基于PLM 的有軌電車電氣系統模塊化應用研究＊

時麗麗

（通號軌道車輛有限公司，湖南 長沙 410000）

模塊化設計作為在標準化理論的基礎上引入系統工程原理的一種現代設計方法，廣泛應用于各個行業。它可以最大限度地減少重復設計，縮短產品開發周期，降低開發成本[1]。產品生命周期管理（Product Lifecycle Management，簡稱PLM）系統是一種對產品生命周期全過程進行管理的計算機軟件系統，是企業產品信息的系統管理平臺。隨著中國智能制造2025 規劃的提出，國內裝備制造業龍頭廠商更加重視自身信息化建設，也逐漸廣泛地使用PLM 系統[2]。

在實際應用中，由于不同企業發展狀況、不同產品的模塊化設計水平、PLM 系統的建設階段、模塊化設計和PLM 系統有效結合程度等多因素影響，企業產品的設計、研發和生產受到嚴重制約。有軌車輛涉及內容廣泛，技術要求復雜，綜合性高，其模塊化設計要求相應提高。本文從有軌電車電氣系統的自身特點出發，對模塊化設計過程進行裁剪優化，將模塊化設計和PLM 系統有機結合，并應用于有軌電車電氣系統設計工作中，取得了良好效果，助力了企業的提質增效和改革創新。

1 PLM 系統與產品模塊化設計

1.1 PLM 系統總體架構

PLM 系統結合計算機技術、現代企業管理思想和智能制造技術等對產品全生命周期進行管理，實現了產品研發數據與市場、工藝、制造體系間，與上下游關聯企業的互聯互通，進而實現協同創新設計與管理。在研發體系中，PLM 與CAD、Proe/Cero 等計算機軟件的設計交互接口，實現對產品數據的存儲，與企業項目管理互聯互通，與企業知識管理資源共享。在企業制造層，與智能制造各個環節數據共享[3]。以典型的Windchill PLM 在公司產品開發過程中的應用為例，其總體架構如圖1 所示。

圖1 PLM 系統總體架構

1.2 電氣系統模塊化設計原則

有軌電車電氣系統功能復雜、零部件多樣、安全等級要求高，因此，在電氣系統的設計中需綜合考慮模塊化的各項設計原則。有軌電車電氣系統模塊化設計過程中遵循的主要設計原則有[4]：

（1）標準化、系列化原則：標準化、系列化是機車車輛“四化”的首要內容，在模塊化設計之初，應首先制定各類模塊的設計規范、接口定義標準，編制產品系列型譜等，在標準化、系列化的基礎上開展模塊化設計。

（2）通用性原則：通用性是標準化的延伸，是模塊劃分的重要依據。按照電氣系統各類模塊的通用性將模塊劃分為通用模塊與專用模塊。在PLM 系統中，產品模塊化設計后形成的產品族結構、模塊與接口、相關設計規范及產品文檔，共同組成模塊化產品平臺。專用模塊僅可在同一產品平臺內使用，通用模塊可跨產品平臺使用。

（3）擴展性原則：模塊在標準化、系列化、可通用性的基礎上，必須兼具可擴展性，以滿足產品進行配置設計和變型設計的需求。

（4）配置設計原則：模塊化設計實現產品多樣化的方式包括了通用模塊結合專用模塊的模塊化設計，通用模塊結合接口結構的模塊化設計，對通用模塊進行變型設計。因而模塊化設計的核心是配置設計，通過配置設計應能滿足大多數平臺產品的需求。對少數定制需求與產品提升，研發人員再進行變型設計與創新設計。

（5）優化更新原則：在產品生命周期內，定期對產品模塊的通用性、可靠性、經濟性等指標進行評價，對模塊平臺進行優化升級。

1.3 基于PLM 的模塊化管理

模塊化設計注重從產品系統整體出發，對產品進行系統的功能分析、結構劃分，通過標準化、系列化等分析設計得到產品模塊，因此，模塊化設計本身需要大量產品數據的支持。PLM 系統通過規則設置、產品物料清單（BOM)搭建、圖文檔與模型管理等方式對模塊數據進行系統的管理，支持產品的模塊化設計過程。基于PLM 系統的模塊化管理的核心內容如下：

