高速列车顶层设计指标分解研究现状与展望.pdf
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1、文章编号:0258-2724(2024)02-0456-11DOI:10.3969/j.issn.0258-2724.20220188高速列车顶层设计指标分解研究现状与展望张海柱1,黎荣1,丁国富1,马凯1,2,邓海2(1.西南交通大学机械工程学院,四川成都610031;2.中车长春轨道客车股份有限公司工程研究中心,吉林长春130062)摘要:顶层设计指标分解是决定高速列车正向设计周期长短和成功与否的首要环节.首先,在阐述运输能力、安全舒适、绿色环保、经济性等高速列车顶层设计指标的基础上,从系统结构组成、运行边界条件以及大系统耦合作用等角度提出高速列车顶层设计指标分解所面临的技术挑战;然后,论
2、述设计指标分解方法、设计指标分解关联模型和设计指标分解协调策略 3 个方面研究现状,并分析现有方法的不足与新需求;最后,展望群落生态学在高速列车顶层设计指标分解中的适用性,剖析基于群落生态学的高速列车顶层设计指标分解将会面临的关键问题,并给出相应的解决技术路线,以期为高速列车顶层设计指标分解的深入研究和实践提供参考.关键词:高速列车;设计指标;正向设计;分解;群落生态学中图分类号:U270.2文献标志码:AResearch Status and Prospect of Decomposition of Top-Level DesignIndicators for High-Speed Trai
3、nsZHANG Haizhu1,LI Rong1,DING Guofu1,MA Kai1,2,DENG Hai2(1.SchoolofMechanicalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China;2.EngineeringResearchCen-ter,CRRCChangchunRailwayVehiclesCo.,Ltd.,Changchun130062,China)Abstract:Thedecompositionoftop-leveldesignindicatorsistheprimarylinktodeter
4、minethecyclelengthandsuccess of forward design for high-speed trains.First,on the basis of expounding on the top-level designindicatorsofhigh-speedtrainsintermsoftransportationcapacity,safetyandcomfort,environmentalprotection,andeconomy,thedecompositionchallengesoftop-leveldesignindicatorsforhigh-sp
5、eedtrainswereproposedfromtheperspectivesofsystemstructure,operatingboundaryconditions,andlarge-scalesystemcoupling.Then,theresearchstatuswasdiscussed,includingthedecompositionmethod,decompositionassociationmodel,anddecompositioncoordinationstrategyofdesignindicators,andthedeficienciesandnewneedsofth
6、eexistingmethodswereanalyzed.Finally,theapplicabilityofcommunityecologyinthedecompositionoftop-leveldesignindicators for high-speed trains was prospected.In addition,the key problems that will be faced by thedecompositionoftop-leveldesignindicatorsforhigh-speedtrainsbasedoncommunityecologywereanalyz
7、ed,andcorrespondingtechnicalroutesforsolutionsweregiven,soastoprovideareferenceforthein-depthresearchandpracticeofthedecompositionoftop-leveldesignindicatorsforhigh-speedtrains.Key words:high-speedtrain;designindicators;forwarddesign;decomposition;communityecology列车运行速度是一个国家轨道交通研发技术与实力的综合体现,研究下一代更高速
