【摘要】现代企业竞争中，成本管理越来越成为重点关注问题。轨道车辆成本中，设计成本占全生命周期较大比重，采用模块化设计是缩短设计周期、降低制造成本的有效途径之一，对车辆交付用户进入运维阶段成本控制也有很大影响。本文围绕模块化设计在生产制造和运营维护各阶段的影响，对其与全生命周期成本管理之间的关系进行分析，从而说明轨道车辆设计中推进模块化设计的重要性。

【关键词】轨道车辆；模块化设计；全生命周期；成本管理

引言：

近年来，我国高速铁路及城市轨道交通发展迅速，轨道车辆需求日益增加，国内制造厂商也随之快速发展，如何在保证产品质量的同时缩短设计周期、降低制造和运维成本成为车辆制造企业越来越关注的重点。我国轨道车辆市场目前主要包括普通客车、高速动车组、地铁和轻轨等。同类型产品的研发和使用与发达国家相比较晚，运行和维护经验相对欠缺，这就要求我国车辆制造企业在日常运行和维护中不断积累经验，分析车辆从设计制造到运行维护以及高级修各个阶段进行成本构成，形成全生命周期管理的整套数据，从而总结出车辆从设计交付到车辆报废的全生命周期中各阶段成分分布情况以及设计成本对后阶段的影响。逐步优化成本结构，指导新项目设计使用。

1.轨道车辆的模块化设计

1.1 模块化设计

模块化设计是指对不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合构成不同产品，以满足客户需求的设计方法。这种设计方法以少量的模块组合成尽可能多的产品，从而实现用最少的设计投入，最大限度的满足不同的客户需求，在保证产品质量的前提下，这种设计方法可以有效地缩短交货周期，减少项目后期投入。

产品设计中，模块是设计和制造的基本单元和功能单元，具有独立性、互换性、通用性等特征。在设定好不同模块间接口后，各模块可独立设计；对于同系统不同功能的模块，机械接口及电气接口完全相同，在产品组合中很容易实现互换；对于不同平台的项目，已经形成的模块化产品可以实现部分通用，这样可以有效减少采购件种类，缩短采购周期。

1.2 模块化设计理念在轨道车辆设计中的应用

模块化设计理念在目前国内市场运营的各种轨道车辆中，均能够起到缩短项目周期，保证产品质量，最大限度满足用户需求的作用。

轨道车辆中，整车可按照功能划分为车体、电气、内装、水暖通风等几大低层级模块。每个大模块按照功能分下一级模块，如电气可分为牵引、制动、网络、空调、旅客信息等二级模块。二级模块中，按照部件功能、性能又可分成三级模块。如牵引模块，按功能可分为受电、变电、驱动等高层级模块。同样，受电模块又可分出四级模块，逐层分解直至最小可拆分单元。这种分解方式形成了车辆设计EBOM层级结构。前两个层级的模块是系统级模块，包含范畴较大，对设计具体工作产生影响是从第三层级模块开始，即功能模块内逐级划分到最小可拆分单元的一层。该层数据经整理后形成设计矩阵并指导新项目使用。

以二级模块空调建立设计矩阵，按其功能可分为机组、控制柜、风道、废排等模块。根据现有数据，确定各模块机械接口种类。如空调机组共有三种机械接口，空调控制柜有四种机械接口等。各接口确定之后，车体设计中为空调模块预留的各机械接口即可明确，新项目设计时，车体接口可以从已建立的数据库中横向选择满足客户需求的功能模块，减少充分设计，缩短设计周期。

机械接口确定之后，需维护电气接口数据，统一生成模块化设计矩阵。项目设计过程中，根据客户需求从矩阵中选取相应的模块机械接口，接口数据已能够满足车体设计需要，此时仅需纵向选择满足客户需求电气模块。如自动空调和手动空调、模拟调温和自动调温等，均可以从矩阵中选取。如表1的模块设计数据简表，横轴表示机械接口，纵轴表示电气接口，其中“SJ000001”表示机械接口为“机组1”的情况下，“手动控制”功能的空调所对应的设计资料。

矩阵数据建立后，新项目各模块设计只需从中选择即可完成大部分工作。“SJ000001”所示资料是一级数据，其中包括各种下级功能模块及图纸、文件等内容。按照各二级模块的最小可拆分单元，建立标准化数据库。同样功能的模块，机械接口须相同，这样一来前期设计不受影响的情况下，通过简单更换即可实现功能转换。产品招投标阶段，项目人员根据矩阵数据向用户介绍产品。如果遇到矩阵中没有的需求，则根据已有数据做最小改动后更新数据库。

