面向铁路电气产品的技术状态管理方法研究

盛步云，夏 杰，陈贻堃，付高财，曹晶晶

(1.武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉 430070)(2.武汉理工大学湖北省数字制造重点实验室，湖北 武汉 430070)(3.武汉征原电气有限公司，湖北 武汉 430014)

铁路运输是我国居民中远距离出行方式的主要选择，我国铁路发展迅猛，铁路电气产品的规格和型号越来越丰富。针对产品的多样化和系列化，许多学者对产品配置方法进行了研究[1]。但很多企业对产品在其生命周期内数据的完整性和唯一性没有重视。目前铁路电气企业出现以下问题：1)缺少对研发过程的技术状态管理，产品研制过程中无法获取产品当前状态，常常在设计完成、准备生产时才发现问题。2)虽然许多企业引进了信息化管理系统如PDM(产品数据管理)、ERP(企业资源计划)、CAPP(计算机辅助工艺设计)等，但产品的需求、设计和制造相关技术文档保存比较分散。3)缺少对设计更改的控制，更改的控制不到位造成技术文件错用，最终导致严重的质量问题。因此铁路电气企业需要引进技术状态管理(configuration management，CM),良好的技术状态管理是进行产品配置、质量管理和项目管理的基础[2]。

技术状态管理起源于美国军事工业，后来在航空领域得到快速发展。到了21世纪，由于企业信息化软件的大量应用，给技术状态管理提供了便利，国内外许多专家学者对技术状态管理方法进行了研究。Whyte等[3]分析Airbus、CERN和Crossrail公司的管理变革，认为技术状态管理在大数据时代变得更加重要。Meszaros等[4]研究了CAD环境下产品概念设计阶段的技术状态管理。Monticolo等[5]提出了基于知识的技术状态管理元模型。温岚等[6]对技术状态文件的形成和组成进行了探讨与分析。陈畅宇等[7]提出了总装设计、总装工艺以及总装实做3种技术状态控制视图，并应用到卫星设备技术状态控制过程中。李联辉等[8]将技术状态管理应用于航空发动机的装配、维护、维修和大修中，并建立了AMRO系统。

上述专家学者对于技术状态管理技术的研究均在不同方面取得了一定的研究成果。但目前对于技术状态管理技术的研究主要集中在飞机和武器等复杂度非常高的超大型系统中，对于铁路电气产品在生命周期中的技术状态管理方法的实际指导意义较小。鉴于此，本文在已有研究的基础上，针对铁路电气产品的特点，分析铁路电气产品的研制过程，基于Petri网建立了技术状态管理过程模型。在铁路电气产品生命周期建立了产品需求基线、方案设计基线和最终产品基线3条基线，通过对基线的建立与审核保证各阶段设计和制造出的产品与需求一致，提高产品的一次研制成功率。然后结合戴明环建立技术状态更改控制模型，控制了技术状态更改的实施过程，保证技术人员在任何时候都可以得到唯一且正确的产品信息。

1 技术状态管理概述

技术状态管理在我国最早应用于军工领域，在航天领域称为构型管理，在其他领域也有被称为配置管理或组态管理。名称虽有差异，但基本内容是一致的，本文称之为技术状态管理。技术状态管理是确定和维护产品的功能特性和物理特性与产品需求和技术状态文件保持一致的活动[9]。基本思路是通过技术状态标识、控制、纪实和审核4个活动保证产品在设计和生产制造过程中始终保持一致。

基线是技术状态项在特定时刻的技术状态信息快照，也是之后产品设计和制造的依据。技术状态管理用文件描述产品在各个阶段的技术状态，称为技术状态文件。技术状态文件构成了技术状态项的基线，技术状态管理就是通过对技术状态文件的管理实现对产品研发过程的管控，控制成本与研发进度，保证最终产品完全满足产品的设计要求。

2 铁路电气产品技术状态管理过程建模

2.1 技术状态信息建模

在我国铁路电气行业，整车制造企业很少。大部分铁路电气企业只承担轨道列车部分系统设备的研发、制造工作。对于简单的产品，可以将这些企业交付的产品作为技术状态管理对象进行管理。对于复杂度高的产品，可将产品结构进行分解，如图1所示，将产品分解为顶层、底层和技术状态层。选择其中性能相对独立的模块为技术状态对象，也就是技术状态项(CI)。

图1 3层产品结构分解

顶层结构分解：顶层结构主要是同系列的产品共有的一些通用结构，可进一步分解为系统、分系统、部件等。

技术状态层分解：技术状态层是将产品进一步分解为功能和结构相对独立的技术状态项，各个CI之间通过接口关联。CI由底层的设计模块实现，并与底层的设计模块之间通过关联对象关联。

底层结构分解：底层结构主要由设计模块、组件和零件组成。组件由零件构成，组件和零件的不同组合构成了不同的设计模块。零件是各个产品的最基本的单元，是产品设计的结果，也是产品生产的起点，它包含零件的三维模型等具体设计数据。

依据产品分解结构，选择并产生多个技术状态项，将建立技术状态项模型(CIRM)用于描述技术状态项本身以及技术状态项之间的关联关系。

定义1，技术状态项关联模型可以描述为一个二元数组：

CIRM={CIMs,R}

(1)

式中：CIRM为技术状态项关联模型；CIMs为铁路电气产品所有技术状态项的集合；R={rid, type, value}，为技术状态项的接口，其中rid表示序号，type为接口类型，value为接口具体值。

定义2，CIMs为技术状态项及其属性和底层零件的集合：

CIMs={CIID,DM,LO,M,D,A}

(2)

