肖玉蘭，王俊彪，趙 方，趙澤平

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道科學技術研究發(fā)展中心，北京100081）

根據(jù)中國高速鐵路發(fā)展和“走出去”的要求，我國積極推進動車組標準化統(tǒng)型工作，成功研制了具有完全自主知識產(chǎn)權、達到世界先進水平的中國標準動車組［1］，首次實現(xiàn)了動車組牽引、制動、網(wǎng)絡控制等系統(tǒng)的全面自主化［2］，對于促進我國高速鐵路可持續(xù)發(fā)展，推進高鐵裝備自主創(chuàng)新成果產(chǎn)業(yè)化，全面系統(tǒng)掌握高速鐵路動車組及關鍵裝備核心技術，加快中國高鐵“走出去”，具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

在中國標準動車組統(tǒng)型的優(yōu)化實施過程中，標準化五大原理，即統(tǒng)一化原理、互換性原理、通用化原理、系列化原理和模塊化原理，始終貫穿其中，為系統(tǒng)化、科學化、規(guī)范化推進中國標準動車組統(tǒng)型工作提供了重要的理論指導。

1 標準化基本原理

1.1 標準化統(tǒng)型的內涵

中國國家標準GB/T 20000.1-2014將標準化定義為：“為了在既定范圍內獲得最佳秩序，促進共同效益，對現(xiàn)實問題或潛在問題確定共同使用和重復使用的條款以及編制、發(fā)布和應用文件的活動。標準化的主要效益在于為了達到預期目的（包括但不限于品種控制、可用性、兼容性、互換性等），改進產(chǎn)品、過程或服務的適用性，促進貿易、交流以及技術合作?！保?］因此，標準化就是指標準的制定、發(fā)布和貫徹實施的全部活動過程。

所謂標準化統(tǒng)型，是運用標準化手段對現(xiàn)有產(chǎn)品規(guī)格、結構、性能等進行統(tǒng)一，以盡可能少的品種（型號）來滿足較長時期和一定范圍內全部使用要求的規(guī)范化工作。

1.2 標準化基本原理

標準化的五個原理看似相互獨立，實則相輔相成，統(tǒng)一化原理是標準化原理的本質和核心；互換性原理是標準化原理的基礎和依據(jù)；通用化、系列化、模塊化原理是統(tǒng)一化原理的具體形式。

1.2.1 統(tǒng)一化原理

統(tǒng)一化原理：對具有等效功能的標準化對象（物質的、文字的）或其技術要素（尺寸、參數(shù)），進行合理歸并、精選，使之達到通用互換或成為共同遵循的依據(jù)［4］。

統(tǒng)一化原理的應用很廣泛，最一般的方法是通過標準的制定和實施，來達到概念、產(chǎn)品、技術等的統(tǒng)一，如制定和實施術語標準來統(tǒng)一概念，制定和實施產(chǎn)品標準來統(tǒng)一產(chǎn)品的性能和質量，制定和實施工藝設計標準來統(tǒng)一設計技術和制造技術等。

1.2.2 互換性原理

互換性原理：在滿足同樣使用要求的條件下，通過一定途徑或方法，可以使某一產(chǎn)品單元不加任何改變或修改就能代替另一產(chǎn)品單元［5］。

互換性原理是產(chǎn)品能被重復使用和共同使用的基本條件?；Q性的實質是使零部件的尺寸、形狀、性能、作用相同，彼此可以互相替換［6］。同一規(guī)格的一批零部件中，任取其一，不需任何挑選或修配就能裝在機器上，并能滿足其使用功能要求［7］。利用互換性原理，可以大批量生產(chǎn)具有互換性的零部件，給產(chǎn)品的設計、生產(chǎn)、裝配和維修帶來極大方便，有利于縮短設計周期、專業(yè)化生產(chǎn)、機械化裝配、及時更換維修，在提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質量和降低成本等方面具有十分重要的應用價值。

1.2.3 通用化原理

通用化原理：以互換性為基礎，對產(chǎn)品或系統(tǒng)的共性和相似特征，經(jīng)歸并、選優(yōu)、統(tǒng)一，找出其最佳的物理特性或典型結構，盡可能擴大同一對象的使用范圍，實現(xiàn)最大限度的重復使用或共同使用［8］。