8、列车,既是满足“十四五”国家铁路发展规划的技术储备应用需求,也是我国占领轨道交通领域技术制高点和话语收稿日期:2022-03-14修回日期:2022-05-26网络首发日期:2022-06-23基金项目:国家自然科学基金(52105277);四川省重点研发计划(2022YFG0252)第一作者:张海柱(1989),男,副教授,研究方向为数字化设计与制造,E-mail:引文格式:张海柱,黎荣,丁国富,等.高速列车顶层设计指标分解研究现状与展望J.西南交通大学学报,2024,59(2):456-466ZHANGHaizhu,LIRong,DINGGuofu,etal.Researchstatusa
9、ndprospectofdecompositionoftop-leveldesignindicatorsforhigh-speedtrainsJ.JournalofSouthwestJiaotongUniversity,2024,59(2):456-466第59卷第2期西南交通大学学报Vol.59No.22024年4月JOURNALOFSOUTHWESTJIAOTONGUNIVERSITYApr.2024权的迫切需要.然而,随着我国高铁技术逐渐从追赶者向引领者转变,下一代更高速列车设计将进入一个“无人区”.下一代高速列车应在更高速、更安全、更智能、更环保、更节能、更经济、更舒适、更友好 8 个
10、方面具有明显的代际特征1.因此,要实现下一代高速列车更高速度和更高性能的要求,开展高速列车正向设计研究势在必行.在高速列车正向设计中,诸如速度、轴重等顶层设计指标分解到各个关键系统或部件的设计指标,是保证高速列车设计先进性、功能与性能兼容性和参数匹配性的根本,也是决定正向设计周期长短和成功与否的首要环节2-3.但由于高速列车是一个典型的复杂产品系统,并且面临复杂的服役环境、运行工况、耦合作用关系等关键技术挑战4,要实现高速列车正向设计指标分解并不容易.因此,高速列车顶层设计指标分解是高速列车正向设计亟待攻克的首要难题.目前,国内外学者围绕设计指标分解问题已开展了大量相关研究并提出相应的解决方案
11、5-8.然而,基于前期研究发现,高速列车产品族谱呈现出渐进演化模式9,在技术和需求等因素驱动下,族谱时空演变过程中所形成的设计指标演化过程中的相互作用关系,如冲突、依赖等,也增加了设计指标分解的难度.但现有方法尚未充分考虑这一关系对设计指标分解所造成的影响,往往会高估或低估子功能结构设计指标,造成功能结构设计指标无法达到或限制功能结构创新设计等问题10-11,从而导致设计的反复迭代或试制过程中出现严重的技术或质量问题,延长设计周期,增加成本,甚至造成设计失败.因此,在高速列车正向设计指标分解过程中考虑设计指标演化过程中的相互作用关系是完全必要且亟待解决的问题.综上分析,本文阐述了高速列车顶层技
12、术指标及其分解技术挑战;分析了设计指标分解方法、设计指标分解的关联模型和协调策略等方面研究现状;围绕高速列车设计指标演化过程中的复杂相互作用关系往往会使子功能结构设计指标被高估或低估,导致设计的反复迭代这一基本问题,系统地展望了群落生态学应用于高速列车顶层设计指标分解中的适用性以及所面临的问题和挑战,并给出了相应的技术路线,以期获取合理的设计指标分解结果,避免设计的反复迭代.对于提高高速列车正向设计效率、控制设计成本具有极其重要的理论和工程实际意义.1 高速列车顶层设计指标高速列车正向设计的基本依据是顶层设计指标.顶层设计指标是反映高速列车总体状态、核心技术以及系统接口的指标体系12.高速列车
13、顶层设计指标确定是综合考虑前沿技术发展趋势和边界条件适应性等因素,从运输能力、安全舒适、绿色环保、经济性等方面,建立高速列车顶层设计指标,但尚未形成相关严格的定义或规范,如图 1 所示.高速列车目标需求边界条件轨道桥梁隧道信号牵引供电运输能力安全舒适绿色环保经济性项层设计指标一级指标二级指标三级指标.速度轴重安全性舒适性成本能耗常用制动距离紧急制动距离制动能力牵引能力动力学可靠性噪声振动图1高速列车顶层设计指标Fig.1Top-leveldesignindicatorsofhigh-speedtrain在运输能力方面,速度是高速列车最关键的第一顶层设计指标,是提高运输效率的直接因素,各关键技术
