基于過程元模型的高速列車譜系化產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)方法①

徐宏偉 宋紅 張海柱 趙曉春 李恒奎

摘? ?要：針對高速列車典型復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)流程復(fù)雜和研制周期長等問題，面向高速列車譜系化產(chǎn)品的研制需求，提出一種基于過程元模型的產(chǎn)品數(shù)字化研發(fā)設(shè)計(jì)方法。首先，提取典型的過程元，構(gòu)建以任務(wù)、活動和關(guān)系組成的高速列車過程元模型;然后，通過過程元模型進(jìn)行設(shè)計(jì)流程的有效組織聚合，形成基于過程元模型的實(shí)例化工作流模型;最后，研制了一套基于過程元模型的高速列車產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)，以某型動車組的設(shè)計(jì)為例，驗(yàn)證了該方法的可行性，表明該方法有效實(shí)現(xiàn)高速列車譜系化產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的規(guī)范和重組。

關(guān)鍵詞：高速列車? 譜系化? 過程元模型? 設(shè)計(jì)流程? 定制設(shè)計(jì)

中圖分類號：U270? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）05（b）-0091-02

近年來，在高速列車設(shè)計(jì)研發(fā)領(lǐng)域中，也開始了高速列車產(chǎn)品精益研發(fā)流程研究[2]，來改善優(yōu)化現(xiàn)有產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)過程。面向多學(xué)科、多領(lǐng)域和多層級的復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)過程統(tǒng)一建模以支持?jǐn)?shù)字化研發(fā)設(shè)計(jì)領(lǐng)域研究尚處于起步階段，也缺乏一個靈活的產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)過程模型來描述高速列車的復(fù)雜的研發(fā)過程[1]。

針對上述問題，本文提出一種基于過程元模型驅(qū)動的高速列車數(shù)字化研發(fā)設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)譜系化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程的規(guī)范化，支持設(shè)計(jì)研發(fā)過程的柔性重組，快速響應(yīng)多樣化、個性化的需求，縮短研發(fā)設(shè)計(jì)周期。

1? 高速列車過程元模型構(gòu)建

高速列車設(shè)計(jì)研發(fā)過程通過項(xiàng)目定義啟動，項(xiàng)目由一系列任務(wù)組成，任務(wù)以具有一定邏輯關(guān)系的活動實(shí)現(xiàn)。高速列車設(shè)計(jì)研發(fā)過程中項(xiàng)目、任務(wù)和活動是構(gòu)成過程的主要要素，需將高速列車產(chǎn)品研發(fā)流程抽象劃分為三個層次包括項(xiàng)目層、任務(wù)層、活動層。

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。本文采用元建模技術(shù)，構(gòu)建高速列車產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程元模型。過程元模型是為了定義譜系化高速列車研發(fā)過程的工作流模型而定義的抽象模型，描述設(shè)計(jì)-制造過程中包含的過程內(nèi)容、過程之間的連接關(guān)系、以及執(zhí)行過程的輸入與輸出。過程元描述過程元模型的組成的基本項(xiàng)目單元、任務(wù)單元和活動單元的集合。

過程元模型分為3個層次進(jìn)行描述，即過程元（元類）、過程元模型（類）、過程元模型實(shí)例（具體研發(fā)過程）。過程元元類通過賦值組合形成過程元模型，將過程元模型進(jìn)行具體賦值得到過程元模型實(shí)例，即高速列車具體設(shè)計(jì)研發(fā)過程，各層次之間的關(guān)系如圖1所示。

2? 需求驅(qū)動的過程元模型實(shí)例化設(shè)計(jì)