通用化原理的應用對象主要包括：分系統(tǒng)層次產(chǎn)品、設備級產(chǎn)品和零部件產(chǎn)品等通用產(chǎn)品單元。通用化是指同一功能、同一規(guī)格產(chǎn)品之間的相互替代，主要表現(xiàn)為接口統(tǒng)一化和功能統(tǒng)一化。在生產(chǎn)活動中，使用通用產(chǎn)品單元，有利于減少重復勞動、節(jié)約資源，以及縮短產(chǎn)品研制、生產(chǎn)、維修周期。由于零部件產(chǎn)品是組成復雜產(chǎn)品的基本單元，數(shù)量大，對其進行加工勢必要消耗大量研制、生產(chǎn)資源，因此，零部件產(chǎn)品通用化的應用最為廣泛［5］。

1.2.4 系列化原理

系列化原理：從產(chǎn)品使用要求和發(fā)展規(guī)律出發(fā)，將同一功能產(chǎn)品的主要參數(shù)或規(guī)格按一定數(shù)系或要求作合理規(guī)劃，并對其型式和結構進行統(tǒng)一，使產(chǎn)品有序發(fā)展并形成一定序列［8］。

系列化原理是通用化原理的進一步發(fā)展。系列化是指對同一類產(chǎn)品的基本參數(shù)、型式、品種、規(guī)格等進行合理安排和科學規(guī)劃的標準化形式。產(chǎn)品系列化設計一般有2種方式［5］：一種是針對現(xiàn)有產(chǎn)品品種、規(guī)格雜亂重復的現(xiàn)狀，采取標準化整頓的方式，對現(xiàn)有眾多老產(chǎn)品品種、規(guī)格進行簡化壓縮、統(tǒng)型優(yōu)化，形成統(tǒng)型化產(chǎn)品；另一種是根據(jù)市場需求和技術經(jīng)濟要求，通過確定產(chǎn)品基本參數(shù)系列標準，按產(chǎn)品系列型譜設計基型產(chǎn)品，并在此基礎上進行橫向或縱向擴展，構建體系完整的系列化產(chǎn)品。通過產(chǎn)品系列化，合理簡化品種，擴大通用范圍，以最少的品種（型號）滿足最大的使用范圍，有利于進行專業(yè)化、大批量生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質量、降低生產(chǎn)成本、方便運用維修。

1.2.5 模塊化原理

模塊化原理：對產(chǎn)品進行功能分析和結構分解的基礎上，劃分并設計、生產(chǎn)一系列不同功能、不同結構和參數(shù)規(guī)格的能重復使用和共同使用的通用單元（通用模塊），并補充專用單元和零部件，組合形成新產(chǎn)品［8］。

模塊化是在通用化、系列化基礎上發(fā)展而來的更高層次的標準化形式，具有接口互換性和功能互換性。為了滿足日益增長的個性化需求，采用柔性化生產(chǎn)、模塊化組裝等技術進行大規(guī)模定制，可以有效提高資源利用率，降低生產(chǎn)、運維成本，實現(xiàn)通用化、系列化帶來的規(guī)模經(jīng)濟效益。

2 中國標準動車組統(tǒng)型的必要性

2.1 我國CRH系列動車組的發(fā)展歷程

2004年以來，我國生產(chǎn)制造了CRH1、CRH2、CRH3、CRH5型動車組，建立了中國高速動車組設計、制造和驗證平臺。2007年以來，自主創(chuàng)新研制了“和諧號”CRH380型新一代動車組，為我國高速鐵路提供了充足的裝備保證。盡管我國在動車組技術領域取得了長足進步，但面對我國地域廣闊、環(huán)境復雜和長距離、高強度運行需求，CRH系列動車組在運用過程中暴露出了一系列亟待解決的問題［9］：

（1）自主創(chuàng)新能力亟待提高。CRH系列動車組大部分部件均已實現(xiàn)國產(chǎn)化，但由于我國高速鐵路建設起步較晚，技術儲備不足，一些核心技術和關鍵裝備對外依存度較高，自主創(chuàng)新能力亟待進一步提高。

