基于全生命周期的高速列車多層級驅(qū)動映射系統(tǒng)設(shè)計(jì)

仲崇成 李恒奎 徐剛 張玉琢

摘 ? 要：面向高速列車的多樣化、個性化需求，以某型動車組為例，基于全生命周期設(shè)計(jì)了高速列車多層驅(qū)動映射系統(tǒng)。將高速列車產(chǎn)品需求貫穿在自頂向下逐級映射的設(shè)計(jì)過程中，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)需求、指標(biāo)的逐層分解，推進(jìn)整個設(shè)計(jì)的進(jìn)程。該系統(tǒng)不僅能解決高速列車不同領(lǐng)域的數(shù)據(jù)統(tǒng)一組織和不同模塊的數(shù)據(jù)統(tǒng)一表達(dá)，也能支持高速列車需求參數(shù)的自頂向下逐級映射。

關(guān)鍵詞：高速列車 ?需求 ?多層級 ?映射規(guī)則

中圖分類號：TH16 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）02（b）-0072-02

在高速列車產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)制造的全生命周期中，需求是產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)制造的源頭。在傳統(tǒng)的高速列車設(shè)計(jì)研發(fā)領(lǐng)域中，主要依賴于對經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)所得的詳細(xì)設(shè)計(jì)模型和物理樣機(jī)進(jìn)行性能及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其研發(fā)的周期長，難以快速響應(yīng)客戶需求[1-2];并且高速列車由于存在復(fù)雜的多層次、多學(xué)科、多領(lǐng)域耦合關(guān)系，難以打通需求與方案設(shè)計(jì)之間的通道，沒有有效的驅(qū)動機(jī)制來使需求自頂向下逐層映射[3-4]。如何建立一種不僅能夠適應(yīng)多樣化、個性化的研發(fā)需求而且能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的自頂向下驅(qū)動設(shè)計(jì)是一個亟待解決的問題。

因此，本文開發(fā)了一套高速列車產(chǎn)品多層級映射設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以某型高速列車面向需求的多層級驅(qū)動映射設(shè)計(jì)為例，能有效實(shí)現(xiàn)個性化、多樣化高速列車產(chǎn)品的快速、精細(xì)化設(shè)計(jì)。

1 ?多層級驅(qū)動映射過程

面向高速列車主體、關(guān)鍵技術(shù)、旅客等各種個性化、多樣化的需求，在高速列車設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的不同階段和產(chǎn)品設(shè)計(jì)屬性分類建立一個產(chǎn)品需求-技術(shù)指標(biāo)-產(chǎn)品配置模型-設(shè)計(jì)幾何模型的多級驅(qū)動映射過程如圖1所示。將需求貫穿在自頂向下逐級映射的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型中。

第一級驅(qū)動以需求參數(shù)為輸入，對其進(jìn)行采集、聚類、整合等，形成高速列車復(fù)雜的需求模型， 由需求分析轉(zhuǎn)化為技術(shù)指標(biāo)，通過需求與功能和性能之間的映射關(guān)系，推理計(jì)算得出產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo); 第二級驅(qū)動以技術(shù)指標(biāo)為輸入，根據(jù)功能、性能約束與結(jié)構(gòu)的映射關(guān)系，驅(qū)動基于各種性能和結(jié)構(gòu)約束推導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)求解模型，從而得到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù);第三級驅(qū)動以結(jié)構(gòu)參數(shù)為輸入，驅(qū)動參數(shù)化三維幾何設(shè)計(jì)模型，支持下一步相應(yīng)的仿真分析并進(jìn)行可視化驗(yàn)證。

2 ?高速列車需求采集與映射

合理、統(tǒng)一地構(gòu)建高速列車的產(chǎn)品需求模型、技術(shù)指標(biāo)模型以及產(chǎn)品模型，能夠有效地解決高速列車產(chǎn)品研發(fā)的數(shù)據(jù)一致性表達(dá)問題，有助于實(shí)現(xiàn)不同設(shè)計(jì)階段之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和映射，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)效率。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹是產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型構(gòu)建與管理的核心。每一個階段都有不同的結(jié)構(gòu)樹模型與之相對應(yīng)，然而目前的缺乏對設(shè)計(jì)前端特別是需求映射環(huán)節(jié)提供有效支撐。基于需求、技術(shù)指標(biāo)、產(chǎn)品配置模型和設(shè)計(jì)幾何模型之間的映射關(guān)系，將基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的數(shù)據(jù)管理思想延伸到產(chǎn)品研發(fā)前端的需求分析階段，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)的一體化管理思路。元模型是關(guān)于模型的模型，是關(guān)于模型語義、集成和互操作等信息的描述。借鑒元模型建模思想，提出一種基于產(chǎn)品元結(jié)構(gòu)樹的高速列車結(jié)構(gòu)化客戶需求元模型、技術(shù)指標(biāo)元模型以及產(chǎn)品配置元模型的建模和表達(dá)技術(shù)。首先給出產(chǎn)品元結(jié)構(gòu)樹的定義，并建立高速列車產(chǎn)品元結(jié)構(gòu)樹;再以此作為產(chǎn)品需求模型等的載體和核心，構(gòu)建出統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)化需求元模型、技術(shù)指標(biāo)元模型等。

