基于PLM 的有轨电车电气系统模块化应用研究＊

时丽丽

（通号轨道车辆有限公司，湖南 长沙 410000）

模块化设计作为在标准化理论的基础上引入系统工程原理的一种现代设计方法，广泛应用于各个行业。它可以最大限度地减少重复设计，缩短产品开发周期，降低开发成本[1]。产品生命周期管理（Product Lifecycle Management，简称PLM）系统是一种对产品生命周期全过程进行管理的计算机软件系统，是企业产品信息的系统管理平台。随着中国智能制造2025 规划的提出，国内装备制造业龙头厂商更加重视自身信息化建设，也逐渐广泛地使用PLM 系统[2]。

在实际应用中，由于不同企业发展状况、不同产品的模块化设计水平、PLM 系统的建设阶段、模块化设计和PLM 系统有效结合程度等多因素影响，企业产品的设计、研发和生产受到严重制约。有轨车辆涉及内容广泛，技术要求复杂，综合性高，其模块化设计要求相应提高。本文从有轨电车电气系统的自身特点出发，对模块化设计过程进行裁剪优化，将模块化设计和PLM 系统有机结合，并应用于有轨电车电气系统设计工作中，取得了良好效果，助力了企业的提质增效和改革创新。

1 PLM 系统与产品模块化设计

1.1 PLM 系统总体架构

PLM 系统结合计算机技术、现代企业管理思想和智能制造技术等对产品全生命周期进行管理，实现了产品研发数据与市场、工艺、制造体系间，与上下游关联企业的互联互通，进而实现协同创新设计与管理。在研发体系中，PLM 与CAD、Proe/Cero 等计算机软件的设计交互接口，实现对产品数据的存储，与企业项目管理互联互通，与企业知识管理资源共享。在企业制造层，与智能制造各个环节数据共享[3]。以典型的Windchill PLM 在公司产品开发过程中的应用为例，其总体架构如图1 所示。

图1 PLM 系统总体架构

1.2 电气系统模块化设计原则

有轨电车电气系统功能复杂、零部件多样、安全等级要求高，因此，在电气系统的设计中需综合考虑模块化的各项设计原则。有轨电车电气系统模块化设计过程中遵循的主要设计原则有[4]：

（1）标准化、系列化原则：标准化、系列化是机车车辆“四化”的首要内容，在模块化设计之初，应首先制定各类模块的设计规范、接口定义标准，编制产品系列型谱等，在标准化、系列化的基础上开展模块化设计。

（2）通用性原则：通用性是标准化的延伸，是模块划分的重要依据。按照电气系统各类模块的通用性将模块划分为通用模块与专用模块。在PLM 系统中，产品模块化设计后形成的产品族结构、模块与接口、相关设计规范及产品文档，共同组成模块化产品平台。专用模块仅可在同一产品平台内使用，通用模块可跨产品平台使用。

（3）扩展性原则：模块在标准化、系列化、可通用性的基础上，必须兼具可扩展性，以满足产品进行配置设计和变型设计的需求。

（4）配置设计原则：模块化设计实现产品多样化的方式包括了通用模块结合专用模块的模块化设计，通用模块结合接口结构的模块化设计，对通用模块进行变型设计。因而模块化设计的核心是配置设计，通过配置设计应能满足大多数平台产品的需求。对少数定制需求与产品提升，研发人员再进行变型设计与创新设计。

（5）优化更新原则：在产品生命周期内，定期对产品模块的通用性、可靠性、经济性等指标进行评价，对模块平台进行优化升级。

1.3 基于PLM 的模块化管理

模块化设计注重从产品系统整体出发，对产品进行系统的功能分析、结构划分，通过标准化、系列化等分析设计得到产品模块，因此，模块化设计本身需要大量产品数据的支持。PLM 系统通过规则设置、产品物料清单（BOM)搭建、图文档与模型管理等方式对模块数据进行系统的管理，支持产品的模块化设计过程。基于PLM 系统的模块化管理的核心内容如下：