（2）技術標準不統(tǒng)一。CRH系列動車組在不同的技術平臺上進行研制，多種技術標準共同運行，技術性能和參數(shù)要求上存在諸多不同，在旅客界面、操作界面、運用界面及維修界面等差異較大，不能實現(xiàn)互聯(lián)互通，甚至不能相互救援，動車組備用率高。比如定員不統(tǒng)一，影響動車組相互備用；司機操縱臺不統(tǒng)一，影響司機駕駛；列車寬度不統(tǒng)一，影響站臺設計；列車車鉤不統(tǒng)一，影響相互聯(lián)掛、救援。

（3）運用維護維修成本高。CRH系列各型動車組結構差異大，修程修制不統(tǒng)一，維護檢修零部件尚未統(tǒng)型，運用部門備品備件品種多，加大了維護難度，提高了維修成本，對鐵路的經(jīng)營效益產(chǎn)生較大影響。

2.2 中國標準動車組統(tǒng)型的必要性

根據(jù)我國高速鐵路發(fā)展的技術特點和動車組的運用需求，亟需開展標準化統(tǒng)型工作，研制具有完全自主知識產(chǎn)權的中國標準動車組，持續(xù)增強自主創(chuàng)新能力，助力高鐵“走出去”；建立統(tǒng)一技術標準體系，實現(xiàn)互聯(lián)互通；降低運用維護檢修成本，提高運營效率。

2.2.1 持續(xù)增強自主創(chuàng)新能力，助力高鐵“走出去”

堅持引進消化吸收先進技術和自主創(chuàng)新相結合的原則，持續(xù)增強我國動車組自主創(chuàng)新能力，全面系統(tǒng)掌握動車組關鍵核心技術，研制具有完全自主知識產(chǎn)權的中國標準動車組，打造具有世界先進水平的中國標準動車組技術平臺。根據(jù)世界各國高鐵運營需求，量身設計具有國際競爭力的系列化動車組產(chǎn)品和成套技術解決方案，促進動車組由“中國制造”向“中國創(chuàng)新”跨越。同時，以中國標準動車組出口為突破口，帶動線路工程、通信信號、牽引供電等高鐵成套技術和產(chǎn)品“走出去”，積極拓展國際市場，全面打造中國高鐵品牌，助力中國高鐵“走出去”。

2.2.2 建立統(tǒng)一技術標準體系，實現(xiàn)互聯(lián)互通

基于高速動車組研發(fā)、試驗、運營、維護等經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，通過自主創(chuàng)新，建立統(tǒng)一的中國標準動車組技術標準體系，以相同速度等級中國標準動車組具備重聯(lián)運行功能，不同速度等級中國標準動車組具備相互救援能力為目標，從動車組旅客界面、操作界面、運用界面和維護界面等方面進行統(tǒng)型優(yōu)化，實現(xiàn)互聯(lián)互通互操作。

2.2.3 降低運用維護檢修成本，提高運營效率

中國標準動車組實現(xiàn)互聯(lián)互通的同時，通過關鍵零部件統(tǒng)型設計，實現(xiàn)零部件通用互換和修程修制統(tǒng)一化，打破零部件供應壟斷的局面，有利于減少備品備件數(shù)量，降低運用維護檢修成本，提高運營效率。

3 中國標準動車組統(tǒng)型的優(yōu)化實施

中國國家鐵路集團有限公司（原中國鐵路總公司，以下簡稱“國鐵集團”）在融合既有四大CRH系列動車組技術平臺優(yōu)點的基礎上，堅持自主創(chuàng)新，以安全性、可靠性、舒適性、節(jié)能環(huán)保為前提，以市場需求為導向，以“標準統(tǒng)一、互聯(lián)互通”為設計原則，采用正向設計思路，加強頂層設計，構建和完善中國高速動車組標準體系，自主研制不同速度等級、適應不同環(huán)境需求的動車組系列化產(chǎn)品，打造具有完全自主知識產(chǎn)權、世界先進水平的中國標準動車組技術平臺。

