新产品开发是企业穿越行业周期、实现可持续发展的必要手段。一些优秀企业通过智能化、机制化手段提高新产品开发质量与效率、使新产品快速产业化的相关经验，值得参考借鉴。
——编者

智能化平台助力新产品开发

文/中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司

关键词：中车戚墅堰所  精益研发  模块化设计  产品簇  智能化平台  数字孪生模型  智能辅助决策

     中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司（以下简称中车戚墅堰所） 是中国中车股份有限公司下属一级核心企业，是我国轨道交通齿轮传动系统、联轴节、基础制动装置、车钩缓冲装置、减振降噪等关键核心零部件研发及产业化单位，同时也是轨道交通行业基础材料与基础工艺的技术研发及推广单位。
     近年来，中车戚墅堰所在轨道交通的核心基础零部件、关键基础材料、先进制造工艺和产业技术基础等方面开展了大量工作，解决了制约高速动车组、大功率机车等轨道交通装备关键技术难题，为国家轨道交通装备发展做出了突出贡献。
     中车戚墅堰所以企业当前面临的研发管理问题为导向，以模块化设计和知识管理为基础，依托信息化手段，在规范化设计流程导引下，以产品模块、设计规范为约束，构建具备智能辅助设计决策、自动化输出的产品设计与管理的智能化平台，形成了基于智能化平台的新产品开发管理模式，实现了对研发过程的有效管理，取得研发效率、效益的全面改善，提升了企业核心竞争力。
    
一、确定基于智能化平台的新产品开发管理总体思路
     基于智能化平台的新产品开发管理总体思路如图 1 所示，其主要特征如下。

1. 精益研发理念
     精益研发主要表现在五方面：一是精准满足客户需求，通过引导和管理客户期望，以最少的产品变化满足不同的客户需求，从源头减少产品多样性，降低企业生产组织、成本与质量控制、售后运维的工作难度；二是基于产品簇群最优原则，精准定义产品设计边界，合理构建产品簇共用基础模块，实现产品标准化、模块化、系列化；三是形成产品成本、交期、质量的综合比较优势，通过推动产品模块重用、设计规范指导与约束等，快速生成质量和成本综合最优的产品，在产品交期、成本和质量方面形成领先于竞争对手的综合优势；四是持续优化共用基础模块，设计规范信息化平台，确保产品技术的先进性与适宜性，实现产品对市场需求的持续满足；五是实现知识管理与传承，以产品模块等形式推动知识的封装与重用，进而实现企业知识的不断传承、利用和再聚集，打造企业不可复制的核心竞争力。
2. 智能化研发赋能举措
     基于精益研发理念，构建智能化平台，嵌入需遵循的设计准则、产品模块和研发流程，集成设计过程需使用的大量工具和模板，并依托导航式设计流程，智能推荐优选设计方案与产品模块，实现智能辅助设计决策、自动校核计算、设计质量自控制、自动生成设计图文档。基于该平台的产品开发，应能降低设计人员工作难度与工作量，实现人员赋能。
3. 产品开发与技术研究双轮驱动研发模式
     智能化平台聚焦成熟度较高的平台产品开发，解决当前市场需求问题。此外同步跟踪市场与技术发展趋势，开展产品平台升级换代的相关技术研究， 并将验证后的新产品平台导入智能化平台，指导新的代际产品开发，形成产品开发与技术更新迭代良性循环。
    