14、研究都围绕速度指标来进行;然后,需要考虑产生这一速度的牵引能力指标和使高速运行的列车安全停止的制动能力指标13;轴重指标受载客量影响,与线路、能耗、牵引和制动功率配置等相关.在安全舒适方面,安全和舒适是高速列车运行和旅客乘坐的基本要求,高速列车自身性能品质需要考虑的安全性因素主要包括动力学、可靠性等顶层指标;有关舒适性的高速列车顶层设计指标主要包括噪声、振动等.在绿色环保方面,能源支出在车辆全寿命周期成本中占比最高的部分,并且从国家“碳达峰、碳中和”战略角度,能耗则是列车设计过程中需重点考虑的顶层设计指标14.在经济性方面,通过成本顶层设计指标有效优化控制列车设计、制造、运维以及报废等全生命周
15、期各个阶段成本,有利于提升产品第2期张海柱,等:高速列车顶层设计指标分解研究现状与展望457竞争力.通过上述顶层设计指标分析,形成速度、轴重、安全性、舒适性、能耗、成本等指标为一级顶层设计指标,基于技术指标间的相互关系逐步细化分解为二级、三级设计指标,最终形成高速列车的顶层设计指标体系.2 设计指标分解研究现状针对如何实现高速列车正向设计指标合理分解这一关键问题,国内外学者主要围绕设计指标分解方法、设计指标分解关联建模、设计指标分解协调策略等方面展开研究,取得了一些成果,也有一些科学问题仍亟需解决.2.1 设计指标分解方法产品设计指标是正向设计的输入,列举了产品的性能、环境、质量、生命周期等元
16、素,可以用来衡量产品的技术性能2.其一,传统的基于经验的解析方法通过质量功能展开(QFD)5和公理化设计(AD)6方法实现产品设计指标分解,将产品的设计指标通过用户功能物理过程域过程映射分解到产品设计的整个过程中.郑浩等15针对复杂产品概念设计构建了期望性能、行为性能和结构性能的规范化性能演化分解映射模型;张根保等16针对数控机床的性能分解引入间接映射的方法代替同代耦合关系对下一层单元的影响,建立了关键质量特性的映射机制.其二,以优化为主的设计指标分解方法,张科施7分别介绍了设计指标最优分配的直接法和分解协调法,并提出协同分配的新方法适用于大规模设计指标分配问题,子系统间独立性更强,鲁棒性更强
17、,但收敛性差,无法体现设计指标之间的关联关系;Kim 等8提出了目标逐层分解法(ATC),后续主要针对性能指标逐层分解方法的算法或优化方法的收敛性、灵活性、准确性和计算效率等进行了大量研究17.詹军等18基于 ATC 给出了车辆性能指标逐层分解的基本方法以及数学表达式;侯宇明19提出了一种 ATC 的扩展方法对商用车性能指标分解,解决了设计指标难以继续传递的弊端;Yazdani 等20应用了非合作博弈理论对基于需求驱动的设计指标分配过程进行了建模;张捷等21提出一种基于整车噪声仿真分析的部件声学指标分解方法.虽然针对高速列车顶层设计指标分解的研究鲜有报道,但目前国内外研究机构针对设计指标分解方
18、法进行了一定研究,主要集中在功能结构分解映射和目标分解的逐层优化方法 2 类,而且针对复杂产品系统的正向设计指标分解问题有了一定的探索,并构建了设计指标-行为-结构分解映射模型22.然而,从产品或系统性能演化视角下,高速列车设计指标分配给各个功能结构设计指标的过程中,需要考虑设计指标分解产生设计指标演化过程中的相互作用关系影响11,若未考虑将造成系统设计指标的不良分解,限制功能模块的创新设计方案,导致整机正向设计性能欠佳,但目前对这一关系的了解十分有限.因此,在设计指标演化过程中的相互作用关系影响下,如何实现更高速列车正向设计指标精准分解尚存挑战.2.2 设计指标分解关联建模产品系统、功能结构
19、以及基本原理多个层级以及层级内部的设计指标之间都存在复杂的关联关系,需要构建设计指标关联模型,以识别设计指标之间关联关系.Ouertani 等23提出了 DEPNET(dependencynetwork)解决方案来捕获产品设计指标的依存关系,在网络中对其进行了结构化,并定义了在冲突管理过程中使用这些依赖关系的方式;邱曦伟24考虑指标间相互影响,提出了一种基于层级交互随机子模型的建模方法,构建了可靠性-性能-能耗关联性模型.在设计指标与设计变量关联建模方面,唐敦兵等25提出了基于关联结构的性能目标与设计参数间的关联强度表达方法,设计结构矩阵(DSM)是构造设计变量相互依赖关系的方法之一,但随着元
20、素数量增长也存在一定的限制26;Loureiro等27提出一种设计结构网络(DSN)方法将设计变量可视化为网络节点、相互依赖关系作为连接,设计指标推理被表示为连接节点的路径;刘振宇28和彭翔29提出了超大型空分装备关键机组能耗与工艺结构参数耦合关联方法以及基于多源数据融合的设计变量与性能关联强度计算方法.目前,设计指标分解关联建模方面的研究主要是在数据的依赖性上,处于静态的相互耦合关联建模方面.以特征为中心的产品族谱渐进式演化模型,验证了高速列车产品演化是一种渐进式演化模式9,因此,从高速列车产品族谱演进角度,如何构建高速列车顶层设计指标分解统一表达模型并研究其动态演进机制有待进一步探索.2.
