定位规则，以便新订单产品设计时可快速将客户订单定位到某一产品平台范围，并进一步基于该产品平台进行定制设计；
步骤6：构建需求-模块映射规则；通过构建不同产品平台下的客户需求与产品模块属性参数间的映射关系，支持将来基于产品平台的定制设计中新订单的需求向模块属性参数的快速转化；
步骤7：构建模块配置规则；通过构建产品主结构中不同模块间的约束关系，形成各产品主结构的模块配置规则表，保证模块配置时模块组合的合理性。
与现有技术相比，本发明的有益效果：相较于传统的复杂机电产品平台构建而言，本发明一方面能基于客观实例数据，量化模块及其实例的相似度、使用度、可靠性、供应商评分、成本等指标，帮助企业基于指标识别模块类型并且开展简统设计，从而有效降低产品平台构建的主观性，另一方面构建了产品平台定位规则、需求-模块映射规则以及模块配置规则，帮助企业基于规则实现产品的快速定制设计，从而有效提升企业的研发效率与质量。
附图说明：
图1为轨道交通车辆的模块化结构树构建过程；
图2为基于清单的多层级模块划分方法；
图3为系统评分表；
图4为列车信息控制系统的功能-结构分解树；
图5为零部件评分表；
图6为平台模块的简统设计；
图7为非平台模块(分类简统实例)设计过程；
图8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。
本发明提供的一种复杂机电产品平台的构建方法主要具备以下步骤：
步骤1：构建复杂机电产品的模块化结构树；其中，以轨道交通车辆为例，利用多层级模块划分方法构建所述轨道交通车辆的模块化结构树。如图1中所示的轨道交通车辆的模块化结构树构建过程，主要包括如下四个步骤：
Step1.产品实例清单整理
例如，按照动车组、城轨车辆、机车、客车车辆、货车车辆五大产品类别搜集企业已有产品实例清单，如动车组有CRH1、CRH2、CRH3、CRH380、CR系列等。把各车种的产品实例清单列表后并确定各车种的基型产品，后续将优先对各车种的基型产品进行模块划分。
Step2.模块化元结构树构建
提取各车种的产品清单实例，然后通过模块划分获得各车种的模块化元结构树。模块划分是元结构树构建的核心，其中，本发明提出基于清单的多层级模块划分方法如附图2所示，主要包括系统级模块划分以及零部件级模块划分。其中，对于上述方法中系统级模块划分而言，主要包括如下三个步骤：1)产品BOM处理；2)基于系统评分表判断节点是否重新划分；3)功能-结构分析；
其中，产品BOM处理主要包括两个部分，其一，对结构节点进行分类，有标准件、外购件、通用件、虚件/实件、安装座5种类型。其中“虚件”是指企业为了管理方便而虚构的一组零部件集合，它没有设计、加工图纸，如“车顶设备”、“车外设备”等。其二，去除标准件。为了提高模块划分的效率，可以去除标准件，如螺栓、垫片等。
完成上述产品BOM处理后，通过遍历系统级节点，基于系统评分表判断节点是否重新划分。其中，系统评分表评估每个系统级节点的分数，若总分≥3，则建议节点不再重新划分，可作为一个系统级模块，并进入下一层级划分，采用的系统评分表如附图3所示。由系统级评分表可知，面向系统级的模块划分主要考虑的是功能独立性，系统级模块最好只响应1个明确的功能。例如，“车体及内装设备”节点显然不止一个明确功能，而且还是一个虚件，因此需要对其进一步划分，拆分为“车体”、“车内设施”两个系统模块。而“转向架”节点具有一个明确的总功能——走行，而且它还不是一个虚件，因此“转向架”可以不再划分，直接作为一个系统级模块。
随后，如附图2中所示的，针对具有多个功能的系统级节点，需要对其进行功能-结构分析，从而划分出响应明确功能(最好为1个)的系统级模块。例如前面所提及的“车体及内装设备”节点便需经过功能-结构分析划分明确功能的“车体”、“车内设施”两个系统级模块。功能-结构分析可依赖于功能-结构分解树进行，示例性的，本发明给出了根据列车信息控制系统的功能-结构分解树示意图，如附图4所示。
如附图2中所示的，在完成了系统级模块划分之后，需要进行零部件级模块划分。对于零部件级模块划分而言，主要包括1)基于零部件评分表判断节点是否重新划分；2)相关性聚类分析。