自2012年起，速度350 km/h中國標準動車組統(tǒng)型工作，在方便運用、降低全壽命周期成本、進一步提高安全冗余等方面加大了創(chuàng)新力度，按照頂層設計、自主研制、試驗驗證3個階段［2］分步推進實施，如圖1所示。

圖1 中國標準動車組統(tǒng)型優(yōu)化實施階段

3.1 頂層設計

中國標準動車組統(tǒng)型頂層設計框架主要包括：服務框架、功能框架和物理框架3個部分，如圖2所示，標準化原理貫穿始終，為中國標準動車組統(tǒng)型提供理論依據(jù)。

圖2 中國標準動車組統(tǒng)型頂層設計框架

（1）服務框架：基于用戶需求，提出中國標準動車組的頂層需求。

以路網(wǎng)規(guī)劃、動車組技術發(fā)展和客流運輸?shù)膶嶋H需求為出發(fā)點，通過調研分析，梳理總結既有動車組運用問題，提出中國標準動車組的頂層技術指標和總體技術條件。

（2）功能框架：基于用戶服務，明確中國標準動車組的系統(tǒng)功能。

通過建立統(tǒng)一的技術標準體系，對中國標準動車組服務功能、運用維護等進行標準化統(tǒng)型，實現(xiàn)不同型號動車組的互聯(lián)互通互操作功能，滿足相同速度等級動車組重聯(lián)運營、不同速度等級動車組相互救援的要求。

（3）物理框架：基于系統(tǒng)功能，定義中國標準動車組的物理子系統(tǒng)及其實現(xiàn)方式。

中國標準動車組車體、轉向架、牽引系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、網(wǎng)絡控制系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)等，均采用模塊化設計方法，通過設置最小可更換單元，實現(xiàn)關鍵部件通用互換。

3.2 自主研制

中國標準動車組樣車研制項目由國鐵集團主導組織實施，中國鐵道科學研究院集團有限公司技術牽頭，中車集團（原中國南車、中國北車）及其相關企業(yè)設計制造，西南交通大學、北京交通大學、中國科學院等高校和科研院所技術支持，產(chǎn)學研用聯(lián)合攻關，協(xié)同創(chuàng)新［9］。

3.2.1 標準統(tǒng)一化

為更好地適應中國自然地理環(huán)境、鐵路運營需要、旅客出行習慣及動車組運用維修需求，基于高速動車組研發(fā)、試驗、運營、維護的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)分析既有CRH系列動車組技術性能，構建了體系完整、結構合理、先進科學的中國標準動車組技術標準體系，涵蓋動車組基礎通用、車體、走行裝置、司機室布置及設備、牽引電氣、制動及供風、輔助電氣系統(tǒng)、車內環(huán)境控制、給水和衛(wèi)生設備、列車網(wǎng)絡、控制診斷和監(jiān)測系統(tǒng)、應急及防護、運用維修等13大類標準，如圖3所示。在所采用的254項重要標準中，中國標準（包括中國國家標準、行業(yè)標準、國鐵集團企業(yè)標準等技術標準）占比高達84%［1］。

圖3 中國標準動車組技術標準體系框架

3.2.2 部件互換性

通過分析既有CRH系列動車組各零部件的結構、原理、參數(shù)、壽命周期、檢修維護、供應商等基本情況，對比不同動車組技術平臺優(yōu)缺點，系統(tǒng)研究動車組關鍵部件的接口技術，并依據(jù)中國標準動車組技術標準體系，對中國標準動車組車體、轉向架、高壓牽引、輔助電氣、制動、網(wǎng)絡控制、旅客信息、車內環(huán)境控制、給水衛(wèi)生、車內設施、駕駛設施11大系統(tǒng)共96項關鍵零部件進行了標準化設計，統(tǒng)一了尺寸、功能、性能、接口、備品備件等，實現(xiàn)了中國標準動車組關鍵部件互換性，優(yōu)化了旅客界面、操作界面、運用界面和維護界面，提升了動車組維護檢修經(jīng)濟性。

