基于企業(yè)信息化管理的電氣設計協(xié)同平臺構建

（中車長春軌道客車股份有限公司研發(fā)綜合管理部，130062，長春∥工程師）

基于企業(yè)信息化管理的電氣設計協(xié)同平臺構建

周勇志

（中車長春軌道客車股份有限公司研發(fā)綜合管理部，130062，長春∥工程師）

電氣設計過程管理體系的建設是提升產(chǎn)品研發(fā)體系的重要組成環(huán)節(jié)，能直接反映出企業(yè)設計水平和信息化建設水平。通過對國內相關企業(yè)現(xiàn)狀的調研分析，并結合企業(yè)現(xiàn)有信息化手段，對企業(yè)的整體電氣設計模式進行梳理，從基礎物料管理、過程協(xié)同管理、設計數(shù)據(jù)管理、設計變更管理、設計質量管理等方面進行分析論證，構建了一套基于企業(yè)信息化管理的電氣設計協(xié)同平臺架構體系。

企業(yè)信息化管理；電氣設計；協(xié)同平臺

Author′saddressCRRC Changchun Railway Vehicles Co．，Ltd．，130062，Changchun，China

裝備制造企業(yè)的電氣設計具有協(xié)同環(huán)節(jié)多、交互數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)關聯(lián)性強、變更頻繁、設計成果標的種類繁多等特點，存在協(xié)同難、交互難、管理難、歸檔難等系列問題，致使電氣設計過程難以協(xié)同和管理，不僅容易產(chǎn)生高昂的設計成本，同時存在數(shù)據(jù)安全隱患，成為困擾大多數(shù)裝備制造企業(yè)的一大難題。本文以軌道交通裝備制造企業(yè)為研究對象，基于企業(yè)的產(chǎn)品生命周期管理（PLM）系統(tǒng)框架，以契合目前的設計模式、沿用設計工具、繼承歷史數(shù)據(jù)為原則，研究并建立一套針對電氣設計過程的管理體系（見圖1），這對于我國裝備制造企業(yè)向“工業(yè)4．0”轉型及實現(xiàn)“中國制造2025”目標都具有現(xiàn)實意義。

圖1 電氣設計過程管理體系

1 電氣設計現(xiàn)狀分析

我國軌道交通裝備制造企業(yè)通過對國外先進技術的多年探索研究與消化吸收，對高速動車組電氣設計已經(jīng)形成了固化的設計流程和設計規(guī)范，適用于軌道車輛產(chǎn)品的全新設計和復用設計兩種電氣設計模式。但隨著客戶需求向個性化和多樣性發(fā)展，特別是在產(chǎn)品交付周期縮短的趨勢下，現(xiàn)有設計模式也凸顯出在數(shù)據(jù)管理、流程管理、變更管理及協(xié)同設計等方面的諸多管理問題。

現(xiàn)有電氣設計模式可大致分為方案設計、原理設計、接線設計、路由設計4個階段。由于各階段設計工具和管理系統(tǒng)均不相同，因此，各階段輸出物格式也不同，導致產(chǎn)生以下問題：設計數(shù)據(jù)傳遞性和沿用性不強，數(shù)據(jù)需要依靠手動重復錄入；設計數(shù)據(jù)缺少統(tǒng)一知識庫的支撐，造成設計數(shù)據(jù)不對稱，需要依靠人為反復校核；沒有結構化設計數(shù)據(jù)，無法統(tǒng)一進行版本管理；過程交互數(shù)據(jù)沒有保存，往往無法追溯。

其中路由設計過程則更加繁復。線束的路由設計往往處在整個電氣設計階段的后期，其需要的輸入數(shù)據(jù)往往是多設計階段、多專業(yè)和多學科的，如布線設計方案、接線設計線束表、設備布置圖、電氣結構圖等。在此基礎上展開的線束路由設計工作，有時往往前端設計的一個微小變更，就會對路由設計階段工作造成巨大的影響，造成很多不必要的重復勞動，嚴重制約了設計效率。

此外，現(xiàn)有的產(chǎn)品自技術引進以來，已經(jīng)存在多種平臺化產(chǎn)品，但是這些平臺產(chǎn)品中各個設計環(huán)節(jié)對應的設計數(shù)據(jù)無專業(yè)的電氣設計平臺系統(tǒng)進行儲存和管理。