二、构建基于产业链协同设计的共用基础模块
     通过合理构建产品共用基础模块，可实现企业知识的封装与传承，并解决产品质量、成本、交期三者不可协调的矛盾，取得三者综合最优。为系统做好模块化设计工作，于2015年引入国际知名咨询机构，并确定了模块化设计总体思路：产品共用基础模块不仅应包括可在不同产品和系统间共用的模块，还应涵盖可共用的零部件、设计方案、结构特征等设计成果。共用基础模块的梳理与制订，必须基于产业链协同设计，从产品实现全过程进行系统分析与优化，并兼顾外部和内部、当前和长远要求。进一步丰富模块化设计内涵，以确保取得的效益最大化。
     1. 系统分析与优化产品簇客户需求
     客户差异化需求是造成产品及其模块多样化的重要原因。因此，基于产品簇视角，首先梳理了哪些用户具有多样化的要求，并根据不同产品的销量占比及未来趋势等信息，兼顾当前与长远，对用户需求进行优化与组合，优先满足最能产生效益的用户需求，从源头减少零部件的种类达10%。
2. 优化产品簇技术方案与架构
     造成产品多样性的另一重要原因是产品技术方案不统一。这相较于客户多样化需求，更容易为企业所控制，因此，应以实现产品簇最优为原则，从产品簇视角全局统筹考虑优化技术方案和产品架构，尽可能以最少的技术方案和模块满足最多样化的客户要求。优化、整合了产品技术方案与模块，零部件数量进一步精简20%。
3. 面向产品实现全过程优化模块
     以上是从客户需求端及技术解决方案来进行产品模块优化，此外，还应与工艺设计、生产制造、外协采购等协同，降低产品结构复杂性与多样性，提高模块工艺方法的一致性，提高外包或采购零件模块化程度，从而减少模块数量，降低生产及供应商管理难度，并形成批量效应。零部件数量进一步精简20%，集成供应商数量增加15%。
4. 基于PDM（产品数据管理）建立产品模块库
     根据前面几个阶段的迭代与优化，确定最终的产品模块，历时15个月，完成了轨道交通齿轮传动系统的共用基础模块建设，将该产品簇近800个（种）零件优化为200个（种），其中标准模块占比约为30%，可变型设计模板模块占比约为50%，特定产品专用模块占比约为20%。并将这些共用基础模块纳入PDM管理，以备后续类似产品重复使用，从而派生出技术成熟、质量可靠、成本可控的产品。

    
三、统筹制订产品设计规范与标准化研发流程
1. 制订面向设计全过程的产品设计规范
     为进一步规范产品设计，逐步将专家头脑中的知识显性化，中车戚墅堰所以“面向产品设计全过程”为目标，以“总体规划、分步实施”为原则，统筹公司设计规范制订工作。一是明确设计规范内容应涵盖零部件计算校核准则、结构配置原则、历史案例及其使用条件说明、优选顺序、 评判标准、加工、采购等设计过程需考虑的所有内容与管控要素，形成企业版的《设计手册》，指导、规范产品设计，以解决以往产品设计随设计师风格变化而变化、设计质量不高、知识传承困难等问题。二是组织公司专家委员会拟定设计规范制订总体规划，并综合考量需求迫切性与技术成熟度等因素，明确每年的设计规范制订任务，并纳入相关专家的年度绩效考核。组织专家按计划制订产品设计规范，并通过设计、工艺、采购、质量、制造等多专业人员评审后，作为企业标准约束、规范新品设计。历时4年完成了轨道交通装备齿轮传动系统相关设计规范二十余项、设计指导文件十余项。
2. 制订基于任务工作包的标准化产品研发流程
     为提升研发管控流程指引性与约束性，在通用质量体系要求的基础上，结合产品特性，细化产品开发需遵循的技术流程，明确各项设计活动的输入、输出，规范设计活动及其数据传递关系，明晰各活动可参考或需遵循的设计准则，将质量管控要素融入相关设计活动，降低设计返工与质量风险，从而使产品的设计过程有序、正确、高效。
     标准化设计流程制订通常应遵循如下顺序：先确定关键方案，再进行结构布局设计，最后进行各类零部件详细设计。该流程涵盖产品设计中所有任务、数据及逻辑关系，其过程十分复杂。中车戚墅堰所花费近半年时间，进行基础数据整理，制订了如图2所示的轨道交通装备齿轮传动系统标准化产品设计流程。图中每个方块表示一个工作包，工作包之间的箭头表示存在数据交互。
     为进一步强化管控，研发流程还应细化到工作包，即研发的每个工作任务。工作包是设计师最基本的工作单元，因此应清晰定义出其输入、工作质量要求、可用共用模块和知识、输出等，确保各项工作能得到准确输入，获得所需资源，遵循相关规范，以输出正确结果，进而通过提升工作包完成质量来保障整个设计流程的质量。研发活动工作包如图3所示。
     一是输入，包括客户需求、继承自前续工作包的信息等；二是输出，工作包应产出的数据或成果，如传递给后续工作包的数据、零部件模型、计算报告等；三是模块化资源，完成该设计活动可借用的共用模块；四是知识，辅助完成该设计活动时可以参考的各类知识，如设计规范、碎片化提示等；五是质量，完成该设计活动的质量要求及核查准则。
    