与系统评分表类似，采用零部件评分表评估每个零部件节点的分数，若总分≥3，则建议节点不再重新划分，可作为一个零部件模块，反之则需重新进行划分，其中，零部件评分表如附图5所示。
随后，如附图2中所示的，针对需要进一步模块划分的零部件节点，可以采用相关性聚类分析重新划分模块。
在此，模块划分是模块化元结构树构建的关键，直接影响产品平台的建设。针对轨道交通车辆结构复杂、分层的特点，本发明采用了基于BOM的多层级模块划分方法。其中，无论是面向系统级还是零部件级的结构节点，在模块划分过程中应当遵循以下原则：
1、划分顺序
先整体后局部、先主要后次要、先功能后结构。先整体后局部，即先进行系统级的模块划分，然后根据某一个系统模块划分出更细的子模块、子子模块等，直至最后的不能再细分的模块；先主要后次要，先划分对产品功能具有决定意义的核心模块，然后再划分其他次要的模块，最后是那些辅助性模块；先功能后结构，即在功能模块清晰的情况下，再按结构划分子模块；
2、功能独立性
划分的模块应能独立完成一定的功能，并且尽量一个模块只响应一个功能。
3、结构独立性
应尽量增大模块内零部件的关联，减少模块之间的关联，使模块具有相对的独立性，满足模块设计、管理和生产的独立要求。
4、粒度适中
模块划分时应满足粒度大小和数量适中的原则。以下有4条指导性意见：
·尽可能以部件作为模块；
·外购件一般不再划分；
·安装座一般不再划分；
·通用件一般不再划分；
Step3.模块名称字典构建
基于Step2中构建的模块化元结构树方法，获得各车种的模块化元结构树。为了该产品平台的规范性以及后续产品平台的扩展，通过对比分析各车种模块化元结构树的模块名称，同时可基于铁道车辆命名规则等，构建统一、规范的轨道交通车辆模块名称字典。在完成模块名称字典构建后，再对各车种的模块化元结构树进行名称更新。
Step4.模块化实例结构树构建
基于Step2获得的模块化元结构树与Step3获得的模块名称字典，通过对比分析分别获得名称规范化的动车组、城轨车辆、机车、客车车辆、货车车辆五类产品的模块化实例结构树。
通过上述Step1-Step4实现对产品结构模块进行划分，通过构建统一、规范的模块化结构树，为实现以“模块”为载体的产品平台信息管理奠定基础。
步骤2：识别所述复杂机电产品模块类型；同样地，本发明中以轨道交通车辆为例，根据所述步骤1中构建的模块化结构树，将所述模块化结构树上的“叶子节点”(不可再分节点)识别为平台模块和非平台模块，所述产品平台模块包括基本模块、通用模块、专用模块；其中，基本模块是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；所述非平台模块是指形状和特性在产品族中不完全相同的模块。上述识别的结果将用于模块实体设计，进而构建产品主结构以实现需求驱动的产品定制设计。
在上述识别过程中，本发明采用“模块相似度”与“模块使用度”两个指标进行识别。所述“模块相似度”是指同一模块的不同模块实例在性能、尺寸、接口等方面的相似程度；所述“模块使用度”是指模块在现有产品实例中的使用频率。针对“模块相似度”，可以通过计算同一模块下任意两个模块实例间的相似度的平均值获得，而两个模块实例之间的相似度可以通过计算两者的技术参数相似度的平均值获得。针对“模块使用度”，通过统计现有产品实例中使用所述模块的频次，并计算其使用频率即可获得模块的使用度。
通过上述“模块相似度”与“模块使用度”可以自动、动态识别模块的类型，预设规则如下：
if{模块相似度≥εand模块使用度＝1},then{模块＝基本模块}；
if{模块相似度≥εand andλ≤模块使用度<1},then{模块＝通用模块}；
if{模块相似度≥εand and 0≤模块使用度<λ},then{模块＝专用模块}；
if{0≤模块相似度<ε},then{模块＝非平台模块}；
其中，ε、λ分别是模块的相似度阈值与使用度阈值。一般地，ε、λ可分别设置为0.7、0.3。
步骤3：基于所述步骤2中模块类型识别的结果，进行各个模块的简统设计，以减少不必要、无价值的差异性；其中，模块简统设计包括平台模块的简统设计和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6所示，主要包括如下四个步骤：