21、3 设计指标分解协调策略由于设计指标分解过程中多主体的相互作用产生协调关系,如果不能有效辨识并处理冲突的协调458西南交通大学学报第59卷关系将影响整个产品的性能提升.张少彤等30针对多学科协同设计中复杂设计指标约束耦合关系及设计变量的不确定性信息,构建了基于约束网络的参数协调模型并提出了基于区间放松的冲突化解策略,并将该方法应用于铁路货车转向架弹簧的设计中;孟秀丽等31提出了一种基于多目标决策的协同设计方案层次的冲突消解方法;城取岳夫等32将转向架设计中的协调问题归为垂向和横向系统设计指标协调,提出了基于线性加权和评价函数、希求水平、功用图进行协调处理的 3 种方法,然而,在计算时间和获取技
22、术信息方面各有优缺点;为提高产品性能,Houssin 等33提出一种基于 TRIZ(theoryofinventiveproblemsolving)的方法消除创新集成导致生产率和安全性之间的矛盾;Zhou 等34-35提出产品低碳多性能指标复杂冲突的可拓方法与 TRIZ理论集成系统化协调方法;洪欢欢等36构建了技术创新冲突问题的形式化模型、多层次粒化模型以及结构化空间映射模型,以实现集成度高的综合性问题协调;Song37提出了一种基于不平衡语言标签集的群体决策和 TRIZ 的系统化方法来识别和解决服务产品技术属性之间的冲突问题;孙丽琴38采用博弈理论对汽车不同工况、不同互联下的操稳性与平顺性之
23、间存在的矛盾冲突进行协调.上述设计指标协调策略研究主要是解决当前技术特征实现功能能力与需求之间差距所产生的冲突协调问题.那么,如何处理好高速列车设计指标演化过程中的相互作用关系并给出有效的顶层设计指标动态分解协调策略,还需要大量的研究.2.4 研究现状小结目前,设计指标分解研究现状归纳总结如表 1所示,主要采用基于需求驱动的功能分解映射和目标逐层优化分解方法,按照功能行为结构映射和系统子系统零部件逐层优化分解机制进行设计指标分解;采用设计结构矩阵、设计结构网络、群落生态学等方法建立设计指标之间、设计变量之间、设计指标和设计变量之间、系统与组件之间依赖关系模型;基于约束网络、多目标决策、TRIZ
24、 理论、博弈理论等方法进行多性能指标、多设计属性冲突建模与协调.然而,考虑到设计指标分解过程中在产品族谱演进作用下,所形成的设计指标演化过程中的相互作用关系是影响正向设计指标分解效率和整体设计性能的关键因素,将使目前基于需求驱动的设计指标分解方法通常会高估或低估功能结构的设计指标,造成功能结构的设计指标无法达到或者限制功能结构创新设计等问题,从而导致设计的反复迭代或整个高速列车的性能欠佳,大大延长创新周期,甚至造成创新失败.然而,目前在设计指标分解过程中还未充分考虑设计指标演化过程中相互作用关系的影响,以至于对设计指标演进机制的把握不清晰,也就难以基于设计指标演化过程中的相互作用关系进行调控而
25、提高正向设计指标分解的效率.因此,从创新难度、效率和成本的角度,对设计指标演化过程中相互作用关系的准确把握以及合理调控是解决上述问题的一个关键切入点.表 1 设计指标分解研究现状Tab.1Researchstatusofdecompositionofdesignindicators类别方法名称方法总结设计指标分解方法质量功能展开(QFD)5、公理化设计(AD)6、设计指标分解协调法7、目标逐层分解法(ATC)8、非合作博弈理论20基于经验的解析方法和以优化为主的设计指标分解方法设计指标关联建模DEPNET解决方案23、层级交互随机子模型24、设计结构矩阵(DSM)25、设计结构网络(DSN)2
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