綜合目前電氣設計的現(xiàn)狀（見圖2），需要盡快通過信息化的手段來建立電氣設計協(xié)同平臺，將各設計階段數(shù)據(jù)流打通，建立結構化數(shù)據(jù)庫，使各環(huán)節(jié)在輸入和輸出設計數(shù)據(jù)方面實現(xiàn)無縫交互和集中化平臺管理，同時將設計過程數(shù)據(jù)及變更數(shù)據(jù)通過電氣設計協(xié)同平臺進行管理和調用，并直接支持后續(xù)工作的完成，最大程度地確保數(shù)據(jù)的可追溯性與復用性。

圖2 電氣設計現(xiàn)狀

2 電氣設計協(xié)同平臺

2．1 整體構架

作為“中國制造2025”中10個優(yōu)先重點發(fā)展領域之一的軌道交通裝備制造，如何能夠從電氣設計的角度來實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新，首先需要把電氣工程師從繁瑣低效的設計模式中解放出來，需要提供大量的數(shù)據(jù)幫助工程師進行既有產(chǎn)品功能分析，讓工程師能夠通過創(chuàng)新設計來提升產(chǎn)品的市場競爭力。

構建電氣設計協(xié)同平臺（見圖3），目標是將目前電氣設計過程中的瓶頸問題進行整理與解決，實現(xiàn)在平臺下對電氣設計過程的各類基礎數(shù)據(jù)（標準符號、規(guī)范化元件、標準化回路、標準功能模塊、平臺基礎項目等）、設計數(shù)據(jù)（各階段的相關數(shù)據(jù)、圖紙及各類統(tǒng)計報表、外部參考文檔或項目等）、數(shù)據(jù)接口（PLM、制造執(zhí)行、仿真等）、設計任務、設計需求及變更等進行高效、安全、統(tǒng)一的管理。

圖3 電氣設計協(xié)同平臺整體構架

在此基礎上，實現(xiàn)平臺下電氣設計過程中各類數(shù)據(jù)的集中共享，通過部門分工、人員權限及流程管控，確保設計數(shù)據(jù)的安全性以及團隊成員各類信息推送的及時性。此外，平臺要能夠自動記錄各類相關操作，如設計任務規(guī)劃、人力資源調配、執(zhí)行狀態(tài)反饋、任務計劃跟蹤及項目主控板公示等，便于設計人員對整個項目的狀態(tài)了然于心。

電氣設計協(xié)同平臺需要結合信息化手段進行建設，需要采用優(yōu)化設計方式方法，通過模塊化設計模式來實現(xiàn)電氣設計智能化，為智能制造提供完整的基礎數(shù)據(jù)。另外，通過對電氣設計協(xié)同平臺的維護，保持平臺在運行過程中對后臺數(shù)據(jù)的多維度性，為企業(yè)后期的大數(shù)據(jù)應用提供電氣部分的有效支持，支撐企業(yè)未來對于客戶需求的把控分析、產(chǎn)品預先服務支持及產(chǎn)品元件優(yōu)化統(tǒng)型等需求。

電氣設計協(xié)同平臺不僅著眼于企業(yè)內部需求，還要響應“中國制造2025”對制造型企業(yè)的要求，與整個產(chǎn)品外協(xié)企業(yè)一起實現(xiàn)信息共享與異地協(xié)同設計，共同打造現(xiàn)代軌道交通設備制造產(chǎn)業(yè)鏈。

2．2 基礎數(shù)據(jù)管理

基礎數(shù)據(jù)管理是整個電氣設計協(xié)同平臺的核心之一，設計人員在電氣設計的整個過程中所使用的基礎要素都需要從這里獲取。基礎數(shù)據(jù)管理要實現(xiàn)在眾多電氣設計歷史項目中快速整理并形成平臺下的電氣標準件數(shù)據(jù)，對電氣設計過程中需要的各類符號、報表、器件等進行規(guī)范并完善，逐步形成電氣專業(yè)集中共享的標準件數(shù)據(jù)庫。標準件數(shù)據(jù)庫包含準確的各類電氣參數(shù)信息、安裝尺寸信息以及用于采購和形成BOM的物料編碼等，不僅如此，還要包括器件或部件的結構化信息，及其在不同類型圖紙中對應的各類標準化符號。