式中：CIID为技术状态项的序号；DM={DM1,DM2,…,DMn}，表示设计模块集合，这些设计模块是技术状态项的实现方法；LO表示技术状态项与设计模块之间的关联关系；M={M1,M2,…,Mn}，为组成设计模块的零件集合；D={D1,D2,…,Dn}，为技术状态项关联的技术状态文档集合；A为技术状态项的相关属性。

2.2 产品生命周期基线演进分析

铁路电气产品生命周期包括设计、生产和使用3个过程，细分为需求确认、方案设计等7个阶段，如图2所示。在产品生命周期内建立以下3条基线描述产品的技术状态信息，通过“门禁管理”模式对研制过程进行阶段性审核控制。

图2 产品生命周期基线的演进

1)在需求确认后，建立产品需求基线。描述了产品的设计需求、功能定义和接口定义等。

2)在方案设计确定后，建立方案设计基线。描述了产品的总体设计和研制计划等。

3)设计定型后形成最终产品基线。完整地描述了整个产品的功能、结构、原理、详细图纸和各种类BOM等全部设计信息，在生产定型和批量生产阶段对最终产品基线完善、补充。

最终产品基线描述了产品最终技术状态，是对定型的产品最完整的描述，包含了产品最完整的技术状态信息，为产品重复生产和维护、维修等产品保障活动提供支持和依据。

2.3 基于Petri网的技术状态管理过程建模

通过对基线演变过程的分析，结合CIRM模型，借鉴Petri网模型对铁路电气产品技术状态管理过程建模，建立CMP模型。

定义1，CMP模型可以描述为一个六元数组：

CMP={P,T,Ar,Ms,CIMs,R}

(3)

式中：CMP为技术状态管理过程模型；P为有限库所集合，表示各种活动的开始和终止状态；T为有限变迁集合，表示执行的各种活动；Ar为有相连续弧的有限集；Ms表示技术状态管理活动进行的状态。

采用CMP模型对技术状态管理过程建模，如图3所示，共建立了17个库所和14个变迁，详见表1、表2。

图3 技术状态管理过程模型

表1 CMP模型库所及存放内容

表2 CMP模型变迁及执行过程

3 技术状态更改控制模型

在进行铁路电气产品研发过程中常会有技术更改的情况发生，为了维护产品技术状态信息的一致性，需要对产品技术状态更改进行有序的控制和记录。本文用基线描述产品的技术状态信息，技术更改就是对基线的更改，因此对基线的更改过程建立了控制模型。

PDCA循环模型也被称为戴明环，主要分为Plan、Do、Check、Act 4个部分[10]，形成了一个闭环结构。借鉴PDCA循环理论，将技术状态更改需求、技术状态更改申请、技术状态更改通知、技术状态更改审核、技术状态更改实施等控制节点加入到模型中，构建了实施技术状态更改管理的技术状态更改控制模型，如图4所示。

图4 技术状态更改控制模型

P阶段为策划阶段，是技术状态控制模型的重点部分。其主要活动包括：首先由工程师提出技术状态更改请求，技术状态管理员进行审核。审核不通过则需重新编写更改需求，审核通过后对技术状态更改重要性进行判断。若为重要更改，则需要向管理员提交技术状态更改申请单，审核通过后方可进行到D阶段。若为勘误性质的非重要更改，则可以直接进行到D阶段。

D阶段为执行阶段。其主要执行的内容包括：首先编写技术状态更改通知，表明更改的具体基线和需要执行更改的文件。然后提交管理员审核，审核通过后执行技术状态更改，发放更改后的技术状态基线，并废除无效的基线。

C阶段为检查阶段。主要任务是依据D阶段审核通过的技术状态通知单检查技术状态更改情况，编写技术状态更改报告存档。

A阶段是处理阶段。主要工作是进行技术状态更改反馈，依据是C阶段的检查结果和技术状态更改报告。

4 系统应用实现

在企业已有PDM系统的基础上，建立技术状态管理模块。将PDM系统作为唯一数据来源，保证产品数据的唯一性。以某型号列车供电电源装置为例，首先对其结构进行分解，可分解为控制箱、整流装置、电度表、放电电阻、冷却风机等模块。选择技术状态项，如选择整流装置为技术状态项。按如下步骤进行技术状态过程管理：1)在产品研发初期，首先明确产品需求，建立产品需求基线,如图5所示。补充完整基线内的技术状态文件，审核通过后发放基线，作为下一阶段的参考依据，然后开始建立方案设计基线。2)产品需求基线确立后，建立方案设计基线，对产品进行总体方案设计，完善方案设计基线，待方案设计基线确认发放后，开始产品详细设计。3)设计定型后，固化产品的技术文件形成最终产品基线，此时的产品基线包含产品设计的所有技术文档，是产品生产制造时的依据。4)在产品生产定型阶段和批量生产阶段依据最终产品基线进行生产活动，根据需要提出基线更改申请，对最终产品基线进行完善。最终产品基线包括产品最完整的技术文件，其作为产品全生命周期生产和维护保障的依据。在产品各个阶段均可对基线内的技术文件进行查看，如图6所示。在对技术状态进行更改时，主要是对相关基线进行修改。完成如图7所示的申请单，审核通过后实施、检查实施情况并存档。

图5 新建基线

图6 查看基线

图7 技术状态更改需求单和更改申请单

5 结束语

本文介绍了技术状态管理的内涵，分析了铁路电气产品的技术状态管理需求，建立了适合铁路电气产品的技术状态管理过程模型，结合PDCA模型建立了技术状态更改控制模型。技术状态管理可以有效维护产品信息的一致性和完整性，提高产品的一次研制成功率。最后在企业自主研发的PDM系统上开发了技术状态管理模块，为铁路电气企业实施技术状态管理提供了良好的理论和实践依据。