首先，基于需求元模型，對高速列車進(jìn)行需求采集，可以通過輸入核心需求（最高運(yùn)營速度、路網(wǎng)類型、載客量、運(yùn)營環(huán)境等）進(jìn)行映射得到需求元模型實(shí)例。在采集好的需求基礎(chǔ)上將其面向結(jié)構(gòu)樹和子系統(tǒng)進(jìn)行分解，設(shè)計(jì)師可根據(jù)客戶需求對需求項(xiàng)數(shù)據(jù)值進(jìn)行修改。在需求采集完成之后，調(diào)用高速列車映射規(guī)則庫的知識，將需求數(shù)據(jù)實(shí)例映射為技術(shù)指標(biāo)體系實(shí)例，最終得到該列車的產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)。

3 ?高速列車產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)

高速列車從需求到技術(shù)指標(biāo)、產(chǎn)品配置模型和設(shè)計(jì)幾何模型的逐層映射，需要建立各階段的映射規(guī)則，并構(gòu)建基于映射規(guī)則驅(qū)動的高速列車設(shè)計(jì)方法。高速列車客戶需求具有多樣化、個性化特點(diǎn)。需求映射涉及到不同學(xué)科之間的交流，借助于設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)和知識來完成，造成了映射的準(zhǔn)確性不足，效率不高以及知識積累和重用不夠等問題。針對上述不足，提出一種基于映射規(guī)則驅(qū)動的高速列車產(chǎn)品需求到技術(shù)指標(biāo)的映射方法，通過結(jié)構(gòu)映射和數(shù)據(jù)映射來實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)合理的需求映射。

然后將其輸入到后續(xù)的高速列車多層級驅(qū)動映射設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)的產(chǎn)品配置賦值映射設(shè)計(jì)以及詳細(xì)設(shè)計(jì)，并基于設(shè)計(jì)知識、實(shí)例知識以及映射規(guī)則，得到列車的產(chǎn)品配置模型實(shí)例。基于產(chǎn)品配置模型實(shí)例進(jìn)行產(chǎn)品的配置設(shè)計(jì)以及變型設(shè)計(jì)，其余承載、走行、動力、其他組份模塊也根據(jù)此過程進(jìn)行設(shè)計(jì)。最終基于配置和變型設(shè)計(jì)的結(jié)果驅(qū)動各個模塊設(shè)計(jì)幾何模型并進(jìn)行集成裝配設(shè)計(jì)，輸出整車三維模型。

最后，將本方法得到的該型號車的設(shè)計(jì)結(jié)果與企業(yè)現(xiàn)場實(shí)際設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)結(jié)果相對比是基本一致的。

4 ?結(jié)語

本文以某型高速列車面向需求的多層級驅(qū)動映射設(shè)計(jì)為例，利用基于知識的映射規(guī)則，設(shè)計(jì)了一套高速列車產(chǎn)品多層級映射設(shè)計(jì)系統(tǒng)，滿足高速列車多層級驅(qū)動映射的工程需求，推進(jìn)其產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)程。但該系統(tǒng)還存在著一定的不足，如在映射規(guī)則的提取方法和技術(shù)指標(biāo)的分解方法的選擇還需深入研究，從而進(jìn)一步提高驅(qū)動映射計(jì)算的有效性和準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

[1] 都青華，邢海英，李瑞淳，等.高速動車組譜系化技術(shù)研究平臺初探[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（6）.

[2] 張海柱.面向產(chǎn)品譜系的高速列車轉(zhuǎn)向架定制設(shè)計(jì)方法研究[D].西南交通大學(xué)，2017.

[3] 胡光忠，肖守訥，肖世德，等.機(jī)械產(chǎn)品模糊可重構(gòu)設(shè)計(jì)原理與方法[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013， 48（1）.