3.2.3 平臺通用化

基于我國動車組運用環(huán)境和運營需求，重點研究動車組外部接口、相互救援與重聯(lián)、檢修與維護等技術，實現(xiàn)了中國標準動車組平臺通用化，即互聯(lián)互通互操作?；ヂ?lián)是前提，通過統(tǒng)一前端車鉤、過渡車鉤、救援連接器等機械接口，實現(xiàn)物理互聯(lián)；互通是基礎，通過統(tǒng)一列車級網(wǎng)絡初運行標準、通信協(xié)議、故障診斷代碼規(guī)范、列車級硬線控制電路、安全環(huán)路、BP救援轉換裝置等電氣接口，實現(xiàn)邏輯互通；互操作是互聯(lián)互通的最終目標，通過統(tǒng)一司乘操作界面、控制指令輸出、工作模式、降速處理等措施，實現(xiàn)重聯(lián)互操作。

3.2.4 產(chǎn)品系列化

為滿足日益增長的鐵路客運需求，按照產(chǎn)品系列化設計要求，以中國標準動車組樣車為基型產(chǎn)品，積極推進系列化中國標準動車組研制，持續(xù)完善中國標準動車組“家族”體系，逐步研發(fā)了不同速度等級、不同編組形式、不同動力牽引模式、適應各種運行環(huán)境需求的中國標準動車組系列產(chǎn)品

CR400（350 km/h）、CR300（250 km/h）、CR200（160 km/h）［10］，初步形成了獨具中國特色、技術體系完整、產(chǎn)品系列豐富的CR系列中國標準動車組，如圖4所示。

圖4 中國標準動車組系列產(chǎn)品

3.2.5 生產(chǎn)模塊化

中國標準動車組生產(chǎn)制造嚴格執(zhí)行標準化管理，通過制定、發(fā)布、實施及修改各項生產(chǎn)標準，建立了生產(chǎn)制造標準體系，同時，借助信息化、自動化、智能化技術手段，采用柔性工裝生產(chǎn)線、模塊化組裝技術、管路加工技術、數(shù)字測量技術、變形控制技術、殘余應力控制技術、數(shù)字化調試技術等先進制造技術，將設計、工藝、物流、質量、生產(chǎn)、設備等各環(huán)節(jié)縱向集成、橫向交互貫通，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制、智能調度、狀態(tài)監(jiān)控、質量管控，確保中國標準動車組性能指標達到先進性、可靠性、安全性、可維修性、環(huán)境適應性等要求。

3.3 試驗驗證

3.3.1 整車技術性能試驗驗證

2015年6月中國標準動車組樣車下線以來，在大西高速綜合試驗線、鄭徐高鐵、哈大高鐵開展了中國標準動車組型式試驗、運用考核和科學試驗，試驗考核指標全部符合標準規(guī)范和運用要求，中國標準動車組安全性、舒適性及各項性能指標以及運用適應性、穩(wěn)定性、可靠性、制造質量均達到設計要求，整車技術性能指標實現(xiàn)較大提升，設計壽命由20年提高到30年［1］。

3.3.2 零部件互換性試驗驗證

為進一步深化中國標準動車組統(tǒng)型工作，在中國標準動車組96項零部件統(tǒng)型成果的基礎上，結合整車技術性能運用考核情況，以實現(xiàn)零部件及其備品備件完全通用互換為目標，在地面試驗臺開展了典型統(tǒng)型零部件互換性試驗驗證，拓展了互聯(lián)互通互操作功能，實現(xiàn)了多家供應商供應和主要部件換件修，有利于減少備品備件數(shù)量，降低運行維護成本。

4 展望

中國標準動車組系列化產(chǎn)品的成功研制及推廣應用，標志著我國高速動車組已初步實現(xiàn)譜系化。中國標準動車組作為中國高鐵下一代主力車型，將在中國標準動車組自主創(chuàng)新技術平臺的基礎上，持續(xù)完善我國高速動車組產(chǎn)品譜系，適應國內外市場多樣化需求，實現(xiàn)中國高鐵“走出去”戰(zhàn)略，進一步提升中國高鐵的核心競爭力和國際話語權。