四、自主搭建智能化平台
     共用基础模块与设计规范等知识若仅以静态形式储存起来，其价值与意义将大打折扣。因此，需要构建信息化平台，将模块与设计知识融入系统，并在流程牵引与引导下，推动其不断重用，进而规范、指导、辅助产品研发，并减少工作量、缩短设计周期、降低产品多样性和质量风险。该信息平台一方面具有大量设计要素间的复杂逻辑关系，另一方面与产品技术特征高度相关，国内并无类似成熟商用软件，需要自主开发。
1. 构建全要素目标产品数字孪生模型
     高端装备产品在实现其功能过程中，往往涉及空间位移、运动传递、力和功率传递、信息传递、各种物理场的变换与传递等，其产品设计是多学科的集成。因此，需要首先构建涵盖其设计过程所涉及的所有要素的数字孪生模型。对于该数字孪生模型，设计师只要向其中注入一定的输入，就能模拟真实目标产品的设计全过程，进而自动形成各类输出。
     一是建立目标产品空间模型。根据产品簇共性特征与差异化特征，统筹规划产品簇空间架构，建立能适应所有变种的骨架模型，并在模型中定义各功能模块、物理模块，及其空间位置基准与连接关系。二是建立运动与功率流。在产品空间模型基础上，定义运动副关系，如齿轮副、摩擦副等，根据目标产品功能实现逻辑原理，定义运动、力、扭矩、功率等在各零部件中的传递与变化。三是建立信息流。高端装备产品内部存在大量的信息变化，如空间位置信息、振动与温度信息、电场磁场信息、机械电子互相转化信息等，根据目标产品信息产生、变换、传递、再生逻辑关系，在数字孪生体中建立信息流。四是建立物理场。高端装备产品在工作中会形成各种物理场：功率损耗产生热，通过内部液体或空气形成热场，电磁作用产生电磁场，力学作用产生应力场，流体运动产生流场与压力场。根据目标产品空间模型和各类物理场的形成原理，在数字孪生体中建立物理场。五是导入基于神经网络连接的产品簇数据。除了运算逻辑，还要有海量的实例数据注入，才能支撑平台的智能运转。因此，必须对产品簇所有产品进行数据梳理，并根据产品要求－技术特性－零部件－模块－产品关系，建立其神经网络结构，进而导入基于该神经网络结构下的所有数据。
2. 搭建智能化平台
     一是智能辅助决策。模块设计与选用是产品设计的关键工作内容，智能化平台可根据产品需求，智能推荐满足要求的设计方案和模块，辅助设计师进行设计决策，实现知识找人，并有效减少不必要的新零件。此外，智能化平台还将基于模块使用频次、使用场景等，智能动态调整模块优选顺序，确保最优方案与模块被优先选择。二是自动化计算分析。在需要进行计算分析时，平台自动调用计算内核程序进行计算与数据分析，从而规范计算步骤与方法，减轻设计师工作量，并实现计算方法统一、计算项点无遗漏，排除人为因素干扰，保证计算的高效性、正确性和全面性。三是设计质量自校核。完成设计或计算分析后，平台还将开展全面的设计质量与符合性自校验，从而实现设计质量控制，保证选型与设计规范、设计参数满足客户要求、计算校核结果满足要求，从而实时管控设计质量。四是基于结构化数据的设计文档自动输出。
     智能化平台基于特定场景，调取相应的计算报告、技术条件、用户使用说明书等内嵌模板，自动搜集所需信息，自动输出各类设计文档，从而大幅减少设计工作量，大幅减少人为因素带来的错误。
    
五、实现基于知识推送的产品智能化设计
     产品设计师基于智能化平台进行产品开发时，将在系统流程的导引下，逐步完成各项设计活动，通过质量校核后，最终完成设计。
     下面以轨道交通装备齿轮传动系统产品的方案设计、零件变型设计、组装等几个典型工作包为例，说明智能化平台的运作机制。
1. 智能辅助完成齿轮副方案设计与选型
     联轴节设计工作包完成后，负责齿轮副方案设计的设计师将收到该待办任务，进入该页面后可进行设计工作。
     一是自动收集与传递设计输入。平台将自动收集与传递该工作包所需的输入信息：客户要求，包括传动比范围、中心距、各类运营工况的电机力矩、速度等信息；继承从上一工作包（联轴节设计）传递下来的与当前工作相关的齿根圆直径最小值等参数。二是智能推荐设计方案。此时，平台将智能推荐出完全符合这些输入要求的齿轮副方案及使用频次等信息，智能辅助设计师选择频次最高的设计方案；如无方案满足要求，则需要设计新方案，新设计方案通过严格的审批流程方可使用。三是自动计算与校验。齿轮副方案被选定或重新设计后，平台将进入仿真计算与质量校验环节，齿轮副设计工作包需通过“齿形计算”“可靠性校验”等环节。此时平台自动调用后台计算程序，自动向其传递输入参数和设计参数，自动完成计算与校核，并将计算结果自动反馈至工作包界面。如不满足设计质量控制要求，系统将该设计判定为存在质量问题，需要调整设计参数。四是自动形成设计输出。设计完成后，平台将自动生成齿轮副方案设计报告等相关设计输出。
2. 智能辅助完成零件变型设计
     同齿轮副方案设计，进行零件设计时，平台会自动收集出所有相关要求，并智能推荐满足要求的模块。但由于部分零件复杂程度较高，很可能不存在完全符合要求的模块。此时平台会根据相似度评价算法，推荐出与当前要求相似度较高的模块，在此基础上进行变型设计。
     变型设计时，设计师可在智能化平台中调整其设计参数，使其满足要求，平台进而自动调用其三维模板，驱动生成相应模型。该变型设计经自动计算与校验，并通过严格的审批流程，系统才允许进行后续设计活动。
3. 自动完成产品组装
     产品总成下属的所有工作包完成后，系统引导进入组装设计环节。此时，平台将自动列出该组件下属所有标准、可选和可变模块。其中，标准模块将由平台自动选择；针对该组件下属的存在多个系列的可选模块，平台智能推荐出与前续环节设计的可变模块匹配的具体型号，供设计师选型。所有零件设计完成后，平台将自动启动组装体骨架模型，自动完成装配。
    