設計人員在各設計階段可以對標準件數(shù)據(jù)庫的基礎數(shù)據(jù)進行快速查詢、預覽與項目調用。數(shù)據(jù)庫的維護工作即對元件、符號等的增、刪、改等由專人負責，通過平臺的協(xié)同功能發(fā)布更新信息。

2．3 車型平臺規(guī)范化

目前大多數(shù)軌道交通車輛制造企業(yè)現(xiàn)有的基礎車型平臺復雜多樣，涵蓋多種鐵路與城市軌道交通的各類車型，設計工具與設計模式也存在較大差異，因此，需對車輛電氣功能組編號、位置區(qū)域編號、器件編號、線號編號以及圖紙編號等進行規(guī)范統(tǒng)一，設計圖紙的構圖風格及報表格式等差異也需要進行梳理和規(guī)范統(tǒng)一。

電氣設計協(xié)同平臺的建設需要從專業(yè)角度將繁雜的車型平臺進行整合，完善現(xiàn)有的企業(yè)規(guī)范，并確保電氣設計協(xié)同平臺下的各車型制造平臺項目數(shù)據(jù)規(guī)范一致，方便工程師在后期的數(shù)據(jù)應用。

各車型平臺的電氣項目目前已基本形成功能組與位置區(qū)域，各類圖紙能夠按照功能和區(qū)域的劃分進行設計繪制，已經(jīng)初步形成了模塊化應用，但是還需要繼續(xù)對現(xiàn)有的功能與區(qū)域進行細化。特別是對于常用的基礎回路、可替換回路、用戶可選功能回路及可替換元件等需要進行梳理并進行新模塊定義，將基礎項目拓展成為包含多種可選功能的復合型項目，使設計人員可以在設計協(xié)同平臺下對該車型項目進行基礎功能模塊和可選功能模塊查閱。不僅如此，完成各平臺車型的規(guī)范化后，還可以考慮跨車型平臺的功能對比分析，為后續(xù)通用模塊化的推行提供可視化的數(shù)據(jù)分析基礎。

2．4 設計數(shù)據(jù)管理

電氣設計協(xié)同平臺負責對既有車型的電氣相關數(shù)據(jù)按照設計階段及專業(yè)進行統(tǒng)一分類管理，按照縱向車型平臺及衍生項目的模式，以及橫向電氣功能模塊的方式對項目包含的功能組、子功能模塊、位置區(qū)域、設備器件、圖紙、報表及接口數(shù)據(jù)等進行梳理和管理，并對存檔項目下的各子項進行版本控制。

設計人員可以對車型平臺、訂單代碼、功能組模塊、位置區(qū)域、設備器件及線號等歷史數(shù)據(jù)進行查詢及下載引用。電氣設計協(xié)同平臺支持對項目下圖紙的在線預覽，幫助用戶直觀快速了解模塊或區(qū)域的相關設計內容。車型平臺的復合型項目，數(shù)據(jù)管理將能夠支持按照功能及子模塊、位置區(qū)域或設備器件等配置選項進行定義，快速幫助設計人員自動按照客戶需求完成由復合型項目向生產(chǎn)型項目的轉換工作，并自動更新后端部門所需的相關文檔。設計人員僅對客戶個性化并且沒有在復合型項目中出現(xiàn)過的部分進行子項目設計，子項目亦可快速同步至復合型項目中，便于下一次新項目的引用。

2．5 知識庫管理

目前在各類電氣設計項目執(zhí)行過程中已經(jīng)形成了各類專業(yè)規(guī)范，也積累了許多應用設計經(jīng)驗，但這些規(guī)范或經(jīng)驗等信息僅僅是通過網(wǎng)絡共享硬盤等零散保存。因此，電氣設計協(xié)同平臺下的知識庫管理也非常重要，要能夠幫助設計人員更好地組織信息和分享信息，使用及提供搜尋功能，形成研發(fā)部門的共享文化、團隊文化和學習文化，幫助設計人員破除傳統(tǒng)的獨占觀念，加強協(xié)作。

