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解码中国高铁三部曲(下):知识迁移机制 中国效率实验室
2017-10-30       suixiang    浏览:1184    0  

本文为《解码高铁》三部曲下篇,节选自《从逆向工程到正向设计:中国高铁对装备制造业技术追赶与自主创新的启示》报告。

面对日、德、法三国差异化的高速列车设计,中国高铁装备研发、设计、制造、试验各参与单位以深刻理解不同车型运行原理、融会形成自主设计思想为目标,开展高强度并行学习,在试验效率、问题识别、工作逻辑、设计工具、标准确立等方面快速改善,在短时间内引致了正向设计能力的突变。

试验中学习

通过基于高密度并行试验的“试验中学”,中国高铁装备研发人员迅速增强了试验技术,提高了试验效率,为产品改进和正向设计提供了适时、优质的数据支持。试验效率是整个试验周期(设计、实施、分析)所获信息的价值与成本比(Thomke,1998),虽与试验速度有关,但绝不等同于此。如果试验设计或操作不合理,试验速度反而有损试验效率。在铁科院国家工程实验室工作的丁福焰举例说,“现在的测试系统都很先进,采数据、出报告好像很容易。但实际上影响因素很多,包括机械、安装、研判等。即使是摩擦系数这么简单的参数,如果把握不当,做一天试验,测出来的数据根本是错的。”由此可见,试验效率取决于试验技术,后者则与经验学习紧密相关。

同时引进多国高速动车组并辅之以大范围的产学研合作,使中国高铁装备产业得以兼具并行试验速度较快和串行试验促进学习的优点。

组建多个项目团队、分别攻关指定型号,这属于典型的并行安排,有利于在短期内完成大量试验,但不同团队难以获取其他团队的同期经验,容易造成各团队“背对背”试错的冗余试验,影响学习效果和试验技术改进。若采取减少单轮试验量、增加试验轮次的串行安排,则难免降低试验速度。与此相比,前述的产学研合作机制,尤其是科研人员的跨团队活动,增强了中国高铁装备试验团队之间的实时信息交流,在保证并行试验速度和密度的同时,获得了原本在串行试验中才能达到的学习效果。

就试验设计而言,据西南交大张卫华教授介绍,“标动共有16个速度档,161个工况,2000多个组合。虽然不是每个组合都做了试验,但也做了上千个组合。”研发人员并非不计成本地做加法,而其增删取舍试验设计的基础就是前期积累的试验技巧和相关知识。就试验操作而言,负责标动线路试验的大西高铁试验指挥部受访人员表示,“试验大纲比较粗,通过现场优化才能将互不干扰的试验内容并行安排,不至于因某项试验出现问题而荒废整天的实验时间。而在并行安排中如何进行试验穿插,就取决于长期练出来的经验。”

实干中学习

通过工程实践与设计实践反复迭代的“干中学”(Arrow,1962),中国高铁装备研发人员在设计输入和设计工具上取得了大量突破,形成了具有鲜明中国特征的自主化正向设计平台。在访谈过程中,不少技术专家指出,“车辆设计知识是高度依赖经验积累的,很难从书上或者国外学到。”

从2004年前的自主研发到大规模、多源头的技术引进和消化吸收,经验知识积累大大加速,主要体现在三个方面。

一是识别核心问题。影响高速动车组性能的因素极其庞杂,不可能也不必要全部纳入模型。确认核心问题及其影响因素是合理简化设计模型的先决条件,而不同问题和要素的相对重要性往往在产品开发和工程实践中才能显现。例如,尽管文献广泛提及空气动力学问题,但中国高铁装备研发人员却是在广深线提速过程中才真正认识到这一问题的重要性。

中国高铁装备研发人员对气密强度的认识则是在武广线试验中得到深化的。

铁科院原副院长康熊研究员介绍说,“当时我在四方的车上,过隧道时能感觉到晃动很大。后来用传感器测,侧墙板最大内移达到12毫米,疲劳问题严重。”针对这一问题,四方技术中心副主任孙彦表示:“从日本引进的CRH2A时速只有250公里,根本没发现气密强度的问题,日本人当然也不会主动提醒。所以,在研发CRH380A的前身CRH2C-350时,车体气密强度的要求就沿用了之前的4000帕。结果,CRH2C-350在武广线上过隧道后,车体和门窗全都变形。我们在排查后发现,气密强度是造成此情况的主要指标。”

认识到这一问题后,四方投入大量研究资源,“在车体重量仅增加4%的情况下”,将CRH380A的“气密强度从4000帕提高到6000帕”(矫阳,2011)。得益于经验性的问题识别和定义,中国高铁装备产业才能在迫切的追赶要求下,最大程度地减少过冗余、过试验、过设计造成的浪费,将有限资源聚焦于“真正的问题”。

二是构建工作逻辑。高速动车组的架构高度模块化,其性能提升需要同级组件的优化匹配和自下而上的有效集成。正向设计能否形成符合用户期望的整车工作系统,实现这一设计的生产成本是否合乎预期,取决于研发人员对各级组件之间静态依赖关系和特定场景下动态调用关系的定义。这些关系的结构化表达,就是车辆工作逻辑,也是正向设计的精华所在(沈志云,2014)。由“中华之星”等早期型号到CRH380系列和标动,中国高速动车组工作逻辑急趋复杂。

案例:

