基于過程元模型的高速列車譜系化產品研發設計方法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雜產品系統的研發設計流程復雜和研制周期長等問題，面向高速列車譜系化產品的研制需求，提出一種基于過程元模型的產品數字化研發設計方法。首先，提取典型的過程元，構建以任務、活動和關系組成的高速列車過程元模型;然后，通過過程元模型進行設計流程的有效組織聚合，形成基于過程元模型的實例化工作流模型;最后，研制了一套基于過程元模型的高速列車產品研發設計原型系統，以某型動車組的設計為例，驗證了該方法的可行性，表明該方法有效實現高速列車譜系化產品設計過程的規范和重組。

關鍵詞：高速列車? 譜系化? 過程元模型? 設計流程? 定制設計

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

近年來，在高速列車設計研發領域中，也開始了高速列車產品精益研發流程研究[2]，來改善優化現有產品研發設計過程。面向多學科、多領域和多層級的復雜產品系統過程統一建模以支持數字化研發設計領域研究尚處于起步階段，也缺乏一個靈活的產品設計研發過程模型來描述高速列車的復雜的研發過程[1]。

針對上述問題，本文提出一種基于過程元模型驅動的高速列車數字化研發設計方法，實現譜系化產品的設計流程的規范化，支持設計研發過程的柔性重組，快速響應多樣化、個性化的需求，縮短研發設計周期。

1? 高速列車過程元模型構建

高速列車設計研發過程通過項目定義啟動，項目由一系列任務組成，任務以具有一定邏輯關系的活動實現。高速列車設計研發過程中項目、任務和活動是構成過程的主要要素，需將高速列車產品研發流程抽象劃分為三個層次包括項目層、任務層、活動層。

元模型是關于模型的模型，是關于模型語義、集成和互操作等信息的描述。本文采用元建模技術，構建高速列車產品設計過程元模型。過程元模型是為了定義譜系化高速列車研發過程的工作流模型而定義的抽象模型，描述設計-制造過程中包含的過程內容、過程之間的連接關系、以及執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目單元、任務單元和活動單元的集合。

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

2? 需求驅動的過程元模型實例化設計

高速列車研發設計過程即是不斷滿足設計需求和技術指標的過程。在需求驅動的過程元模型實例化過程中，首先采集主體需求、關鍵需求、旅客需求形成定制車型的需求實例;通過調用選定的標準車型的結構樹，以及其對應的需求元模型模板，生成需求元模型實例;再通過調用需求元模型實例庫、映射規則庫以及技術指標模板庫，將前端生成好的需求元模型實例，逐層地對需求元模型中的需求項進行遍歷，將需求元模型實例對應的技術指標映射出來，并根據規則賦值形成定制車型的技術指標實例;然后利用生成的定制車型技術指標與已有車型的技術指標實例進行匹配操作，選擇一個基本車型作為定制車型的參考車型指導后續的配置及變型設計;同時調用產品元模型模板庫中的數據，根據前端得到的技術指標實例以及選定的參考車型，形成定制車型的產品元模型實例;最后，通過調用過程元模型模板庫以及過程元庫，基于定制車型的產品元模型實例，選擇不同的過程元組建定制車型的過程元模型，并且根據定制車型研發任務進行具體賦值，得到的具體研發過程，包括研發過程的項目、任務以及具體研發活動。通過上述過程，產品各系統、子系統或者模塊，或者組件進行后期研發的初定義，形成研發過程流，并給定按照評審節點進行審核的過程元。

3? 實例應用

以總體設計部分車輛平面布置設計為例，項目初始化后，基于角色庫、資源庫和其他后臺數據庫，過程元模型實例化以后將以流程圖的型式呈現;用戶登錄后，過程元模型數據庫引用用戶ID，使用戶進入所屬角色權限對應的處于未完成狀態的任務，點擊任務內部已激活的活動“車輛平面布置”，彈出與該活動綁定的前臺界面;同時，過程元模型數據庫引用需求數據庫、產品數據庫、指標數據庫等后臺數據庫中的數據及相關的運算法則，將數據以輸入參數、輸出參數的型式體現在前臺界面上。點擊右下角的“確定”按鈕，數據存入相關數據庫，該活動轉入已完成狀態，同時“任務管理”準備就緒，活動“重量估算”處于激活狀態。

按照上述方式構建高速列車總體和組份設計的其余部分的過程元模型實例化功能模塊，通過過程元模型之間的嵌套組合形成其研發設計的可視化工作流界面，能夠有效實現基于過程元模型的高速列車的輔助設計，提高研發效率。

4? 結語

本文提出基于過程元模型驅動的高速列車譜系化產品設計方法，構建了高速列車研發設計過程元模型，通過過程元的組合將需求元模型、需求實例、產品元模型、產品實例等靜態數據串聯起來形成一個動態的數據流和研發過程，實現高速列車研發設計流程的規范化表達和設計過程柔性化，有效了實現基于需求驅動高速列車譜系化產品快速設計，縮短了設計研發周期。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，從而進一步提高產品研發效率，降低成本。

參考文獻

[1] 董錫明.現代高速列車技術[M].北京：中國鐵道出版社，2006.

[2] 郭銀章，曾建潮.基于元模型調用的機械產品協同設計過程建模[J].計算機集成制造系統，2011，17（5）：915-923.

[3] 李博，同淑榮，白晶.設計過程基因可拓基元模型及過程基因變異[J].機械科學與技術，2012，31（1）：87-95.