高速列車研發(fā)設(shè)計(jì)過程即是不斷滿足設(shè)計(jì)需求和技術(shù)指標(biāo)的過程。在需求驅(qū)動的過程元模型實(shí)例化過程中，首先采集主體需求、關(guān)鍵需求、旅客需求形成定制車型的需求實(shí)例;通過調(diào)用選定的標(biāo)準(zhǔn)車型的結(jié)構(gòu)樹，以及其對應(yīng)的需求元模型模板，生成需求元模型實(shí)例;再通過調(diào)用需求元模型實(shí)例庫、映射規(guī)則庫以及技術(shù)指標(biāo)模板庫，將前端生成好的需求元模型實(shí)例，逐層地對需求元模型中的需求項(xiàng)進(jìn)行遍歷，將需求元模型實(shí)例對應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)映射出來，并根據(jù)規(guī)則賦值形成定制車型的技術(shù)指標(biāo)實(shí)例;然后利用生成的定制車型技術(shù)指標(biāo)與已有車型的技術(shù)指標(biāo)實(shí)例進(jìn)行匹配操作，選擇一個基本車型作為定制車型的參考車型指導(dǎo)后續(xù)的配置及變型設(shè)計(jì);同時調(diào)用產(chǎn)品元模型模板庫中的數(shù)據(jù)，根據(jù)前端得到的技術(shù)指標(biāo)實(shí)例以及選定的參考車型，形成定制車型的產(chǎn)品元模型實(shí)例;最后，通過調(diào)用過程元模型模板庫以及過程元庫，基于定制車型的產(chǎn)品元模型實(shí)例，選擇不同的過程元組建定制車型的過程元模型，并且根據(jù)定制車型研發(fā)任務(wù)進(jìn)行具體賦值，得到的具體研發(fā)過程，包括研發(fā)過程的項(xiàng)目、任務(wù)以及具體研發(fā)活動。通過上述過程，產(chǎn)品各系統(tǒng)、子系統(tǒng)或者模塊，或者組件進(jìn)行后期研發(fā)的初定義，形成研發(fā)過程流，并給定按照評審節(jié)點(diǎn)進(jìn)行審核的過程元。

3? 實(shí)例應(yīng)用

以總體設(shè)計(jì)部分車輛平面布置設(shè)計(jì)為例，項(xiàng)目初始化后，基于角色庫、資源庫和其他后臺數(shù)據(jù)庫，過程元模型實(shí)例化以后將以流程圖的型式呈現(xiàn);用戶登錄后，過程元模型數(shù)據(jù)庫引用用戶ID，使用戶進(jìn)入所屬角色權(quán)限對應(yīng)的處于未完成狀態(tài)的任務(wù)，點(diǎn)擊任務(wù)內(nèi)部已激活的活動“車輛平面布置”，彈出與該活動綁定的前臺界面;同時，過程元模型數(shù)據(jù)庫引用需求數(shù)據(jù)庫、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫、指標(biāo)數(shù)據(jù)庫等后臺數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)及相關(guān)的運(yùn)算法則，將數(shù)據(jù)以輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)的型式體現(xiàn)在前臺界面上。點(diǎn)擊右下角的“確定”按鈕，數(shù)據(jù)存入相關(guān)數(shù)據(jù)庫，該活動轉(zhuǎn)入已完成狀態(tài)，同時“任務(wù)管理”準(zhǔn)備就緒，活動“重量估算”處于激活狀態(tài)。

按照上述方式構(gòu)建高速列車總體和組份設(shè)計(jì)的其余部分的過程元模型實(shí)例化功能模塊，通過過程元模型之間的嵌套組合形成其研發(fā)設(shè)計(jì)的可視化工作流界面，能夠有效實(shí)現(xiàn)基于過程元模型的高速列車的輔助設(shè)計(jì)，提高研發(fā)效率。

4? 結(jié)語

本文提出基于過程元模型驅(qū)動的高速列車譜系化產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建了高速列車研發(fā)設(shè)計(jì)過程元模型，通過過程元的組合將需求元模型、需求實(shí)例、產(chǎn)品元模型、產(chǎn)品實(shí)例等靜態(tài)數(shù)據(jù)串聯(lián)起來形成一個動態(tài)的數(shù)據(jù)流和研發(fā)過程，實(shí)現(xiàn)高速列車研發(fā)設(shè)計(jì)流程的規(guī)范化表達(dá)和設(shè)計(jì)過程柔性化，有效了實(shí)現(xiàn)基于需求驅(qū)動高速列車譜系化產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)，縮短了設(shè)計(jì)研發(fā)周期。但該方法還存在著一定的不足，如在過程元模型的柔性重組方面還需深入研究，從而進(jìn)一步提高產(chǎn)品研發(fā)效率，降低成本。

參考文獻(xiàn)

[1] 董錫明.現(xiàn)代高速列車技術(shù)[M].北京：中國鐵道出版社，2006.

[2] 郭銀章，曾建潮.基于元模型調(diào)用的機(jī)械產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)過程建模[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2011，17（5）：915-923.

[3] 李博，同淑榮，白晶.設(shè)計(jì)過程基因可拓基元模型及過程基因變異[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2012，31（1）：87-95.