Step1.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。
Step2.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6计算。
Figure BDA0002898842730000101
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7获得：
Figure BDA0002898842730000102
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4、公式5进行计算。
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8计算。
Figure BDA0002898842730000111
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9计算。
Figure BDA0002898842730000112
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。
Figure BDA0002898842730000121
Figure BDA0002898842730000131
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]。
Step3.模块实例决策
基于所述Step2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，组织领域专家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。
Figure BDA0002898842730000132
Figure BDA0002898842730000141
Step4.模块实例校核
通过Step3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7所示，基型模板设计过程如附图8所示。
如附图7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8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。
步骤4：产品主结构构建；以各车种的所述模块化元结构树、所述模块类型识别结果、所述模块实体设计结果综合形成产品主结构。以各车种的模块化元结构树为基础，根据模块类型识别的结果标识每个模块对象的类别。需要标识的模块类别有两个维度：通用程度和选型要求。其中通用程度反映模块实例在产品族内所有产品中使用的普遍性，即步骤2中已识别的平台模块与非平台模块，具体包括四类：基本模块、通用模块、专用模块、非平台模块。而选型要求反映的是模块在产品族内所有产品中是否存在的特性，具体可分为：基本模块(与平台模块中基本模块含义相同)，指该模块一定存在且模块实例唯一；必选模块，指该模块一定存在于产品族内所有产品中，且模块实例不唯一；可选模块，指该模块在产品族内的产品中可有可无，根据客户需求添加或删除。需要注意的是，必选模块一定是非平台模块，而可选模块可以是平台模块中的通用模块、专用模块，也可以是非平台模块(即可有可无且实例不唯一)。按照上述两个模块类别维度，对结构树中叶子节点模块进行类别标识。将各个模块的实体设计结果与模块化结构树上的模块对象关联，作为模块对象的可配置空间。如下示例性地给出了产品主结构模板：
Figure BDA0002898842730000161
以及某A型地铁转向架平台主结构：
Figure BDA0002898842730000171
Figure BDA0002898842730000181
Figure BDA0002898842730000191
步骤5：针对某产品类别(机车、客车、货车、动车、地铁、单轨车等)通常会规划、构建多个产品平台，为了支持将来基于产品平台的定制设计，需要根据产品平台规划时的市场细分变量与产品平台规划的结果，构建产品平台的定位规则，以便于新订单产品设计时可快速将客户订单定位到某一产品平台范围，进一步基于该产品平台进行定制设计。
