基于全生命周期的高速列车多层级驱动映射系统设计

仲崇成 李恒奎 徐刚 张玉琢

摘   要：面向高速列车的多样化、个性化需求，以某型动车组为例，基于全生命周期设计了高速列车多层驱动映射系统。将高速列车产品需求贯穿在自顶向下逐级映射的设计过程中，从而实现设计需求、指标的逐层分解，推进整个设计的进程。该系统不仅能解决高速列车不同领域的数据统一组织和不同模块的数据统一表达，也能支持高速列车需求参数的自顶向下逐级映射。

关键词：高速列车  需求  多层级  映射规则

中图分类号：TH16                                  文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2019）02（b）-0072-02

在高速列车产品研发设计制造的全生命周期中，需求是产品研发设计制造的源头。在传统的高速列车设计研发领域中，主要依赖于对经验设计所得的详细设计模型和物理样机进行性能及结构优化，使其研发的周期长，难以快速响应客户需求[1-2];并且高速列车由于存在复杂的多层次、多学科、多领域耦合关系，难以打通需求与方案设计之间的通道，没有有效的驱动机制来使需求自顶向下逐层映射[3-4]。如何建立一种不仅能够适应多样化、个性化的研发需求而且能够实现产品的自顶向下驱动设计是一个亟待解决的问题。

因此，本文开发了一套高速列车产品多层级映射设计系统，以某型高速列车面向需求的多层级驱动映射设计为例，能有效实现个性化、多样化高速列车产品的快速、精细化设计。

1  多层级驱动映射过程

面向高速列车主体、关键技术、旅客等各种个性化、多样化的需求，在高速列车设计过程中，根据产品设计过程的不同阶段和产品设计属性分类建立一个产品需求-技术指标-产品配置模型-设计几何模型的多级驱动映射过程如图1所示。将需求贯穿在自顶向下逐级映射的产品设计模型中。

第一级驱动以需求参数为输入，对其进行采集、聚类、整合等，形成高速列车复杂的需求模型， 由需求分析转化为技术指标，通过需求与功能和性能之间的映射关系，推理计算得出产品的技术指标; 第二级驱动以技术指标为输入，根据功能、性能约束与结构的映射关系，驱动基于各种性能和结构约束推导的结构参数求解模型，从而得到相应的结构参数;第三级驱动以结构参数为输入，驱动参数化三维几何设计模型，支持下一步相应的仿真分析并进行可视化验证。

2  高速列车需求采集与映射

合理、统一地构建高速列车的产品需求模型、技术指标模型以及产品模型，能够有效地解决高速列车产品研发的数据一致性表达问题，有助于实现不同设计阶段之间的数据关联和映射，提高产品设计研发效率。产品结构树是产品设计模型构建与管理的核心。每一个阶段都有不同的结构树模型与之相对应，然而目前的缺乏对设计前端特别是需求映射环节提供有效支撑。基于需求、技术指标、产品配置模型和设计几何模型之间的映射关系，将基于产品结构树的数据管理思想延伸到产品研发前端的需求分析阶段，从而实现产品全生命周期数据的一体化管理思路。元模型是关于模型的模型，是关于模型语义、集成和互操作等信息的描述。借鉴元模型建模思想，提出一种基于产品元结构树的高速列车结构化客户需求元模型、技术指标元模型以及产品配置元模型的建模和表达技术。首先给出产品元结构树的定义，并建立高速列车产品元结构树;再以此作为产品需求模型等的载体和核心，构建出统一的结构化需求元模型、技术指标元模型等。

首先，基于需求元模型，对高速列车进行需求采集，可以通过输入核心需求（最高运营速度、路网类型、载客量、运营环境等）进行映射得到需求元模型实例。在采集好的需求基础上将其面向结构树和子系统进行分解，设计师可根据客户需求对需求项数据值进行修改。在需求采集完成之后，调用高速列車映射规则库的知识，将需求数据实例映射为技术指标体系实例，最终得到该列车的产品技术指标。

3  高速列车产品配置设计

高速列车从需求到技术指标、产品配置模型和设计几何模型的逐层映射，需要建立各阶段的映射规则，并构建基于映射规则驱动的高速列车设计方法。高速列车客户需求具有多样化、个性化特点。需求映射涉及到不同学科之间的交流，借助于设计师的经验和知识来完成，造成了映射的准确性不足，效率不高以及知识积累和重用不够等问题。针对上述不足，提出一种基于映射规则驱动的高速列车产品需求到技术指标的映射方法，通过结构映射和数据映射来实现高效、精准合理的需求映射。

然后将其输入到后续的高速列车多层级驱动映射设计系统进行后续的产品配置赋值映射设计以及详细设计，并基于设计知识、实例知识以及映射规则，得到列车的产品配置模型实例。基于产品配置模型实例进行产品的配置设计以及变型设计，其余承载、走行、动力、其他组份模块也根据此过程进行设计。最终基于配置和变型设计的结果驱动各个模块设计几何模型并进行集成装配设计，输出整车三维模型。

最后，将本方法得到的该型号车的设计结果与企业现场实际设计中的设计结果相对比是基本一致的。

4  结语

本文以某型高速列车面向需求的多层级驱动映射设计为例，利用基于知识的映射规则，设计了一套高速列车产品多层级映射设计系统，满足高速列车多层级驱动映射的工程需求，推进其产品设计进程。但该系统还存在着一定的不足，如在映射规则的提取方法和技术指标的分解方法的选择还需深入研究，从而进一步提高驱动映射计算的有效性和准确性。

参考文献

[1] 都青华，邢海英，李瑞淳，等.高速动车组谱系化技术研究平台初探[J].兰州交通大学学报，2014（6）.

[2] 张海柱.面向产品谱系的高速列车转向架定制设计方法研究[D].西南交通大学，2017.

[3] 胡光忠，肖守讷，肖世德，等.机械产品模糊可重构设计原理与方法[J].西南交通大学学报，2013， 48（1）.