標準化電氣軟件設計平臺

• 關鍵詞：電氣軟件,軌道交通,WPS
• 摘要：中車南京浦鎮車輛有限公司隸屬于國務院國資委管理的中國中車旗下一級子公司，是我國鐵路客車、動車組和城市軌道交通裝備專業化研制企業、系統集成供應商及城市軌道交通運行方案解決者。公司始建于1908年，坐落于歷史文化名城南京，擁有位于南京、杭州、合肥、蕪湖、蘇州等地多家控股子公司、7大產業基地，現有員工7000余人，其中工程技術人員1600余人。

一、前言

中車南京浦鎮車輛有限公司隸屬于國務院國資委管理的中國中車旗下一級子公司，是我國鐵路客車、動車組和城市軌道交通裝備專業化研制企業、系統集成供應商及城市軌道交通運行方案解決者。公司始建于1908年，坐落于歷史文化名城南京，擁有位于南京、杭州、合肥、蕪湖、蘇州等地多家控股子公司、7大產業基地，現有員工7000余人，其中工程技術人員1600余人。

在城軌市場，公司生產的城市軌道車輛遍布上海、南京、蘇州、杭州、無錫、深圳、東莞、香港等地區，同時公司先后獲得印度、香港、新加坡、阿根廷、尼日利亞、肯尼亞等16個國家和地區的市場訂單，實現了產品和技術、服務的海外輸出。公司擁有強大的研發平臺和雄厚的制造實力，掌握動車組、城市軌道車輛、現代有軌電車、跨座式單軌、APM、空鐵列車制造和全自動駕駛（無人駕駛）、智能制造、智能物流等核心技術。

公司精益管理不斷追求卓越。以節拍式拉動、看板式管理、流水化作業和標準化工位為核心的精益生產模式，全面改善了管理，大幅提升生產效率和品質，企業獲全國精益管理大獎。通過核心技術開放式創新，企業制造實力全面提升，成為中國軌道交通裝備制造業的骨干企業和現代城市軌道交通裝備的龍頭企業。

電氣研發部是公司技術中心下屬的七大部門之一，于2020年成立，承擔著公司所有有關電氣控制、智能化的研發和設計工作，目前有員工近200人。

二、實施背景

（一）面臨的問題 

通過調研分析，由于設計軟件的不同和管理流程的缺失，現如今車輛電氣設計過程中主要問題如下：

• 沒有規范的標準化通用電氣件數據庫，存在大量一物多號的情況，相同型號的產品在不同項目間無法復用，造成了庫存的浪費。 

  當前各個專業組之間的電氣設計相互獨立，未能形成標準化流水線作業模式，信息傳遞存在脫節，不便于有效管控，造成大量重復性勞動，影響工作效率；且項目數據變更傳遞同步性不高，缺乏有效的審核，同時缺少統一的管理歸口，因此無法保證數據的一致性和可維護性，項目實施質量得不到可靠的保障。

• 目前車輛電氣設計主要參考由以往項目經驗形成的設計規范，與國內和國際通用標準存在差異。

• 由于設計工具的不同，各專業組的設計數據傳遞主要依賴人工編制各類表單。然而車輛設計的過程動態的，設計數據會不斷的更新和迭代，人工頻繁處理、維護表單成為了工作常態，費時費力。

• 目前電氣繪圖軟件僅通過圖形表達來展示電氣原理、布線設計，未能關聯電氣屬性，需要人工手動將所有表達的屬性信息一一填寫到圖中，由于數據種類繁多，效率低下且錯誤率較高。

• 當前階段的項目執行中，各電氣專業設計師均采用獨立作業的模式，缺乏實時有效的平行溝通，存在分散設計-匯總-分配-再更改的冗余工作過程，一定程度上影響了工作效率。

（二）對于新平臺的要求

• 完善統一的數據庫管理需求：軟件帶有國際標準模型庫，基于該設計軟件，建立符合中車浦鎮要求的電氣元器件庫、電氣標準化符號庫、電氣模板庫等，將分布在主機和輔機研制單位的元器件以庫的形式保存，為系統的改進、改型和新系統研發做準備。同時對數據版本和設計流程進行高度整合，明確版本管理與設計人員權限，保證數據的安全性和正確性，實現數據規范管理。

• 高度自動化與智能化需求：發揮計算機和軟件功效，實現材料表、線線清單等報告的自動輸出，摒棄大工作量、繁瑣、易出錯的手工報表統計輸入，提高設計質量和效率?？衫脭祿陌姹緦v史數據進行有效、安全、規范管理。同時，軟件需支持設計規則與標準檢查，可以自動識別設計過程中與規則或標準不符合的項點并提示報錯，且查錯規則可由中車浦鎮自由定義。