根据每个产品平台的平台范围描述可方便地构建出产品平台的定位规则。示例性地，A型地铁产品平台的平台范围是：车体型式＝A型、速度等级＝{80，100，120，140}、车体材料＝{铝合金，不锈钢}、供电制式＝{DC750，DC1500}，则可构建产品平台定位规则为：If(车体型式＝A型&&速度等级∈{80，100，120，140}&&车体材料∈{铝合金，不锈钢}&&供电制式∈{DC750，DC1500})，then(所属产品平台＝A型地铁产品平台)。如下示例性地给出了关于产品平台定位规则描述模板：
Figure BDA0002898842730000192
以及A地铁产品平台定位规则：
Figure BDA0002898842730000193
Figure BDA0002898842730000201
步骤6：构建需求-模块映射规则；通过构建不同产品平台下的客户需求与产品模块属性参数间的映射关系，支持将来基于产品平台的定制设计中新订单的需求向模块属性参数的快速转化。其中，根据映射方式的不同，需求-模块属性的映射可分为：直接映射、函数映射、知识映射。定义如下：
直接映射：需求取值直接作为模块属性参数的取值的映射方式。
函数映射：通过函数运算将需求参数转换为模块属性参数的映射方式。
知识映射：根据设计经验，用产生式规则(if<条件>，then<结论>)将需求参数转换为模块属性参数的映射方式。
根据映射变量的个数，需求与模块属性间的映射关系可以分为：一对一映射、一对多映射、多对一映射、多对多映射。
对于映射规则而言，可以表达为Rule＝(编码，输入_需求集，需求类别，输出_模块属性参数集，关联模块，映射类型，映射规则)。通过对某一车种的需求参数与模块属性参数之间关系的分析，确定两者之间的映射关系类别和具体的映射规则。映射规则构建时，输入的需求集从不同车种的需求模板中选择；输出的模块属性参数集从产品平台的产品主结构上各模块节点的属性参数集中选择。如下示例性地给出了需求-模块属性参数映射规则表模板：
Figure BDA0002898842730000202
Figure BDA0002898842730000211
以及A型地铁产品平台需求-模块映射规则：
Figure BDA0002898842730000212
Figure BDA0002898842730000221
Figure BDA0002898842730000231
步骤7：构建模块配置规则；通过构建产品主结构中不同模块间的约束关系，形成各产品主结构的模块配置规则表，保证模块配置时模块组合的合理性。
模块配置知识描述的是不同模块之间的约束关系，为了便于分析，需先将前述的两种模块类型进行综合，以明确不同模块的特点。根据前述产品主结构中定义的两个维度的模块类型，所属模块类型包括：按通用程度，分为基本模块、通用模块、专用模块、非平台模块；按选型要求，分为基本模块、必选模块、可选模块，将两个维度的模块类型进行综合，可得到如下结果：
Figure BDA0002898842730000232
由上述分类综合得到了4类模块，即基本模块、必选-非平台模块、可选-平台模块、可选-非平台模块，由此可对任意两种模块之间的配置规则进行分析。其中基本模块的模块节点一定存在且实例唯一，项目订单产品只要定位到具体的产品平台后即可直接选定基本模块的实例，无需配置，因此不存在与该模块对应的配置规则。需对其余三类模块之间的约束关系进行分析，下表示出了不同类别模块间的约束关系：
必选-非平台模块 可选-平台模块 可选-非平台模块
必选-非平台模块 1
可选-平台模块 2 4
可选-非平台模块 3 5 6
1、必选-非平台模块之间的约束关系
必选-非平台模块表示模块节点一定存在但模块实例不唯一，可以进行配置设计或变型设计的模块。需要考虑两方面：①该类模块的可配置实例可能属于不同的类别(即实现原理不同或拓扑结构不同)，如根据拓扑结构可将车轴分为实心车轴和空心车轴，基础制动装置可分为盘型制动装置和踏面制动装置等；②根据需求或其他模块的约束关系，模块的属性参数(尺寸、性能、材料、接口等)可以配置不同的取值，如牵引电机的功率可取250kW和350kW等。因此，该类模块的实例化需要从两个层面进行配置，即模块类型配置和模块实例参数配置。