知識庫需要包含各種電氣設計專業(yè)規(guī)范與標準，同時需要激勵設計人員將自己的寶貴經(jīng)驗進行分享，電氣設計協(xié)同平臺可以對這些“金點子”進行打分和評價，并能夠直接進行收藏和轉發(fā)。對于電氣設計團隊的專家，也可以通過該平臺將他們的設計經(jīng)驗進行傳遞和轉換，使設計人員可以通過問答系統(tǒng)來獲得專家的快速回復，并通過企業(yè)信息化平臺進行共享推送，其他設計人員也可以根據(jù)詞條快速查找到自己需要的設計資源及關聯(lián)信息。知識庫的管理模型見圖4。

圖4 知識庫管理模型

2．6 設計任務管理

由于企業(yè)電氣研發(fā)部門人員眾多，通常設計任務都是通過多人協(xié)作的模式來完成的。對于新項目的分配落實與跟蹤都是通過逐級“人盯人”的方式進行追蹤管理。在電氣設計協(xié)同平臺下，項目發(fā)起人或電氣項目經(jīng)理可通過自頂向下逐級分解的模式，將完整車型設計任務分解成帶層次的各項子任務，形成可以并行設計的子項目。

項目負責人員在平臺下可以對分解后的各子項目，定義參與人員和起止時間，查閱任務執(zhí)行狀態(tài)，完成相關數(shù)據(jù)及文件的上傳與下載，并可直接進行通知發(fā)放操作，最終形成串并聯(lián)的任務執(zhí)行圖。項目經(jīng)理可以快速查看當前各個子項目的執(zhí)行狀態(tài)，通過平臺自動統(tǒng)計人員的執(zhí)行時間（見圖5）。

圖5 設計任務管理界面

依據(jù)精細化管理理念，平臺的設計任務管理功能可幫助企業(yè)實現(xiàn)目標細分及任務細分、流程細分，并將逐步向精確計劃與精確考核的可量化方向發(fā)展。這個任務管理面板就像個光榮榜一樣，記錄各個員工的成績，可以通過它排出員工在各設計階段的各種排名，充分調動員工的積極性。這樣的透明化管理方式將直接展現(xiàn)員工的自我價值，能夠讓團隊所有人員受到公正的評價與激勵。

2．7 設計過程管理

在現(xiàn)有模式下后端開展設計時，存在較多的重復工作與數(shù)據(jù)的不一致性，因此，必須打通系統(tǒng)到原理到接線到布線的設計數(shù)據(jù)推送與接收接口，實現(xiàn)各環(huán)節(jié)間的數(shù)據(jù)無縫推送，使得設計數(shù)據(jù)具備安全性、完整性、繼承性等特點，確保設計過程的高效開展。

基于設計數(shù)據(jù)管理思路，開辟設計協(xié)同工作區(qū)，對電氣設計各環(huán)節(jié)過程數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理。基于設計任務管理思路，平臺可以與企業(yè)內部的通訊工具進行集成，在本環(huán)節(jié)設計任務完成后直接進行任務推送，并自動接收由上一環(huán)節(jié)推送的數(shù)據(jù)及任務包（見圖6）。

圖6 設計過程管理構架

2．8 設計變更管理

在電氣設計協(xié)同平臺下，各個設計階段對應的設計輸出都需要進行嚴格的版本控制，并對本階段的設計狀態(tài)進行快照凍結。對新項目的改版，可通過流程管控啟動對凍結項目的在線編輯。各部門圖紙在變更升版過程中，自動啟動平臺的版本差異輸出單，詳細記錄本部門電氣數(shù)據(jù)的相關變化，同時，為確保項目能夠回滾，升版過程要確保改動前的項目可自動保存。

各環(huán)節(jié)的變更內容將作為變更信息報文，推送給項目團隊的各相關人員。對于差異報文中與設計關聯(lián)的部分，協(xié)同平臺可以對這些變更內容進行差異對比和同步，減少設計人員的人工修改工作。變更執(zhí)行完畢后，系統(tǒng)可以自動輸出該環(huán)節(jié)的差異單，并保存用戶回滾的子項目數(shù)據(jù)。