• 本地化的電氣系統數字化設計平臺需求：電氣設計軟件通常是一個通用的電氣系統設計平臺，而不同的行業與不同的企業通常存在一些基于其本身特有的設計流程與管理規范而形成的企業需求和特點，在引進新的電氣設計軟件的同時，需要對軟件平臺進行企業本地化工作，因此其對軟件平臺的開放性和軟件的技術支持提出較高的要求。

• 系統定制要求：考慮到后續的維護便捷性，軟件應避免二次開發，采用配置的方法進行系統功能定制。

• 基本專業功能需求：

• 軟件應具備獨立的數據文件格式，能夠將電氣元件數據、圖形符號、模板、原理圖等內容獨立保存，在圖紙繪制和項目設計過程中，系統數據與項目數據、項目圖紙信息與報表數據能始終保持一致。

• 軟件應具備數據完善且符合標準的數據庫，并開放權限由中車浦鎮自行進行建庫工作。

• 軟件中的電氣元件需具備多種屬性，如圖形符號、電氣參數、邏輯功能屬性、采購屬性、工藝布線屬性等。

• 軟件應支持跨部門多人協同設計，支持不少于20人以上的同時在線設計。

• 軟件支持設計數據實時更新同步功能，僅針對軟件原始數據的變更，對應的各環節的報表自動更新。

• 軟件具有原理圖模塊化設計功能，可單獨定制功能完善、獨立調用的模塊化設計圖紙。

• 軟件具備高度自動化設計能力，電氣原理圖中的線號、設備號、電纜信息等可以自動生成。

• 軟件具有原理圖布線邏輯自動連接能力，具有圖形符號的自動連線功能，當圖形符號對齊時，可以自動連接。移動符號后，能夠自動斷開連接。在圖形連線后，能夠自動產生連接信息，在線線清單中自動輸出。

• 擴展功能要求：

• 根據中車浦鎮的規則，對電纜、導線的安裝位置進行自動填寫，并能夠在報表中自動輸出。

• 自動生成各采購類ETB、設備清單等需求表單，對輸出的表單進行差異性比較，生成變更記錄明細表。

• 根據中車浦鎮的連接器的匹配規則，圖面上放置預先規劃的插頭/插座，自動匹配和放置對應的插頭/插座符號，且能夠生成正確的設備結構，輸出相應的報表。

• 根據中車浦鎮電氣設計圖紙中的電線、電纜兩端設備連接器電壓等級匹配規則,在圖中電線、電纜電壓等級屬性位置自動生成對應的電壓等級。

（三）總體目標

提高電氣制圖工作效率，降低設計差錯率；打通設計與結構、工藝布線的數據橋梁，提高跨專業、跨部門的系統工作效率；通過產品數字化設計，輸出準確的、具有指導性的生產文檔供生產制造使用，實現設計工具與PDM管理系統的集成方案，對項目文檔、物料及設計流程進行有效管控； 以實現產品設計平臺化為目標，能根據選項自動調取功能模塊生成原理圖，進一步提升設計效率和標準化程度。

三、內涵與做法

（一）成果內涵

• 隨著軌道交通設計趨向于多功能聯動和數據量龐大的發展，標準化電氣軟件設計平臺內嵌算法適用于大數據的優勢愈發明顯，具有極高的泛用性和先進性；基于IEC、DIN等國際標準及企業標準，建立了浦鎮公司統一化、標準化的標準化電氣軟件設計平臺數據庫，數據庫建立工作與設計標準化管理，具有前瞻性意義；

• 標準化電氣軟件設計平臺的二次開發給管理人員提供了自定義功能的契機，可以極大地便利設計人員，并與PDM系統深度集成，不僅提高了設計效率和質量，還促進了項目管理與審批工作的信息化發展，該技術管理創新方法具有高度可用性；在目前國內標準化電氣軟件設計平臺發展相對有限的情況下，軟件二次開發還具有激勵科研精神與創新精神的深遠意義；

