标准化原理在中国标准动车组统型中的应用*

肖玉兰，王俊彪，赵 方，赵泽平

（中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道科学技术研究发展中心，北京100081）

根据中国高速铁路发展和“走出去”的要求，我国积极推进动车组标准化统型工作，成功研制了具有完全自主知识产权、达到世界先进水平的中国标准动车组［1］，首次实现了动车组牵引、制动、网络控制等系统的全面自主化［2］，对于促进我国高速铁路可持续发展，推进高铁装备自主创新成果产业化，全面系统掌握高速铁路动车组及关键装备核心技术，加快中国高铁“走出去”，具有十分重要的战略意义。

在中国标准动车组统型的优化实施过程中，标准化五大原理，即统一化原理、互换性原理、通用化原理、系列化原理和模块化原理，始终贯穿其中，为系统化、科学化、规范化推进中国标准动车组统型工作提供了重要的理论指导。

1 标准化基本原理

1.1 标准化统型的内涵

中国国家标准GB/T 20000.1-2014将标准化定义为：“为了在既定范围内获得最佳秩序，促进共同效益，对现实问题或潜在问题确定共同使用和重复使用的条款以及编制、发布和应用文件的活动。标准化的主要效益在于为了达到预期目的（包括但不限于品种控制、可用性、兼容性、互换性等），改进产品、过程或服务的适用性，促进贸易、交流以及技术合作。”［3］因此，标准化就是指标准的制定、发布和贯彻实施的全部活动过程。

所谓标准化统型，是运用标准化手段对现有产品规格、结构、性能等进行统一，以尽可能少的品种（型号）来满足较长时期和一定范围内全部使用要求的规范化工作。

1.2 标准化基本原理

标准化的五个原理看似相互独立，实则相辅相成，统一化原理是标准化原理的本质和核心；互换性原理是标准化原理的基础和依据；通用化、系列化、模块化原理是统一化原理的具体形式。

1.2.1 统一化原理

统一化原理：对具有等效功能的标准化对象（物质的、文字的）或其技术要素（尺寸、参数），进行合理归并、精选，使之达到通用互换或成为共同遵循的依据［4］。

统一化原理的应用很广泛，最一般的方法是通过标准的制定和实施，来达到概念、产品、技术等的统一，如制定和实施术语标准来统一概念，制定和实施产品标准来统一产品的性能和质量，制定和实施工艺设计标准来统一设计技术和制造技术等。

1.2.2 互换性原理

互换性原理：在满足同样使用要求的条件下，通过一定途径或方法，可以使某一产品单元不加任何改变或修改就能代替另一产品单元［5］。

互换性原理是产品能被重复使用和共同使用的基本条件。互换性的实质是使零部件的尺寸、形状、性能、作用相同，彼此可以互相替换［6］。同一规格的一批零部件中，任取其一，不需任何挑选或修配就能装在机器上，并能满足其使用功能要求［7］。利用互换性原理，可以大批量生产具有互换性的零部件，给产品的设计、生产、装配和维修带来极大方便，有利于缩短设计周期、专业化生产、机械化装配、及时更换维修，在提高生产效率、保证产品质量和降低成本等方面具有十分重要的应用价值。

1.2.3 通用化原理

通用化原理：以互换性为基础，对产品或系统的共性和相似特征，经归并、选优、统一，找出其最佳的物理特性或典型结构，尽可能扩大同一对象的使用范围，实现最大限度的重复使用或共同使用［8］。

通用化原理的应用对象主要包括：分系统层次产品、设备级产品和零部件产品等通用产品单元。通用化是指同一功能、同一规格产品之间的相互替代，主要表现为接口统一化和功能统一化。在生产活动中，使用通用产品单元，有利于减少重复劳动、节约资源，以及缩短产品研制、生产、维修周期。由于零部件产品是组成复杂产品的基本单元，数量大，对其进行加工势必要消耗大量研制、生产资源，因此，零部件产品通用化的应用最为广泛［5］。

