基于过程元模型的高速列车谱系化产品研发设计方法①

徐宏伟 宋红 张海柱 赵晓春 李恒奎

摘   要：针对高速列车典型复杂产品系统的研发设计流程复杂和研制周期长等问题，面向高速列车谱系化产品的研制需求，提出一种基于过程元模型的产品数字化研发设计方法。首先，提取典型的过程元，构建以任务、活动和关系组成的高速列车过程元模型;然后，通过过程元模型进行设计流程的有效组织聚合，形成基于过程元模型的实例化工作流模型;最后，研制了一套基于过程元模型的高速列车产品研发设计原型系统，以某型动车组的设计为例，验证了该方法的可行性，表明该方法有效实现高速列车谱系化产品设计过程的规范和重组。

关键词：高速列车  谱系化  过程元模型  设计流程  定制设计

中图分类号：U270                                   文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2019）05（b）-0091-02

近年来，在高速列车设计研发领域中，也开始了高速列车产品精益研发流程研究[2]，来改善优化现有产品研发设计过程。面向多学科、多领域和多层级的复杂产品系统过程统一建模以支持数字化研发设计领域研究尚处于起步阶段，也缺乏一个灵活的产品设计研发过程模型来描述高速列车的复杂的研发过程[1]。

针对上述问题，本文提出一种基于过程元模型驱动的高速列车数字化研发设计方法，实现谱系化产品的设计流程的规范化，支持设计研发过程的柔性重组，快速响应多样化、个性化的需求，缩短研发设计周期。

1  高速列车过程元模型构建

高速列车设计研发过程通过项目定义启动，项目由一系列任务组成，任务以具有一定逻辑关系的活动实现。高速列车设计研发过程中项目、任务和活动是构成过程的主要要素，需将高速列车产品研发流程抽象划分为三个层次包括项目层、任务层、活动层。

元模型是关于模型的模型，是关于模型语义、集成和互操作等信息的描述。本文采用元建模技术，构建高速列车产品设计过程元模型。过程元模型是为了定义谱系化高速列车研发过程的工作流模型而定义的抽象模型，描述设计-制造过程中包含的过程内容、过程之间的连接关系、以及执行过程的输入与输出。过程元描述过程元模型的组成的基本项目单元、任务单元和活动单元的集合。

过程元模型分为3个层次进行描述，即过程元（元类）、过程元模型（类）、过程元模型实例（具体研发过程）。过程元元类通过赋值组合形成过程元模型，将过程元模型进行具体赋值得到过程元模型实例，即高速列车具体设计研发过程，各层次之间的关系如图1所示。

2  需求驱动的过程元模型实例化设计

高速列车研发设计过程即是不断满足设计需求和技术指标的过程。在需求驱动的过程元模型实例化过程中，首先采集主体需求、关键需求、旅客需求形成定制车型的需求实例;通过调用选定的标准车型的结构树，以及其对应的需求元模型模板，生成需求元模型实例;再通过调用需求元模型实例库、映射规则库以及技术指标模板库，将前端生成好的需求元模型实例，逐层地对需求元模型中的需求项进行遍历，将需求元模型实例对应的技术指标映射出来，并根据规则赋值形成定制车型的技术指标实例;然后利用生成的定制车型技术指标与已有车型的技术指标实例进行匹配操作，选择一个基本车型作为定制车型的参考车型指导后续的配置及变型设计;同时调用产品元模型模板库中的数据，根据前端得到的技术指标实例以及选定的参考车型，形成定制车型的产品元模型实例;最后，通过调用过程元模型模板库以及过程元库，基于定制车型的产品元模型实例，选择不同的过程元组建定制车型的过程元模型，并且根据定制车型研发任务进行具体赋值，得到的具体研发过程，包括研发过程的项目、任务以及具体研发活动。通过上述过程，产品各系统、子系统或者模块，或者组件进行后期研发的初定义，形成研发过程流，并给定按照评审节点进行审核的过程元。

3  实例应用

以总体设计部分车辆平面布置设计为例，项目初始化后，基于角色库、资源库和其他后台数据库，过程元模型实例化以后将以流程图的型式呈现;用户登录后，过程元模型数据库引用用户ID，使用户进入所属角色权限对应的处于未完成状态的任务，点击任务内部已激活的活动“车辆平面布置”，弹出与该活动绑定的前台界面;同时，过程元模型数据库引用需求数据库、产品数据库、指标数据库等后台数据库中的数据及相关的运算法则，将数据以输入参数、输出参数的型式体现在前台界面上。点击右下角的“确定”按钮，数据存入相关数据库，该活动转入已完成状态，同时“任务管理”准备就绪，活动“重量估算”处于激活状态。

按照上述方式構建高速列车总体和组份设计的其余部分的过程元模型实例化功能模块，通过过程元模型之间的嵌套组合形成其研发设计的可视化工作流界面，能够有效实现基于过程元模型的高速列车的辅助设计，提高研发效率。

4  结语

本文提出基于过程元模型驱动的高速列车谱系化产品设计方法，构建了高速列车研发设计过程元模型，通过过程元的组合将需求元模型、需求实例、产品元模型、产品实例等静态数据串联起来形成一个动态的数据流和研发过程，实现高速列车研发设计流程的规范化表达和设计过程柔性化，有效了实现基于需求驱动高速列车谱系化产品快速设计，缩短了设计研发周期。但该方法还存在着一定的不足，如在过程元模型的柔性重组方面还需深入研究，从而进一步提高产品研发效率，降低成本。

参考文献

[1] 董锡明.现代高速列车技术[M].北京：中国铁道出版社，2006.

[2] 郭银章，曾建潮.基于元模型调用的机械产品协同设计过程建模[J].计算机集成制造系统，2011，17（5）：915-923.

[3] 李博，同淑荣，白晶.设计过程基因可拓基元模型及过程基因变异[J].机械科学与技术，2012，31（1）：87-95.