• 該技術管理創新方法更好地體現了設計人員在使用軟件時的設計思路和數據基礎，利用模塊化設計的項目管理方式，更具科學性和系統性；

（二）基于標準化電氣軟件設計平臺電氣設計平臺的技術管理創新方法

1.主數據的建立與管理

1.1、部件創建規范

針對問題：完善的主數據包括部件庫、宏項目、符號庫等部分，在相關規范沒有制定的情況下建立主數據無疑會留下諸多隱患，因此需要建立數據規范供管理人員參考。

基本思路：在軟件平臺搭建之前，集中討論主數據相關建設規范，并制定出臺完整的數據標準，確保后面適用于實際項目的時候沒有紕漏出現。

解決措施：創建部件庫并導入部件相關信息，為此浦鎮公司制定了“建-整-配-導-檢查”的部件創建流程。

1.2、部件庫的創建及部件導入

針對問題：目前中車集團沒有統一的標準化電氣軟件設計平臺部件庫， 如果強行應用于項目中會導致器件信息缺失混亂，需要建立標準部件庫供設計人員使用。

基本思路：在軟件平臺搭建初期，盡早規劃部件庫的信息導入規格以及確認項目所需屬性信息。

解決措施：創建部件庫并導入部件相關信息，為此浦鎮公司制定了“建-整-配-導-檢查”的部件創建流程。

1.3、符號庫的更新

針對問題：原有的ELCAD軟件想改變符號的各項參數（包括方向與信息隱藏等）要經過繁雜冗余的步驟。標準化電氣軟件設計平臺軟件可以在屬性面板調整各項參數，不過軟件自帶的符號庫包括了700多種符號，使用在項目上顯得多余，此外浦鎮公司還需要針對設計要求對使用的符號進行屬性修改。

基本思路：在原有的符號庫基礎上，刪減提取出項目所用到的符號，統一符號庫的屬性修改標準。

解決措施：對原有的符號庫進行刪減，根據項目需要增加符號，針對符號的屬性修改專門建立項目來統一修改保存。

1.4、宏項目的創建

針對問題：原有的ELCAD軟件在部件變更這塊相當固化，供應商做出任何一點修改，設計師都需要重新制作部件庫相關文件重新導入。

基本思路：宏功能是標準化電氣軟件設計平臺軟件相當重要的功能之一，通過設備接口宏能實現即時的更新與設備整體的導入等功能，建立完善的設備接口宏項目能給設計師相當大的助力。

解決措施：一個完整的宏項目需要經過設備接口創建、宏邊框創建、組合宏創建三個過程，以實現宏項目的變更能即時同步到實際項目中。

2.基于實體化與模塊化設計的軟件平臺應用

2.1、流程設計

針對問題：由于采用新的電氣設計平臺，從設計流程到繪圖設計到圖紙變更到數據維護管理流程都需要重新制定。

基本思路：一方面需要借助新平臺的優勢簡化原有流程的冗余項，另一方面為了確保項目的質量，既有流程各環節所應得到的效果不能打折扣。

解決措施：重新設計了基于標準化電氣軟件設計平臺的設計流程、繪圖設計、圖紙變更、數據維護管理流程。

2.2、電氣繪圖設計規范

針對問題：隨著標準化電氣軟件設計平臺完成度日益提高，設計師上手操作時需要一份規范的設計指導。

基本思路：規范需要包括電氣系統原理設計的流程、圖紙架構、圖框格式、符號繪制、功能區分、電氣命名規范等制圖設計要求。

解決措施：《電氣繪圖設計規范》

2.3、項目變更記錄自動生成功能軟件設計

針對問題：設計人員在完成項目設計后，若此時發生項目變更，設計人員會對項目源文件進行升版，再從最新的項目源文件中輸出新版報表，此時設計人員需要將輸出的新表與舊表進行比對，生成差異性表格。整個過程都依靠人工進行一條一條比對，所以非常的耗時且效率低下，而且過程中也會產生不可避免的查錯。

基本思路：設計一款軟件軟件或者在標準化電氣軟件設計平臺里面內置代碼在原理圖、布線圖完成繪制后，根據規則自動比對輸出的報表與舊版報表的差異，自動生成差異性表格，并且標記出修改類型，以不同顏色高亮和文字描述作為區分。

解決措施：開發了基于標準化電氣軟件設計平臺的項目變更記錄自動生成功能，主要技術特點總結為以下四個方面：

• 可實時導出最新報表與指定的舊版報表進行比對，保證了數據的正確性。

• 可同時進行5種報表類型的比對，一鍵打開存放位置，快速而便捷。

• 變更記錄表中會以不同顏色高亮和文字描述來區分變更類型，簡單且直觀的表現方式。

• 同時可以支持Microsoft Office 和 WPS Office兩款工具。

2.4、布線圖線纜位置自動生成功能軟件設計

針對問題：布線圖繪制人員在做布線圖設計的時候，需要根據線纜兩端的設備信息，基于預置的判斷規則之上，自動生成導線的安裝位置和車型信息。整個過程都依靠人工處理，所以非常的耗時且效率低下，而且人工填寫也會導致很多錯誤的產生。