2.轨道车辆全生命周期成本管理

轨道车辆全生命周期管理涉及到很多方面，本文主要考虑设计成本、制造成本、运维成本和检修成本。

设计成本是车辆制造企业在项目设计过程中发生的成本，在全生命周期总成本中约占60%，其中最主要的部分是车辆配件的采购成本。这部分成本与性能和质量有直接关系，配件要求越高，设计成本越高，质量越好，整车可靠性越高。产品设计要考虑全车全生命周期重要配件质保期、保养和维修周期，质保期越长，成本越高。为产品稳定性考虑配件质保期的同时还需要考虑超质保期的各项费用，这些都会对全生命周期成本产生影响。除配件之外，设计成本还包括设计人员工资、福利及差旅费等其他部分。

制造成本是产品在制造过程中发生的成本。主要由直接材料、直接人工和制造费用三部分组成。直接材料是指在生产过程中的劳动对象，通过加工使之成为半成品或成品；直接人工是指生产过程中所耗费的人力资源，可用工资额和福利费等计算；制造费用则是指生产过程中使用的厂房、场地、工装工具、辅助材料、设备、车辆、能源及其他耗材等。

运维成本是指车辆交付用户且在质保期之内整车运行和维护的成本。这部分成本主要包括备品备件、备用工具、售后建站、售后人员以及办公用品等。不同项目设置不同售后服务站（主要是指干线铁路车辆和城市轨道车辆）和备件库，由项目专业售后服务人员负责对站点所管辖的车辆进行日常维护。

3.模块化设计与全生命周期成本管理的关系

模块化设计对车辆制造项目执行各阶段均有一定影响，对本文涉及到的五个部分起到不同作用。

产品设计阶段，通过模块化设计，可以在满足用户需求的前提下有效地缩短设计周期，从而在设计层面减少人力资源成本。配件设计方面，从已建立的数据库中选择高层级模块，逐级搭建起模块化组建实现车辆功能。设计初期配件性能、质保期等数据可初步确定。后期质保期等改变只影响采购成本，而不会对设计周期产生影响。性能改变则在配件成本受影响的同时，小范围影响采购周期。如果数据库中数据量足够，则可以直接选择使用，如果超出范围，需更新数据。

生产方面，激烈的市场竞争要求制造商用尽可能少的资源消耗，低成本、高质量并迅速推出能满足用户需求的产品。通过模块化设计，产品制造过程中所需的各种资源可以确定，工艺人员的工作同样可以通过模块化设计，形成工艺标准化工作。制造过程中，根据已经确立的各模块数据，物料、工装、工具、人力、能源及其他配套资源都可以按照生产计划及时配送到生产现场，保证生产周期，减少制造过程中的各种浪费。

车辆运维配套的备品备件可随标准化程度减少，人力资源培训亦也可降低难度，实现多技能，从而减少现场人员。维护过程中，由于车辆模块化制造，现场故障处理和配件更加快速，有力保障产品稳定性。

由于模块化设计和模块化制造，车辆高级修中拆解和配件更换操作时间有效缩短。人员技能与新造和售后基本相同，实现互换，节省人力成本。通过设计模块化数据库维护，高级修相当于拆解和新造的叠加。此外，车辆高级修会产生新数据，显示出同一个部件新造性能对车辆检修的影响。如一台电机的设计性能决定成本为20万元，各级修只需简单维修，全生命周期中共计20次，每次维修2万元，该电机全生命周期总成本需60万；同理如果设计设计性能决定电机成本为10万元，一定公里数须换新电机，全生命周期内共计更好10次，则这台电机全生命周期总成本为110万元。其他配件如电机冷却单元性能的影响也会在检修中展示出来。这部分数据须反馈新项目设计，逐步优化新项目设计成本。

4.结论

模块化设计是实现以数据库的效益进行高效生产的一种有效方法。配件模块是具有独立功能标准部件。模块化设计的作用是在一定范围内不同功能或相同功能、不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合构成不同产品，以满足客户的不同需求。这是相似性原理在产品功能和结构上的应用，是一种实现标准化与多样化的有机结合及多品种、小批量与效率的有效方法。

通过模块化设计，可以有效地降低产品设计、制造各阶段成本，因此，合理地设计产品的全生命周期，并在产品的全生命周期中合理地管理，能有效地实现资源的合理利用并满足客户要求。推行模块化设计并将其应用到轨道车辆以从设计制造到报废的全生命周期中，同时考虑经济性、技术性、市场性与环境性，实现车辆制造企业利润最大化。

参考文献

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作者简介

陈喆，男，工程师