（1）編碼與圖號規則

確定統一的編碼與圖號規則（規范）是模塊化設計的一部分。編碼的編制直接使用PLM 系統給出，PLM 根據模塊檢入的順序提供流水碼，作為模塊的唯一編碼。

為便于識別和區分，專用模塊與通用模塊的圖號使用不同的編制規則。專用模塊與普通的零部件圖號編制規則一樣，采用項目代號+產品結構代碼的規則進行編制，如先鋒號基型車（項目代號205）電氣系統的圖號為：205-01300000-00，中間8 位（01300000）為部件代碼，最后2 位（00）是零件代碼。在PLM 系統中顯示如圖2 所示。通用模塊需參照零部件的分類、通用模塊劃分型譜確定模塊的編碼，使用通用模塊編碼作為PLM 系統中通用模塊的圖號。

圖2 專用模塊圖號編制規則

（2）模塊管理

對應模塊化設計中的專用模塊與通用模塊，在PLM 系統中，分別建立專用模塊庫和通用模塊庫。專用模塊庫與產品庫共用文件夾，通用模塊庫需要錄入到專門的文件夾管理。

專用模塊庫和通用模塊庫實行分組、分權限管理。在PLM 系統中，由于數據的對象不僅限于研發體系人員，也有工藝、制造、服務系統的人員，模塊化與信息化程度高的企業還實現了跨企業的數據共享，使用權限的分級、分組管理也更加重要。一般設置通用模塊庫有更廣泛的查看權限，更嚴格的修改權限，專用模塊庫僅針對當前項目組的人員開放權限。

PLM 系統的零部件（模塊）的相關對象、歷史記錄、高級檢索等功能，大大提高了模塊化的使用效果和工作效率。相關對象功能自動查找模塊關聯的圖文檔、附件、項目任務等；歷史記錄功能提供模塊的歷史版本數據；使用情況功能可以查看當前模塊應用到的父級零部件，追溯到模塊所應用的產品。高級搜索功能可根據時間、模塊庫、人員等特定的條件對模塊數據進行統計，幫助模塊進行通用性、有效性、借用率等指標評價。

（3）BOM 管理

產品的物料清單（Bill of Material，簡稱BOM）是產品數據的重要組成部分，BOM 管理是企業信息化建設的主要內容。設計BOM 完成后，工藝制造人員還需根據工藝方法、制造條件對數據進行轉化調整，對應設計BOM 轉化為工藝BOM、制造BOM，最終PLM 系統中的BOM 數據與企業ERP 系統集成，服務產品生產。

（4）模塊化產品平臺的維護與升級

基于PLM 的模塊化管理與普通模塊化、標準化管理一樣，需要及時對PLM 系統中的各類數據進行更新。制定圖文檔的變更管理制度，優化變更流程，以保證系統的精簡高效運行。

2 有軌電車電氣系統模塊化設計流程

產品開發過程中，在市場需求確定后應首先開展產品的功能分析與評價，確定產品功能；其次根據產品功能確定主體結構模塊劃分，開展電氣各類子模塊的型譜規劃分析與評審。評審通過后，進入模塊詳細設計與發布階段。研發工程師借助計算機輔助設計軟件完成產品圖文檔、三維模型的設計，在PLM 系統中啟動發布流程。發布后的各類產品數據的集合組成模塊化產品平臺。使用同一個模塊化產品平臺的產品為平臺產品，不同模塊化產品平臺的產品定義為跨平臺產品。電氣系統作為低地板有軌電車產品平臺中的一個子系統，既是產品平臺的一部分，又可作為獨立的系統開展系統設計與平臺構建。

在建立模塊化產品平臺后，需要定期（模塊統計評價、標準化審查等）或不定期（設計變更、文檔更新等）地對平臺的信息進行維護與優化，以保證模塊化平臺的實時性與有效性。有軌電車電氣系統模塊化設計流程如圖3 所示。

圖3 電氣系統模塊化設計流程圖

3 有軌電車電氣系統模塊化設計

3.1 電氣模塊劃分

電氣系統依托于整車機械結構，同時又有獨立的產品功能與設計方法，因而在電氣系統主體結構搭建、電氣布置與線束級模塊設計、終端模塊設計中采用不同的模塊劃分策略。電氣主體結構模塊、布置模塊主要按照主體結構分層設計原則進行劃分；在線束、終端模塊，需要提取模塊的關鍵技術參數及主要變型因素，按照聚類原則建立模塊型譜，再參照模塊型譜開展模塊設計。結合有軌電車的機械結構和電氣系統的自身特點，將電氣系統模塊分為4 類，對應的主要劃分標準與劃分依據見表1。