1.2.4 系列化原理

系列化原理：从产品使用要求和发展规律出发，将同一功能产品的主要参数或规格按一定数系或要求作合理规划，并对其型式和结构进行统一，使产品有序发展并形成一定序列［8］。

系列化原理是通用化原理的进一步发展。系列化是指对同一类产品的基本参数、型式、品种、规格等进行合理安排和科学规划的标准化形式。产品系列化设计一般有2种方式［5］：一种是针对现有产品品种、规格杂乱重复的现状，采取标准化整顿的方式，对现有众多老产品品种、规格进行简化压缩、统型优化，形成统型化产品；另一种是根据市场需求和技术经济要求，通过确定产品基本参数系列标准，按产品系列型谱设计基型产品，并在此基础上进行横向或纵向扩展，构建体系完整的系列化产品。通过产品系列化，合理简化品种，扩大通用范围，以最少的品种（型号）满足最大的使用范围，有利于进行专业化、大批量生产，提高生产效率、保证产品质量、降低生产成本、方便运用维修。

1.2.5 模块化原理

模块化原理：对产品进行功能分析和结构分解的基础上，划分并设计、生产一系列不同功能、不同结构和参数规格的能重复使用和共同使用的通用单元（通用模块），并补充专用单元和零部件，组合形成新产品［8］。

模块化是在通用化、系列化基础上发展而来的更高层次的标准化形式，具有接口互换性和功能互换性。为了满足日益增长的个性化需求，采用柔性化生产、模块化组装等技术进行大规模定制，可以有效提高资源利用率，降低生产、运维成本，实现通用化、系列化带来的规模经济效益。

2 中国标准动车组统型的必要性

2.1 我国CRH系列动车组的发展历程

2004年以来，我国生产制造了CRH1、CRH2、CRH3、CRH5型动车组，建立了中国高速动车组设计、制造和验证平台。2007年以来，自主创新研制了“和谐号”CRH380型新一代动车组，为我国高速铁路提供了充足的装备保证。尽管我国在动车组技术领域取得了长足进步，但面对我国地域广阔、环境复杂和长距离、高强度运行需求，CRH系列动车组在运用过程中暴露出了一系列亟待解决的问题［9］：

（1）自主创新能力亟待提高。CRH系列动车组大部分部件均已实现国产化，但由于我国高速铁路建设起步较晚，技术储备不足，一些核心技术和关键装备对外依存度较高，自主创新能力亟待进一步提高。

（2）技术标准不统一。CRH系列动车组在不同的技术平台上进行研制，多种技术标准共同运行，技术性能和参数要求上存在诸多不同，在旅客界面、操作界面、运用界面及维修界面等差异较大，不能实现互联互通，甚至不能相互救援，动车组备用率高。比如定员不统一，影响动车组相互备用；司机操纵台不统一，影响司机驾驶；列车宽度不统一，影响站台设计；列车车钩不统一，影响相互联挂、救援。

（3）运用维护维修成本高。CRH系列各型动车组结构差异大，修程修制不统一，维护检修零部件尚未统型，运用部门备品备件品种多，加大了维护难度，提高了维修成本，对铁路的经营效益产生较大影响。

2.2 中国标准动车组统型的必要性

根据我国高速铁路发展的技术特点和动车组的运用需求，亟需开展标准化统型工作，研制具有完全自主知识产权的中国标准动车组，持续增强自主创新能力，助力高铁“走出去”；建立统一技术标准体系，实现互联互通；降低运用维护检修成本，提高运营效率。

2.2.1 持续增强自主创新能力，助力高铁“走出去”

坚持引进消化吸收先进技术和自主创新相结合的原则，持续增强我国动车组自主创新能力，全面系统掌握动车组关键核心技术，研制具有完全自主知识产权的中国标准动车组，打造具有世界先进水平的中国标准动车组技术平台。根据世界各国高铁运营需求，量身设计具有国际竞争力的系列化动车组产品和成套技术解决方案，促进动车组由“中国制造”向“中国创新”跨越。同时，以中国标准动车组出口为突破口，带动线路工程、通信信号、牵引供电等高铁成套技术和产品“走出去”，积极拓展国际市场，全面打造中国高铁品牌，助力中国高铁“走出去”。