（1）编码与图号规则

确定统一的编码与图号规则（规范）是模块化设计的一部分。编码的编制直接使用PLM 系统给出，PLM 根据模块检入的顺序提供流水码，作为模块的唯一编码。

为便于识别和区分，专用模块与通用模块的图号使用不同的编制规则。专用模块与普通的零部件图号编制规则一样，采用项目代号+产品结构代码的规则进行编制，如先锋号基型车（项目代号205）电气系统的图号为：205-01300000-00，中间8 位（01300000）为部件代码，最后2 位（00）是零件代码。在PLM 系统中显示如图2 所示。通用模块需参照零部件的分类、通用模块划分型谱确定模块的编码，使用通用模块编码作为PLM 系统中通用模块的图号。

图2 专用模块图号编制规则

（2）模块管理

对应模块化设计中的专用模块与通用模块，在PLM 系统中，分别建立专用模块库和通用模块库。专用模块库与产品库共用文件夹，通用模块库需要录入到专门的文件夹管理。

专用模块库和通用模块库实行分组、分权限管理。在PLM 系统中，由于数据的对象不仅限于研发体系人员，也有工艺、制造、服务系统的人员，模块化与信息化程度高的企业还实现了跨企业的数据共享，使用权限的分级、分组管理也更加重要。一般设置通用模块库有更广泛的查看权限，更严格的修改权限，专用模块库仅针对当前项目组的人员开放权限。

PLM 系统的零部件（模块）的相关对象、历史记录、高级检索等功能，大大提高了模块化的使用效果和工作效率。相关对象功能自动查找模块关联的图文档、附件、项目任务等；历史记录功能提供模块的历史版本数据；使用情况功能可以查看当前模块应用到的父级零部件，追溯到模块所应用的产品。高级搜索功能可根据时间、模块库、人员等特定的条件对模块数据进行统计，帮助模块进行通用性、有效性、借用率等指标评价。

（3）BOM 管理

产品的物料清单（Bill of Material，简称BOM）是产品数据的重要组成部分，BOM 管理是企业信息化建设的主要内容。设计BOM 完成后，工艺制造人员还需根据工艺方法、制造条件对数据进行转化调整，对应设计BOM 转化为工艺BOM、制造BOM，最终PLM 系统中的BOM 数据与企业ERP 系统集成，服务产品生产。

（4）模块化产品平台的维护与升级

基于PLM 的模块化管理与普通模块化、标准化管理一样，需要及时对PLM 系统中的各类数据进行更新。制定图文档的变更管理制度，优化变更流程，以保证系统的精简高效运行。

2 有轨电车电气系统模块化设计流程

产品开发过程中，在市场需求确定后应首先开展产品的功能分析与评价，确定产品功能；其次根据产品功能确定主体结构模块划分，开展电气各类子模块的型谱规划分析与评审。评审通过后，进入模块详细设计与发布阶段。研发工程师借助计算机辅助设计软件完成产品图文档、三维模型的设计，在PLM 系统中启动发布流程。发布后的各类产品数据的集合组成模块化产品平台。使用同一个模块化产品平台的产品为平台产品，不同模块化产品平台的产品定义为跨平台产品。电气系统作为低地板有轨电车产品平台中的一个子系统，既是产品平台的一部分，又可作为独立的系统开展系统设计与平台构建。

在建立模块化产品平台后，需要定期（模块统计评价、标准化审查等）或不定期（设计变更、文档更新等）地对平台的信息进行维护与优化，以保证模块化平台的实时性与有效性。有轨电车电气系统模块化设计流程如图3 所示。

图3 电气系统模块化设计流程图

3 有轨电车电气系统模块化设计

3.1 电气模块划分

电气系统依托于整车机械结构，同时又有独立的产品功能与设计方法，因而在电气系统主体结构搭建、电气布置与线束级模块设计、终端模块设计中采用不同的模块划分策略。电气主体结构模块、布置模块主要按照主体结构分层设计原则进行划分；在线束、终端模块，需要提取模块的关键技术参数及主要变型因素，按照聚类原则建立模块型谱，再参照模块型谱开展模块设计。结合有轨电车的机械结构和电气系统的自身特点，将电气系统模块分为4 类，对应的主要划分标准与划分依据见表1。