表1 電氣系統模塊分類表

以5 模塊低地板有軌電車為例，車輛采用5 模塊3 轉向架形式，車輛編組為Mc1+F1+Tp+F2+Mc2+跨接裝置[5]，Mc1 與Mc2、F1 與F2 配置相同。5 模塊有軌電車的各級電氣系統結構劃分如圖4 所示。

電氣系統結構中，1-4 級結構為電氣系統的專用模塊，第5 級終端模塊為通用模塊或平臺內通用的專用模塊。平臺內產品通用的專用模塊在驗證評審可跨平臺通用時，可升級為PLM 系統中的通用模塊。使用模塊化的產品設計，將產品分解為多個通用模塊與專用模塊，通用模塊可以按市場預測需求安排生產，專用模塊也可以獨立地下達產品訂單，滿足市場需求，提高了產品的協同設計、協同生產能力。根據需求分別對3 級及以下模塊進行配置組合或變型設計，即可組合為新的有軌電車電氣系統。

3.2 電氣模塊化設計

（1）電氣線束模塊設計

電氣線束的組成元素多，有終端元件類型與數量、終端布置位置、電纜選型等，線束設計前可運用三維軟件和布線工裝進行預布線幫助，對線束進行分配。通過對線束進行合理劃分，同時預留擴展性接口和備用線纜，實現同一平臺產品內的線束模塊化。

以司機室線束為例，將線束按照起點位置、終端位置、中間部件、布線路徑等因素進行統計分析，合理劃分線束，再結合各終端類型、變型因素、可擴展的終端配置，進而形成不同的線束模塊，見表2。在城市有軌電車的產品中，同系列產品的結構尺寸相對固定，線束的主要變型因素為線纜類型、接口配置、可選配置，次要變型因素為線束與分支線束長度。

表2 司機室線束型譜表

（2）電氣終端模塊設計

電氣終端主要指各類電氣終端設備、終端元器件、機械液壓部件的電氣部分。終端模塊具有相對獨立的功能和通用接口，通用性強，多為可跨產品平臺的通用模塊。

通過對各類終端進行性能分析、統型確定電氣終端型譜。按照型譜分析確定產品最終的優選模塊，在PLM 系統中錄入電氣通用模塊化庫。以有軌電車前照燈模塊為例，對應型譜表如圖5 所示。

圖5 通用模塊型譜表及編碼規則

模塊化的終端部件及PLM 系統管理均面向產品全生命周期的所有環節，在提供必要設計信息的基礎上應在PLM 系統中補充模塊相關的技術協議、供應商技術文檔等信息作為模塊的關聯信息，以滿足不同階段用戶的使用需求。

3.3 電氣接口設計

電氣系統的物理接口分為兩類，第一類是標準物理接口（如標準通訊接口、影音設備的通用接口等），第二類為柜體、設備、車輛跨接等位置的物理接口（各類連接器）。針對第一類物理接口，需要對各類設備接口、對應通信協議等進行分析，最終針對同一種通訊協議確認統一的物理接口。第二類物理接口主要是連接器的選型及接口設計，在連接器的選型確定后，綜合考慮電磁兼容性、可擴展性、可維修性等因素后，確定統一的接口編號規則。

在PLM 系統中，第一類標準物理接口使用唯一的外購件編碼即可。針對第二類物理接口，通過對連接器的使用處進行統計分析，連接器插針型號及數量為主要變型因素，同時結合生產實際，連接器插針是制造及服務環節更換頻繁的零件，從而將接口模塊的BOM劃分為連接器外殼和連接器插針兩部分管理，大大減少了連接器的外購件編碼，提高了連接器的通用性。

4 結束語

采用基于PLM 的模塊化電氣系統設計，應用于有軌電車電氣系統設計研發和生產，產品的模塊化平臺在PLM 系統中搭建完成后，平臺型產品的研發周期縮短20%以上，產品成本降低10%～20%。整合優化后，可以更好地滿足產品多樣化需求，車輛90%以上的線束實現了模塊化制作與裝配，線束的擴展性和兼容性大大提高，同時線纜浪費減少，生產效率進一步提高。因此，將PLM 系統和模塊化設計有機結合，相互促進，不僅優化了電氣系統模塊化設計，而且助力企業降低成本，提高生產效率，提升產品競爭力，為產品的協同創新設計、柔性化與智能制造打下良好基礎。