2.2.2 建立统一技术标准体系，实现互联互通

基于高速动车组研发、试验、运营、维护等经验和数据，通过自主创新，建立统一的中国标准动车组技术标准体系，以相同速度等级中国标准动车组具备重联运行功能，不同速度等级中国标准动车组具备相互救援能力为目标，从动车组旅客界面、操作界面、运用界面和维护界面等方面进行统型优化，实现互联互通互操作。

2.2.3 降低运用维护检修成本，提高运营效率

中国标准动车组实现互联互通的同时，通过关键零部件统型设计，实现零部件通用互换和修程修制统一化，打破零部件供应垄断的局面，有利于减少备品备件数量，降低运用维护检修成本，提高运营效率。

3 中国标准动车组统型的优化实施

中国国家铁路集团有限公司（原中国铁路总公司，以下简称“国铁集团”）在融合既有四大CRH系列动车组技术平台优点的基础上，坚持自主创新，以安全性、可靠性、舒适性、节能环保为前提，以市场需求为导向，以“标准统一、互联互通”为设计原则，采用正向设计思路，加强顶层设计，构建和完善中国高速动车组标准体系，自主研制不同速度等级、适应不同环境需求的动车组系列化产品，打造具有完全自主知识产权、世界先进水平的中国标准动车组技术平台。

自2012年起，速度350 km/h中国标准动车组统型工作，在方便运用、降低全寿命周期成本、进一步提高安全冗余等方面加大了创新力度，按照顶层设计、自主研制、试验验证3个阶段［2］分步推进实施，如图1所示。

图1 中国标准动车组统型优化实施阶段

3.1 顶层设计

中国标准动车组统型顶层设计框架主要包括：服务框架、功能框架和物理框架3个部分，如图2所示，标准化原理贯穿始终，为中国标准动车组统型提供理论依据。

图2 中国标准动车组统型顶层设计框架

（1）服务框架：基于用户需求，提出中国标准动车组的顶层需求。

以路网规划、动车组技术发展和客流运输的实际需求为出发点，通过调研分析，梳理总结既有动车组运用问题，提出中国标准动车组的顶层技术指标和总体技术条件。

（2）功能框架：基于用户服务，明确中国标准动车组的系统功能。

通过建立统一的技术标准体系，对中国标准动车组服务功能、运用维护等进行标准化统型，实现不同型号动车组的互联互通互操作功能，满足相同速度等级动车组重联运营、不同速度等级动车组相互救援的要求。

（3）物理框架：基于系统功能，定义中国标准动车组的物理子系统及其实现方式。

中国标准动车组车体、转向架、牵引系统、辅助供电系统、制动系统、网络控制系统、高压系统等，均采用模块化设计方法，通过设置最小可更换单元，实现关键部件通用互换。

3.2 自主研制

中国标准动车组样车研制项目由国铁集团主导组织实施，中国铁道科学研究院集团有限公司技术牵头，中车集团（原中国南车、中国北车）及其相关企业设计制造，西南交通大学、北京交通大学、中国科学院等高校和科研院所技术支持，产学研用联合攻关，协同创新［9］。

3.2.1 标准统一化

为更好地适应中国自然地理环境、铁路运营需要、旅客出行习惯及动车组运用维修需求，基于高速动车组研发、试验、运营、维护的经验和数据，通过系统分析既有CRH系列动车组技术性能，构建了体系完整、结构合理、先进科学的中国标准动车组技术标准体系，涵盖动车组基础通用、车体、走行装置、司机室布置及设备、牵引电气、制动及供风、辅助电气系统、车内环境控制、给水和卫生设备、列车网络、控制诊断和监测系统、应急及防护、运用维修等13大类标准，如图3所示。在所采用的254项重要标准中，中国标准（包括中国国家标准、行业标准、国铁集团企业标准等技术标准）占比高达84%［1］。