表1 电气系统模块分类表

以5 模块低地板有轨电车为例，车辆采用5 模块3 转向架形式，车辆编组为Mc1+F1+Tp+F2+Mc2+跨接装置[5]，Mc1 与Mc2、F1 与F2 配置相同。5 模块有轨电车的各级电气系统结构划分如图4 所示。

电气系统结构中，1-4 级结构为电气系统的专用模块，第5 级终端模块为通用模块或平台内通用的专用模块。平台内产品通用的专用模块在验证评审可跨平台通用时，可升级为PLM 系统中的通用模块。使用模块化的产品设计，将产品分解为多个通用模块与专用模块，通用模块可以按市场预测需求安排生产，专用模块也可以独立地下达产品订单，满足市场需求，提高了产品的协同设计、协同生产能力。根据需求分别对3 级及以下模块进行配置组合或变型设计，即可组合为新的有轨电车电气系统。

3.2 电气模块化设计

（1）电气线束模块设计

电气线束的组成元素多，有终端元件类型与数量、终端布置位置、电缆选型等，线束设计前可运用三维软件和布线工装进行预布线帮助，对线束进行分配。通过对线束进行合理划分，同时预留扩展性接口和备用线缆，实现同一平台产品内的线束模块化。

以司机室线束为例，将线束按照起点位置、终端位置、中间部件、布线路径等因素进行统计分析，合理划分线束，再结合各终端类型、变型因素、可扩展的终端配置，进而形成不同的线束模块，见表2。在城市有轨电车的产品中，同系列产品的结构尺寸相对固定，线束的主要变型因素为线缆类型、接口配置、可选配置，次要变型因素为线束与分支线束长度。

表2 司机室线束型谱表

（2）电气终端模块设计

电气终端主要指各类电气终端设备、终端元器件、机械液压部件的电气部分。终端模块具有相对独立的功能和通用接口，通用性强，多为可跨产品平台的通用模块。

通过对各类终端进行性能分析、统型确定电气终端型谱。按照型谱分析确定产品最终的优选模块，在PLM 系统中录入电气通用模块化库。以有轨电车前照灯模块为例，对应型谱表如图5 所示。

图5 通用模块型谱表及编码规则

模块化的终端部件及PLM 系统管理均面向产品全生命周期的所有环节，在提供必要设计信息的基础上应在PLM 系统中补充模块相关的技术协议、供应商技术文档等信息作为模块的关联信息，以满足不同阶段用户的使用需求。

3.3 电气接口设计

电气系统的物理接口分为两类，第一类是标准物理接口（如标准通讯接口、影音设备的通用接口等），第二类为柜体、设备、车辆跨接等位置的物理接口（各类连接器）。针对第一类物理接口，需要对各类设备接口、对应通信协议等进行分析，最终针对同一种通讯协议确认统一的物理接口。第二类物理接口主要是连接器的选型及接口设计，在连接器的选型确定后，综合考虑电磁兼容性、可扩展性、可维修性等因素后，确定统一的接口编号规则。

在PLM 系统中，第一类标准物理接口使用唯一的外购件编码即可。针对第二类物理接口，通过对连接器的使用处进行统计分析，连接器插针型号及数量为主要变型因素，同时结合生产实际，连接器插针是制造及服务环节更换频繁的零件，从而将接口模块的BOM划分为连接器外壳和连接器插针两部分管理，大大减少了连接器的外购件编码，提高了连接器的通用性。

4 结束语

采用基于PLM 的模块化电气系统设计，应用于有轨电车电气系统设计研发和生产，产品的模块化平台在PLM 系统中搭建完成后，平台型产品的研发周期缩短20%以上，产品成本降低10%～20%。整合优化后，可以更好地满足产品多样化需求，车辆90%以上的线束实现了模块化制作与装配，线束的扩展性和兼容性大大提高，同时线缆浪费减少，生产效率进一步提高。因此，将PLM 系统和模块化设计有机结合，相互促进，不仅优化了电气系统模块化设计，而且助力企业降低成本，提高生产效率，提升产品竞争力，为产品的协同创新设计、柔性化与智能制造打下良好基础。