项目团队一起研讨轨道车辆谱系化研发中的问题。受访者供图
川观新闻记者 曹凘源
飞驰的高铁动车组，是中国速度和中国制造的一张亮丽名片。不久前，中国国家铁路集团有限公司有关负责人表示，自2021年启动的CR450动车组研制项目目前已进入整车装配阶段，样车将如期在2024年内下线，后续将开展一系列试验。这列中国制造的CR450高速动车的实验运行速度将达到450公里/小时，商业运行速度将达到400公里/小时，正式运行后有望一举成为世界上最快的高速列车。
9月10日，全省科技大会上，由西南交通大学丁国富教授主持完成的“轨道车辆谱系化智能设计与柔性制造关键技术及应用”项目荣获2023年度四川省科学技术进步奖一等奖。团队经过10多年的攻关，破解了需求复杂、体系庞大、层次复杂、难度颇高的轨道车辆谱系高效率、高质量研发难题，创新了基于元模型的谱系化产品研发模式，突破了模块化智能设计与基于数字孪生的柔性制造等关键技术，研制了首个轨道车辆快速定制设计与制造一体化工业软件平台，让轨道车辆研发制造降成本、提速度。
构建元模型
解决轨道车辆需求多样性和高成本矛盾
提速，一方面得益于制造技术的创新发展，另一方面也有赖于谱系化研发带来的益处。
轨道交通装备是支撑交通强国战略的重要载体。当前，全球及国内轨道车辆市场强劲增长，国内外动态、个性、多变的市场需求与日俱增。“这就亟需推动轨道车辆谱系化研究。”在西南交通大学先进设计与制造技术研究所所长、西南交通大学机械工程学院副院长丁国富看来，如何高效率、高质量实现轨道车辆谱系化研发是我国轨道车辆研发的主攻方向。
丁国富带领团队进行实验。受访者供图
这是一个需求复杂、体系庞大、层次复杂、难度颇高的研究体系，为此，项目团队提出并建立了基于元模型的轨道车辆谱系化研发理论方法与技术架构，解决了轨道车辆多样性和成本之间的矛盾问题。
“元模型是其中的关键。”为了便于记者理解，丁国富指着桌面上的矿泉水瓶举例介绍。“我们把轨道车辆拆分成不同的部件和版块，建立元模型，这就类似于拆解这些瓶子，可以分成瓶盖、瓶身、标签等。轨道车辆在不同环境、不同应用场景的设计需求有差别，就像有的瓶子需要瓶口大一点，有的瓶子需要多打两个标签。设计时，我们抓取通用的元模型并根据不同的客户需求进行局部调整，最后组合在一起，这种方式就会大大节约时间和成本。”
元模型从哪里来？“这就需要企业在研发过程中做好数据采集，元模型数量越多，我们在后续开展谱系化研发时就会越轻松。”丁国富介绍，在元模型的支撑下，项目团队提出了多域约束下轨道车辆两阶段智能定制设计寻优技术，以及基于模块特征相似度智能匹配的设计-工艺-质量关联映射技术。“也就是说，通过数据计算分析，系统在设计过程中会自动推荐合适的元模型和制造工艺等，实现工艺与质量文件快速生成，从而进一步减少研发时间，提高研发效率。”
用好数字孪生
轨道车辆离散制造更“敏捷”
设计优化的最终目的是为制造赋能。经过10余年攻关，丁国富团队研制了首个轨道车辆快速定制设计与制造一体化工业软件平台，提出了轨道车辆离散制造系统多层次组态化虚拟重构技术，解决了制造过程敏捷化响应难题。
离散制造，是指产品的生产过程通常被分解成很多加工任务，产品往往由多个零件经过一系列并不连续的工序的加工最终装配而成。制造过程中，企业常常按照主要的工艺流程安排生产设备的位置，以使物料的传输距离最小，另外其加工的工艺路线和设备使用也非常灵活。
项目团队合影。受访者供图
“这就需要用到数字孪生技术。”丁国富介绍，依托轨道车辆快速定制设计与制造一体化工业软件平台，团队将数字孪生技术应用在轨道车辆制造中，通过数字化模型和实时数据分析，实现对车间布局、生产计划、制造工序的监控和优化，提高加工设备的运行效率以及制造过程的安全性和便捷性。
数字化制造反过来也会进一步推动谱系化研发。丁国富表示，项目团队在其研发的工业软件平台上构建了基于产品构型的轨道车辆产品数据-知识-模型体系，解决了数据一致性、可追溯性和贯通性问题，实现了轨道车辆谱系化研发全流程数据贯通和功能集成。
“目前该平台已经应用在中车等多家轨道车辆生产企业，支撑了‘和谐号’‘复兴号’、城轨车辆等多个系列先进轨道车辆的成功研发。”采访过程中，丁国富向记者算了一笔经济账——企业研发周期缩短约35%，近三年产生的直接经济效益达32.94亿元。
“可以认为，这个项目为全国轨道交通装备数智化转型提供了经验借鉴，我们也正在探索，将元模型和柔性制造技术应用到其他领域，进一步推动我国轨道车辆研发技术体系进步，服务四川省轨道交通产业高质量发展。”丁国富说。
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