2．9 智能化電氣設計

通過車型平臺基礎數(shù)據(jù)規(guī)范整理與復合型項目數(shù)據(jù)的錄入，未來的電氣設計模式可以參考在協(xié)同平臺中導入的對客戶提供的標準化功能模塊，這些項目對應的模塊可以快速與平臺下的復合型項目構成匹配。復合型項目可以通過用戶的選擇進行自行配置，無須設計人員進行重復選擇。協(xié)同平臺依據(jù)配置自動將復合型項目快速創(chuàng)建，輸出獨立的用戶定制產(chǎn)品項目生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并作為和產(chǎn)品唯一對應的售后服務文檔。

項目中其他電氣元件的選擇，也可以通過用戶對型號或價格的要求來指定可替代的電氣元件，BOM等報表數(shù)據(jù)可以即時自動更新。已完成設計的項目數(shù)據(jù)，可以繼續(xù)提供給后續(xù)的測試平臺、車間制造執(zhí)行系統(tǒng)及裁線打號機。通過對協(xié)同平臺后臺的大數(shù)據(jù)挖掘，還可持續(xù)提升后端的設計與生產(chǎn)效率。

由于目前一些企業(yè)車型平臺的電氣圖紙構圖風格存在差異，項目結構和命名編碼體系等也存在差異，需要首先對這些分歧點進行統(tǒng)一和標準化處理，減少設計人員對不同車型平臺所造產(chǎn)品的數(shù)據(jù)維護工作，為后續(xù)電氣模塊化設計掃清障礙，最終實現(xiàn)智能化電氣設計（見圖7）。

圖7 電氣設計協(xié)同平臺目標規(guī)劃

3 結語

為了驗證電氣設計協(xié)同平臺的可建造性，目前已經(jīng)在相關企業(yè)電氣對接線設計環(huán)節(jié)及路由設計環(huán)節(jié)進行了數(shù)據(jù)提取分析及流程優(yōu)化測試研究。測試分析結果表明，對于路由設計需要的基礎數(shù)據(jù)，可以通過其后臺的數(shù)據(jù)庫文件提取至路由設計的SQL server數(shù)據(jù)庫中，協(xié)助線纜路由設計工程師快速開展布線設計工作，由此提高路由設計效率，增強設計數(shù)據(jù)的交互傳遞。

在電氣設計協(xié)同平臺下，可對基于方案設計的布局圖進行文本識別分析，并直接調用CAD圖紙環(huán)境進行線束路由設計，且路由設計數(shù)據(jù)可由CAD圖形進行導航（見圖8）。另外，可以直接讀取各電氣子系統(tǒng)設計數(shù)據(jù)，并進行整合及版本差異分析；工藝部門可在平臺內在線直接打開圖紙數(shù)據(jù)庫對路由數(shù)據(jù)進行分析及修正反饋，可根據(jù)線纜路由數(shù)據(jù)，自動分析、匯總及統(tǒng)計線束長度并保存。

將設計各個階段的設計輸出及過程數(shù)據(jù)進行提取，并統(tǒng)一在電氣設計協(xié)同平臺進行信息共享，通過平臺及PLM的流程管控，讓各個環(huán)節(jié)的設計人員都能夠從數(shù)據(jù)的流轉中及時獲取項目信息，勢必能夠使企業(yè)整體電氣設計水平有較大的提升。電氣設計協(xié)同平臺有著廣泛的業(yè)務需求和應用前景，值得繼續(xù)深入研究并應用推廣。

圖8 路由協(xié)同設計流程

［1］ 田峰．精益研發(fā)2．0：面向中國制造2025的工業(yè)開發(fā)［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2016．

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［3］ 路庸祥，周濟．中國制造2025重點領域技術路線圖［M／OL］．（2015－03－01）［2016－07－14］http：∥www．wtoutiao．com．

Design of New Electrical Coordination Platform Based on Enterprise Informatization Management

ZHOU Yongzhi

Electrical design process management system is a key of lean development system，which directly affects the entire informatization and design level of an enterprise．Through investigation of current rail transit design situation in China，and combined with the means of enterprise informatization technology，the electrical integrated design patterns of enterprises，including the basic component management，concurrent engineering management，design data management，changing process management and design quality management are analyzed and verified，in order to build up a coordination platform for electrical design based on the lean development of the system engineering methodology．

enterprise informatization management；electrical design；coordination platform

U270．2

10．16037／j．1007－869x．2017．02．029

2016－09－18）