模块之间的约束关系限制了不同模块配置组合的可行性，对任意两个必选-非平台模块而言，这种限制存在于上述的两个配置层面。必选-非平台模块之间可能的配置约束关系有三类，不同类别模块间的约束关系如下表所示(其中，“模块A类型-模块B参数”约束与“模块A参数-模块B类型”约束属于同一类)。
Figure BDA0002898842730000251
其中：
“模块A类型-模块B类型”约束指：此类约束表达了两个模块在类型选择上的约束关系。例如动车产品平台中的牵引电机模块和联轴节模块，牵引电机可选架悬类、体悬类，联轴节可选挠性浮动齿式联轴节、万向轴，两者之间的约束关系可表示为if(牵引电机＝架悬类电机)，then(联轴节＝挠性浮动齿式联轴节)和if(牵引电机＝体悬类电机)，then(联轴节＝万向轴)。
“模块A类型-模块B参数”约束指：此类约束表达了一个模块的类型与一个模块参数之间的约束关系。例如，if(牵引电机功率＞**kW)，then(牵引电机冷却风机＝**类型)。
“模块A参数-模块B参数”约束指：此类约束表达了两个模块的参数之间的约束关系，参数包括尺寸、性能、材料、接口参数等。例如，联轴节轴孔名义直径＝牵引电机输出轴名义直径，联轴节许用转速＞牵引电机最高输出转速等。
2、必选-非平台模块与可选-平台模块之间的约束关系
如必选-非平台模块中分析的，必选-非平台模块的配置可能存在两个层面：模块类型配置和模块实例参数配置。而可选-平台模块是模块节点可能存在也可能不存在，且具有唯一模块实例的模块。因此，可选-平台模块的配置只存在有无的配置，不存在模块类别和模块实例参数的配置。因此，必选-非平台模块与可选-平台模块之间可能的配置约束关系有两类，下表显示了必选-非平台模块之间的约束关系。
Figure BDA0002898842730000261
其中：
“模块A类型-模块B有无”约束指：此类约束表达了一个模块的类型选择与另一个模块的存在与否之间的约束关系。例如，地铁产品平台中，if(车轮＝S型腹板车轮),then(轮盘制动装置＝无)。
“模块A参数-模块B有无”约束指：此类约束表达了一个模块参数值的设置与另一个模块的存在与否的约束关系。
3、必选-非平台模块与可选-非平台模块之间的约束关系
如必选-非平台模块之间分析的，必选-非平台模块的配置可能存在两个层面：模块类型配置和模块实例参数配置。可选-非平台模块是模块节点可能存在也可能不存在，且具有多个模块实例，可以进行配置设计或变型设计的模块。参考必选-非平台模块与可选-平台模块，可选-非平台模块可能存在的配置有：有无的配置、模块类型配置和模块实例参数配置。必选-非平台模块与可选-非平台模块之间可能的配置约束关系有五类(“模块A类型-模块B参数”约束和“模块A参数-模块B类型”约束为同一类)。各类约束如下，其含义已经如上述所示的进行了阐述，在此不再赘述。下表显示了必选-非平台模块与可选-非平台模块之间的约束关系。
Figure BDA0002898842730000271
4、可选-平台模块之间的约束关系
如可选-平台模块中分析，可选-平台模块的配置只存在有无的配置，不存在模块类别和模块实例参数的配置。可选-平台模块之间可能的配置约束关系只有一类：“模块A有无-模块B有无”约束。下表显示了可选-平台模块之间的约束关系。
Figure BDA0002898842730000281
“模块A有无-模块B有无”约束指：一个模块的存在与否与另一个模块的存在与否的约束关系，具体可以体现为依赖性约束(两者必须同时存在)或排斥性约束(两者不能同时存在)。
5、可选-平台模块与可选-非平台模块之间的约束关系
如可选-平台模块中分析的，可选-平台模块的配置只存在有无的配置。如可选-非平台模块中分析的，可选-非平台模块可能存在的配置有：有无的配置、模块类型配置和模块实例参数配置。可选-平台模块与可选-非平台模块之间可能的配置约束关系有三类。各类约束如下，各类约束如下，其含义已经如上述所示的进行了阐述，在此不再赘述。下表显示了可选-平台模块与可选-非平台模块之间的约束关系。