以信息传输为例,铁科院首席研究员王悦明介绍说,“‘大白鲨’的信息传递量和机车拉客车差不多,主要是一条开门线和两个司机室的控制线需要全列贯通。CRH型号则是每条信息都要传到主控车和其他列车。”

中国高铁装备研发人员通过反复调试不同应用条件下的引进车型故障逻辑,逐步加深了对高速动车组工作逻辑的认识,随后根据实际运行条件自行设置逻辑或改写原有逻辑。在密集的“试错—改错”过程中,中国高铁装备研发人员掌握了部件级、产品级、系统级等各层次硬件和嵌入软件、应用软件的联通、控制、监测、诊断等关系。目前,标动已经达到了“长客造和四方造车辆均能接收、执行、反馈对方主控车指令”这一“从未有过的信息传递和处理水平”。考虑到车速越高,“需要及时观察、判断的情况越多,对可靠性和实时性的要求越高,软件接口越多”,不同厂家车辆之间互联互通的事实反映出中国高铁装备研发队伍已具备了自主开发全套车辆工作逻辑的能力。

三是发展设计工具。高速动车组是众多组件交互形成的大型装配体,结构复杂、关联量大、参数繁多是其设计模型的固有特征。在明确关键变量及其关联关系的基础上,内置了逐层级关联关系的设计工具可固化产品工作逻辑、实现组件协同变形,帮助研发人员根据特定用户需求自顶向下地生成设计模型,减少设计工作量,丰富产品多样性。

而要发展出正确传递并表达设计信息的优质工具,并保证其可读性、稳定性、后续开发与维护便利性,则有赖于研发人员在建模方法、设计参数、程序结构、实现方法上的实践经验。就建模方法和设计参数而言,西南交大徐志根教授表示,高校实验室的“支撑作用之一,就是确定设计用参数。我们根据基础理论和实验室数据建立模型,在大系统动力学的基础上做一个设计平台,为工厂提供动力学参数。工厂拿到这些参数,就能设计车辆。”就程序结构和实现方法而言,不少设计软件和设计环境“都是通过搞动车组,一点点摸索、一点点琢磨、一点点建立起来的”。

案例:长客副总工程师李军指出,2006年底长客派队去唐车参与CRH3A的消化吸收,了解到西门子用的是ELCAD三维设计软件,就联系软件公司,咨询设计步骤,再按照步骤自己摸索着搭建设计平台。为了测试平台是否有效,就把西门子给的生产图纸拿来,看能不能生成一样的图纸。如果不行,根据两头的结构和结果,继续推测、调整。2007年我们完全复原了西门子的车体设计。这就证明,我们有了自主的设计平台,而且和西门子的平台至少在工程化上是等效的。标准动车组设计的所有分析计算模块,都是这样建立起来的。

应用中学习

通过运行、维护技术来源各异的多种列车型号的“用中学”,中国高铁装备研发人员对各种设计理念在特定条件下的具象差异有了更为深入、直接的认识,提升了依据应用环境确立设计标准的水平。研究表明,新装备有80%的问题都是出乎设计人员预料、在投入使用后才首次发现的,而解决这些问题所需的信息也隐藏在使用环境之中。实际上,标动研发人员是需要融合国内现有四个平台的设计理念的基础上,才能确定了适合国内环境的设计要求。

铁科院首席研究员王悦明指出,“广深线提速前,看过国外文献,知道空气动力学研究是基本要求,但从上到下都不重视。没想到,在160公里到200公里的低时速下已经出现很多问题。准高速列车和老式客车交会,把对面的木头窗子都吸过来了。这才意识到空气动力学的确是高速情况下的大问题,原铁道部才会支持相关研究,为后来的高速动车组打下了基础。”纸上得来终觉浅,所有的实践真知,才是真正的装备制造腾飞的法宝。

德国和日本的理念也有所不同。日系车强调人的作用,很多监测项目由人工完成,不包含在监测系统之内,因此,对管理精细程度要求高,检修频率高。德系车强调硬件的作用,监测事无巨细,需要的检修人员少,但操作复杂,容易报故障。”

德国和日本这两种理念本无高下之分,也各自延伸出了适用的配套模式。然而,一旦落实到他国环境中,管理者或操作者对这些问题响应和处置方式的态度却可能截然不同。

有些铁路局不喜欢欧洲车型,因为报警、停车太频繁;但是,有些铁路局认为小问题都报警也没关系,心里踏实。为此,标动研发团队需要建立起全新的适用性自主标准。在体系架构上,比德国更强调监测,安全监测点从引进车型的1000多个增加到标动的3000多个。但在信息展示上,则把监测信息分成了给司机、给随车机械师和给段上检修人员的部分。司机不会被频繁的报警打扰,随车机械师则能全面掌握车辆状态。

小结

后发而上的中国高铁已经不可逆转地改变了世界高铁的格局。“全球市场在过去几年经历了巨大的变化,一家来自亚洲的企业强势改变了市场格局。” 在上个月西门子宣布和阿尔斯通的交通业务合并中,总裁Kaeser意味深长地提到了这一点。中国高铁的发展,自有其特殊的规律,然而也非常值得总结。从战略导向看,采用了“一竿子到底”的战略思维。从资源配置看,数十年传承有序的人力资源积累和协调有效的长期合作机制,是该产业形成正向设计能力的基础。而从活动系统看,根据科研与工程需要持续完善的试验体系,特别是同步提升的试验理念和组织水平,是该产业形成正向设计能力的重要支撑。这些都值得装备制造业的深思和借鉴。

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