六、建立产品开发与代际升级协同管理机制
1. 构建人才培育与赋能新模式
     基于智能化平台的新产品开发管理，通过智能辅助决策等给设计人员进行赋能，进而实现基于人员能力的差异化分工，从而构建起人才培育与赋能新模式，并为企业创新发展提供智力与组织保障。
     产品开发人员为能力较弱、 经验较少的研发人员，可在智能化平台辅助下，快速掌握所需技能，较好适应设计工作的要求，主要包括：在流程指引下，遵循相关设计规则，快速生成符合客户要求的产品；跟踪模块使用情况，跟踪模块使用效果、验证确认情况，提出模块改进建议。
     产品架构师为能力较强、经验较丰富的资深设计人员，要将其从长年简单重复的订单产品开发工作中解放出来，重点开展与其能力匹配的产品架构技术研究与管理工作，主要包括：产品架构研究与产品簇管理，优化产品簇产品架构，实现全局最优；产品共用基础模块管理，主要包括模块适宜性评估及模块出入库管理等；设计规范制订，制订企业版的通用设计手册，规范设计并实现知识传承。
     原型机开发人员为创新意识与能力较强的资深设计专家，重点开展产品代际更新的相关技术与产品研究：一方面，基于智能辅助功能制订产品开发路线规划，智能化平台根据已有产品的需求数据、销售量等信息并结合时间走势，预测出未来市场偏好及走向。在此基础上， 原型机开发人员开展各领域前沿技术和市场调研，制订公司产品开发路线规划。另一方面，开展全新技术与产品的研发工作，包括既有产品新功能拓展与性能提供、多学科融合研究与应用、颠覆性替代技术研究与应用、全新产品原型机开发与验证等。
     2. 制订智能化平台动态管理机制
     智能化平台建设不会一蹴而就，需要持续不断做好产品模块等方面的动态管理，从而确保信息平台的适宜性与先进性。主要包括：第一，加强模块入库管理，产品架构师负责新模块开发工作，其开发出的模块经相关质量审查和可借用性审查后，成为合法模块。第二，严格管控模块的修改，库内模块不允许随意修改，尤其不能违背产品簇最优原则为适应某个特定项目而修改。确需修改时，应重点评估对以往借用了该模块的项目的影响，通过后成为新的合法模块。第三，实行模块出库管理，当评估后判定模块已不能／不宜被后续产品借用时，启动模块出库流程，但其历史引用情况仍须保留以备追溯。
3. 建立全新代际产品开发与平台导入管理机制
     智能化平台面向当前市场，通过适应性开发，可快速生成满足客户个性化需求的高质量、低成本产品。全新代际产品开发面向的是未来市场，必须通过研究全新技术与产品，实现产品平台的更新换代。
     公司每年结合产品开发路线图及当前内外部环境变化，组织原型机开发人员开展面向未来市场的相关全新技术与产品研究，确保目标产品领先于市场与竞争对手。研究成果需通过严格的仿真、试验、可靠性及工程化验证，确保产品性能全部满足既定要求、生产要素得到优化、质量稳定性较好。其技术成熟度与产业化可行性等经过公司专家委员会评估后，新的高成熟度产品将导入智能化平台，成为新的可用设计资源，以指导、辅助新的代际产品开发。■

本文系第26届全国企业管理现代化创新成果