Figure BDA0002898842730000282
Figure BDA0002898842730000291
6、可选-非平台模块之间的约束关系
如可选-非平台模块分析，可选-非平台模块可能存在的配置有：有无的配置、模块类型配置和模块实例参数配置。可选-非平台模块之间可能的配置约束关系有六类(“模块A有无-模块B类型”约束和“模块A类型-模块B有无”约束，“模块A有无-模块B参数”约束和“模块A参数-模块B有无”约束，“模块A类型-模块B参数”约束和“模块A参数-模块B类型”约束均属于同一类)。各类约束如下，其含义已经如上述所示的进行了阐述，在此不再赘述。下表显示了必选-非平台模块与可选-非平台模块之间的约束关系。下表显示了可选-平台模块与可选-非平台模块之间的约束关系。
Figure BDA0002898842730000292
Figure BDA0002898842730000301
综合上述模块之间的约束关系分析，本项目的产品主结构中各类模块之间可能存在的约束关系总结如下表所示。该表中所列的约束关系是考虑了3类模块间可能存在的所有约束关系类型，实际的某产品主结构中的约束关系是该表的子集。如，产品主结构中某必选-非平台模块不存在多个可选的类型(类型唯一，不存在模块类型的配置)，则与该必选-非平台模块类型相关的约束关系也不存在。再如，某可选-平台模块的存在与否是由需求决定的，则不存在与该可选-平台模块相关的有无类约束关系。下表的作用在于：为不同产品主结构中的模块约束关系分析提供了一个框架，按照该框架可全面地分析出各类约束关系。
从下表可以看出，当忽略与模块对象的关联时，上述约束关系可以归纳为六类：“模块A有无-模块B有无”约束、“模块A有无-模块B类型”约束、“模块A有无-模块B参数”约束、“模块A类型-模块B类型”约束、“模块A类型-模块B参数”约束、“模块A参数-模块B参数”约束。将这六类约束简记为：“有无-有无”、“有无-类型”、“有无-参数”、“类型-类型”、“类型-参数”、“参数-参数”，可以用于描述模块配置规则的类别。
Figure BDA0002898842730000302
Figure BDA0002898842730000311
Figure BDA0002898842730000321
从配置规则的作用来看，模块配置规则可分为两种：起推理作用的配置规则和起约束校核作用的配置规则。起推理作用的配置规则可以用产生式规则(if()，then())、函数关系y＝f(x)等进行表达，当输入参数/条件后，通过规则推理或函数计算出输出。起约束校核作用的配置规则一般用可行组合对(参考CSP，如(体悬式电机，万向轴)为一个可行组合)、函数关系f(x，y)≥0等进行表达，当配置了两个模块的类型或参数取值后，通过可行组合对或函数关系判断所设置的类型或参数值是否满足约束。因此，上表中的各类模块配置规则具体的表现形式可能有四种：if()，then()、y＝f(x)、可行组合对、f(x，y)≥0。
完成各个模块之间的配置规则分析之后，即可构建模块配置规则表，具体如下表所示：
Figure BDA0002898842730000322
Figure BDA0002898842730000331
示例性地给出了某A型地铁产品平台的模块配置规则：
Figure BDA0002898842730000332
Figure BDA0002898842730000341
如上所述地，本发明提供了一种复杂机电产品平台构建方法，尤其涉及一种轨道交通车辆产品平台规划方法，通过模块划分、模块类型识别、模块实体设计构建产品主结构，并且构建需求-模块映射规则、产品平台定位规则、模块配置规则以支持产品的定制设计，为轨道交通车辆的模块化、通用化、谱系化提供了有力支持，有利于推动轨道交通车辆的产品平台建设，实现以较低的成本满足多样化的客户需求。
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规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：构建复杂机电产品的模块化结构树；其中，通过多层级模块划分方法构建所述复杂机电产品，尤其是轨道交通车辆产品的模块化结构树，通过构建统一、规范的模块化结构树，为实现以“模块”为载体的产品平台信息管理奠定基础；