基本思路：設計一款軟件軟件或者在標準化電氣軟件設計平臺里面內置代碼基于導線的源、目標信息自動生成導線的安裝位置信息和車型信息。

解決措施：開發了基于標準化電氣軟件設計平臺的布線圖線纜位置自動生成功能，主要技術特點總結為以下三個方面：

主要技術特點總結為以下三個方面：

• 后臺運行對比程序，進行兩端設備信息的比較，生成線纜的位置和車型信息。

• 可同時檢查兩端設備信息的正確性，錯誤的內容標記為“ERROR”。

• 結果可在標準化電氣軟件設計平臺的導航器中進行篩選、查詢與修改，簡單快捷。 

2.5、自動放置連接器圖形符號功能軟件設計

針對問題：布線圖繪制人員在做布線圖設計的時候，需要針對跨車型的設備，手動放置連接器的公母插針。整個過程需要設計人員定位公母插針的位置，分別放置到圖面上，所以非常的耗時且效率低下，也可能導致重復放置的情況發生。

基本思路：基于插頭號的規則，自動查詢匹配的公/母插針，進行自動匹配，達到成對放置圖面的效果。

解決措施：開發了基于標準化電氣軟件設計平臺的自動放置連接器圖形符號功能，主要技術特點總結為以下三個方面：

• 放置插針的時候，自動進行公母匹配，成對放置圖面。

• 插頭的顯示效果根據放置的先后順序，自動選擇。

• 可以批量成對放置插頭，應對復雜的布線圖設計。 

2.6、WPS報表自動分類輸出功能軟件設計

針對問題：設計人員在完成設計后，需要將圖紙內的數據進行分類統計，分別填入不同類別的Excel表格中。整個過程都依靠人工統計和輸入，所以非常的耗時且效率低下，而且人工統計也會導致很多錯誤的產生。

基本思路：使用標準化電氣軟件設計平臺完成原理圖、布線圖繪制后，能夠根據規則自動生成并輸出指定分類的報表，并且報表支持WPS 辦公軟件平臺。

解決措施：開發了基于標準化電氣軟件設計平臺的WPS報表自動分類輸出功能，主要技術特點總結為以下五個方面：

• 界面支持各類報表的選擇，可同時輸出多個報表。

• 輸出的報表可即時自動打開，也可一鍵定位到導出目錄，手動打開。

• 可自定義輸出目錄，靈活便捷。

• 所有數據來自于項目，實時輸出最新的數據報表。

• 同時可以支持Microsoft Office 和 WPS Office兩款工具。 

• 具體的軟件設計歷程與操作流程如下：

2.7、布線模塊化

針對問題：對于目前的每一個項目，需要設計師根據實際使用情況來分配連接器和端子排的數量，重復率高、效率低。

基本思路：統計既往項目的連接器和端子排分配情況，從大數據中總結規律，找出可模塊化的布線參數。

解決措施：經歷了從項目數據收集到布線方案分類整理，最后基于項目數據規劃線束路徑的過程。

3.電氣軟件設計平臺與其他系統的接口

集成接口工作原理：

通過中間文件的傳輸方式，由系統按照指定格式和規則，自動在后臺交換數據。

通過系統集成，能夠進一步的優化設計工作流程，改善現有依賴人工控制項目圖紙版本的瓶頸：

通過與各系統集成，可以獲得以下優化：

• 從設計部門，工藝部門，采購部門，生產部門的完整企業流程的打通。

• 各部門、專業統一從TC中獲取產設計數據，保證數據一致性，利于企業知識經驗的數據化。

• 產品設計生命周期管理，設計流程透明化，更加便于管理。

四、實施效果

由于現有設計軟件平臺不統一，各專業組之間需要手動再次處理接收到的數據才能傳遞設計圖紙與各類報表，造成了數據的復用程度較低，大大降低了項目管理效率與質量。該標準化電氣軟件設計平臺可有效地解決了大量重復性、機械性的作業，借助計算機來規避設計人員可能由于疏忽造成的錯誤，還可提升電氣工程師的設計思路與企業的項目管理方式。此外，軟件帶有國際標準模型庫，基于該設計軟件，建立符合中車浦鎮要求的電氣元器件庫、電氣標準化符號庫、電氣模板庫等基礎數據，可利用軟件平臺進行企業本地化工作，打造人-平臺-項目的全域管理信息化和電氣設計標準化，實現可實時優化的軟件平臺管理策略。