图3 中国标准动车组技术标准体系框架

3.2.2 部件互换性

通过分析既有CRH系列动车组各零部件的结构、原理、参数、寿命周期、检修维护、供应商等基本情况，对比不同动车组技术平台优缺点，系统研究动车组关键部件的接口技术，并依据中国标准动车组技术标准体系，对中国标准动车组车体、转向架、高压牵引、辅助电气、制动、网络控制、旅客信息、车内环境控制、给水卫生、车内设施、驾驶设施11大系统共96项关键零部件进行了标准化设计，统一了尺寸、功能、性能、接口、备品备件等，实现了中国标准动车组关键部件互换性，优化了旅客界面、操作界面、运用界面和维护界面，提升了动车组维护检修经济性。

3.2.3 平台通用化

基于我国动车组运用环境和运营需求，重点研究动车组外部接口、相互救援与重联、检修与维护等技术，实现了中国标准动车组平台通用化，即互联互通互操作。互联是前提，通过统一前端车钩、过渡车钩、救援连接器等机械接口，实现物理互联；互通是基础，通过统一列车级网络初运行标准、通信协议、故障诊断代码规范、列车级硬线控制电路、安全环路、BP救援转换装置等电气接口，实现逻辑互通；互操作是互联互通的最终目标，通过统一司乘操作界面、控制指令输出、工作模式、降速处理等措施，实现重联互操作。

3.2.4 产品系列化

为满足日益增长的铁路客运需求，按照产品系列化设计要求，以中国标准动车组样车为基型产品，积极推进系列化中国标准动车组研制，持续完善中国标准动车组“家族”体系，逐步研发了不同速度等级、不同编组形式、不同动力牵引模式、适应各种运行环境需求的中国标准动车组系列产品

CR400（350 km/h）、CR300（250 km/h）、CR200（160 km/h）［10］，初步形成了独具中国特色、技术体系完整、产品系列丰富的CR系列中国标准动车组，如图4所示。

图4 中国标准动车组系列产品

3.2.5 生产模块化

中国标准动车组生产制造严格执行标准化管理，通过制定、发布、实施及修改各项生产标准，建立了生产制造标准体系，同时，借助信息化、自动化、智能化技术手段，采用柔性工装生产线、模块化组装技术、管路加工技术、数字测量技术、变形控制技术、残余应力控制技术、数字化调试技术等先进制造技术，将设计、工艺、物流、质量、生产、设备等各环节纵向集成、横向交互贯通，实现生产过程的优化控制、智能调度、状态监控、质量管控，确保中国标准动车组性能指标达到先进性、可靠性、安全性、可维修性、环境适应性等要求。

3.3 试验验证

3.3.1 整车技术性能试验验证

2015年6月中国标准动车组样车下线以来，在大西高速综合试验线、郑徐高铁、哈大高铁开展了中国标准动车组型式试验、运用考核和科学试验，试验考核指标全部符合标准规范和运用要求，中国标准动车组安全性、舒适性及各项性能指标以及运用适应性、稳定性、可靠性、制造质量均达到设计要求，整车技术性能指标实现较大提升，设计寿命由20年提高到30年［1］。

3.3.2 零部件互换性试验验证

为进一步深化中国标准动车组统型工作，在中国标准动车组96项零部件统型成果的基础上，结合整车技术性能运用考核情况，以实现零部件及其备品备件完全通用互换为目标，在地面试验台开展了典型统型零部件互换性试验验证，拓展了互联互通互操作功能，实现了多家供应商供应和主要部件换件修，有利于减少备品备件数量，降低运行维护成本。

4 展望

中国标准动车组系列化产品的成功研制及推广应用，标志着我国高速动车组已初步实现谱系化。中国标准动车组作为中国高铁下一代主力车型，将在中国标准动车组自主创新技术平台的基础上，持续完善我国高速动车组产品谱系，适应国内外市场多样化需求，实现中国高铁“走出去”战略，进一步提升中国高铁的核心竞争力和国际话语权。