步骤2：识别所述复杂机电产品模块类型；根据所述步骤1中构建的模块化结构树，将所述模块化结构树上的不可再分节点识别为平台模块和非平台模块，所述平台模块包括基本模块、通用模块、专用模块；其中，将识别的所述模块类型结果用于模块实体设计，用于构建产品主结构以实现需求驱动的产品定制设计；
步骤3：基于所述步骤2中模块类型识别的结果，进行各个模块的简统设计，以减少不必要、无价值的差异性；
步骤4：构建产品主结构，根据所述模块化结构树、所述模块类型识别结果、所述模块实体设计结果综合形成产品主结构；
步骤5：根据产品平台规划时的市场细分变量与产品平台规划的结果，构建产品平台的定位规则，以便新订单产品设计时可快速将客户订单定位到某一产品平台范围，并进一步基于该产品平台进行定制设计；
步骤6：构建需求-模块映射规则；通过构建不同产品平台下的客户需求与产品模块属性参数间的映射关系，支持将来基于产品平台的定制设计中新订单的需求向模块属性参数的快速转化；
步骤7：构建模块配置规则；通过构建产品主结构中不同模块间的约束关系，形成各产品主结构的模块配置规则表，保证模块配置时模块组合的合理性。
2.根据权利要求1所述的一种轨道交通车辆产品平台规划方法，所述步骤1具体包括：
1)产品实例BOM整理；按照动车组、城轨车辆、机车、客车车辆、货车车辆五大产品类别搜集企业已有产品实例BOM；把各车种的产品实例BOM列表后并确定各车种的基型产品，后续优先对各车种的基型产品进行模块划分；
2)模块化元结构树构建；提取各车种的产品BOM实例，利用基于BOM的多层级模块划分方法进行模块划分，然后通过模块划分获得各车种的模块化元结构树，所述模块划分包括系统级模块划分以及零部件级模块划分；
3)模块名称字典构建；根据所述步骤2中获得的各车种的模块化元结构树，通过对比分析各车种模块化元结构树的模块名称，同时基于铁道车辆命名规则，构建统一、规范的轨道交通车辆模块名称字典；在完成模块名称字典构建后，再对各车种的模块化元结构树进行名称更新；
4)模块化实例结构树构建；根据构建的所述模块化元结构树与构建的所述模块名称字典，通过对比分析分别获得名称规范化的动车组、城轨车辆、机车、客车车辆、货车车辆五类产品的模块化实例结构树。
3.根据权利要求1所述的一种轨道交通车辆产品平台规划方法，所述步骤2具体包括：根据“模块相似度”与“模块使用度”两个指标将所述模块类型识别为平台模块和非平台模块；其中，所述“模块相似度”是指同一模块的不同模块实例在性能、尺寸、接口方面的相似程度；所述“模块使用度”是指模块在现有产品实例中的使用频率；其中，针对“模块相似度”，通过计算同一模块下任意两个模块实例间的相似度的平均值获得，而两个模块实例之间的相似度可以通过计算两者的技术参数相似度的平均值获得；针对“模块使用度”，通过统计现有产品实例中使用所述模块的频次，并计算其使用频率获得模块的使用度，预设规则如下：
if{模块相似度≥εand模块使用度＝1},then{模块＝基本模块}；
if{模块相似度≥εand andλ≤模块使用度<1},then{模块＝通用模块}；
if{模块相似度≥εand and 0≤模块使用度<λ},then{模块＝专用模块}；
if{0≤模块相似度<ε},then{模块＝非平台模块}；
其中，ε、λ分别是模块的相似度阈值与使用度阈值；其中，ε、λ分别设置为0.7、0.3；
其中，所述步骤7具体包括：根据产品主结构中定义的模块，对其中任意两种模块之间的配置规则进行分析，确定模块之间的约束关系；根据确定的模块之间的所述约束关系，构建模块配置规则表；其中，所述约束关系包括：1)必选-非平台模块之间的约束关系；2)必选-非平台模块与可选-平台模块之间的约束关系；3)必选-非平台模块与可选-非平台模块之间的约束关系；4)可选-平台模块之间的约束关系；5)可选-平台模块与可选-非平台模块之间的约束关系；6)可选-非平台模块之间的约束关系。
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