（一）管理水平

1.基于模塊化設計的項目管理水平提升

在實際項目執行過程中，為了進行項目的 模塊化設計與管理，既可以從物理環境下分為若干個位置進行管理，也可以從邏輯層面用功能進行項目管理。該技術管理創新方法在項目數據庫管理、項目設計思路與項目實施周期上，都有了顯著效果。因此，相較于現用的電氣設計軟件，該技術管理創新方法可有助于電氣工程師設計信息量龐大的所有項目細節，更具系統性和可操作性。

1.1 項目數據庫管理的提升

經過前期大量調研、方案遴選、標準制定、背景數據完善、圖紙繪制、報表生成及測試。按照IEC與企業標準，定制基礎數據庫，包括從符號、部件庫、線纜庫，到圖框、模板、宏的定制等，最終完成了浦鎮公司電氣繪圖設計規范，并內置于該電氣軟件設計平臺，使設計流程規范化、操作指導手冊標準化。將分布在主機和輔機研制單位的元器件以庫的形式保存，為系統的改進、改型和新系統研發做準備。同時對數據版本和設計流程進行高度整合，明確版本管理與設計人員權限，保證數據的安全性和正確性，實現數據規范管理。

1.2 項目設計思路的提升

按照內置于該軟件平臺的電氣繪圖規范，利用配置好的浦鎮公司基礎數據庫，基于“高層代號+位置”的項目管理方式這一概念，將同一個功能下的所有器件盡量繪制在一頁圖樣或者幾頁圖樣上，再對這些內容進行模塊化處理，也就是做宏，從而在后續項目推進過程中，可直接從項目數據或主數據庫中進行調用。讓我們的工程師可以從原來的工程師兼繪圖員、制表員和統計員轉化為真正的設計人員，把精力集中在設計層面。

1.3 項目實施周期的提升

該技術管理創新方法是由服務器端集中分發管理數據，在全面共享環境下的有序協同作業，并設置權限管理保證數據安全以及實時數據存儲、備份機制，極大地提高了電氣制圖的工作效率，降低設計差錯率。同時，該技術管理創新辦法還可自動生成的部件報表，主要包括了符號名稱、頁碼、描述、型號、廠商、功能等方面信息，一目了然?，F將已完成設計與圖紙工藝轉化的項目實施周期與平臺通用項目對比。

2.基于電氣標準化設計的平臺管理水平提升

2.1電氣軟件設計流程規范化

根據具有統一管理歸口的設計數據庫，保證了設計數據一致性的同時，實現了數據標準和高度可維護性。各層級設計人員利用該電氣設計平臺，能根據選項自動調取功能模塊生成原理圖，進一步提升設計效率和標準化程度。形成的標準化原理圖設計流程與原理圖設計流程。

2.2電氣軟件設計平臺應用的質量提升

該技術管理創新方法通過產品數字化設計，可輸出準確的、具有指導性的生產文檔供生產制造使用，并實現了設計工具與PDM管理系統的集成方案，可對項目文檔、物料及設計流程進行有效管控。電氣設計軟件在 PDM 系統中進行深度集成應用，可方便、快速的為生產部門提供所需的報表，打通設計與結構、工藝布線的數據橋梁，提高跨專業、跨部門的系統工作效率，從而提高企業整體的信息化水平。針對電氣設計軟件平臺的二次開發可以有效地解決軟件在實際項目中的不足。使用 C# 語言編寫了動態鏈接庫格式的函數庫，通過該軟件平臺中的 API 接口加載運行，設計并實現了多種輔助設計工具。關于該軟件設計平臺應用質量提升的項點，如下表4-2所示。

表4-2 標準化電氣軟件設計平臺應用的質量提升

（二）經濟效益

目前該技術管理創新方法已在多個項目中完成初步設計階段，雖然無法測算其項目完整周期內的經濟效益，但是在已完成的項目初步設計中，可以大大節省了人員成本和生產成本。

（三）社會效益

該管理創新成果培養了復合型人才，創造了就業機會，推動了企業管理趨向于信息化、現代化、智能化發展。

（四）生態效益

通過使用標準化電氣軟件設計平臺，可減少人員配置與生產材料投入量，標準化電氣設計流程與項目管理方式在一定程度上可減少廢棄物的產生量，提高產品可回收率與使用價值。企業提高生態效益就是在提升項目管理效率與質量的同時，將對環境的影響和資源的耗用降到最低程度 。

黃建海、鞠麗麗

中車南京浦鎮車輛有限公司，電氣研發部