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浙江大学学报(工学版)
Journal of ZheJiang University (Engineering Science)  2026, Vol. 60 Issue (8): 1662-1669    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2026.08.005
    
Innovative methods for rail transit equipment based on extenics
Xiao LYU1(),Xinkang LI1,Fu GU2,3,*(),Xinjian GU3,Xiaoping LU4
1. Technical Research Department, CRRC Industrial Research Institute (Qingdao) Co., Qingdao 266031, China
2. Polytechnic Institute, Zhejiang University, Hangzhou 310015, China
3. School of Mechanical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
4. National Key Laboratory of Mass Personalized Customization Systems and Technologies, Qingdao 266100, China
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Abstract  

Innovation in rail transit equipment involves inherent contradictions, such as safety versus cost, functional independence versus structural coupling, module universality versus diverse user demands, personalization versus low cost, and maintenance convenience versus structural compactness. To address these conflicts, several extenics-based methods were proposed, covering knowledge reuse of product and technological elements, knowledge graph construction and application, modular innovation, and technological innovation. The results show that extenics can effectively integrate product and technological elements and provide an approach to resolving various contradictory issues in modular and technological innovation of rail transit equipment. Moreover, the proposed methods significantly improve innovation efficiency.

Key words： extenics      rail transit equipment      modularization      technological innovation      innovative technology platform     
Received: 10 July 2025      Published: 16 July 2026
CLC:  TH 122  
  U 270.2  
Fund:  国家自然科学基金资助项目（72574194）；大规模个性化定制系统与技术全国重点实验室开放课题（H&C-MPC-2023-01-02）；山东省泰山产业领军人才工程（TSCX202306029）；中国中车“十四五”科技重大专项项目（2021CKZ017）.
Corresponding Authors: Fu GU     E-mail: lvxiao@crccgc.cc;gufu@zju.edu.cn
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Xiao LYU
Xinkang LI
Fu GU
Xinjian GU
Xiaoping LU
Cite this article:

Xiao LYU,Xinkang LI,Fu GU,Xinjian GU,Xiaoping LU. Innovative methods for rail transit equipment based on extenics. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2026, 60(8): 1662-1669.

URL:

https://www.zjujournals.com/eng/10.3785/j.issn.1008-973X.2026.08.005     OR     https://www.zjujournals.com/eng/Y2026/V60/I8/1662


基于可拓学的轨道交通装备创新方法

为了解决轨道交通装备创新中遇到的安全性与成本、功能独立性与结构耦合性、模块通用性与用户需求多样性、个性化与低成本、维修便捷性与结构紧凑性等矛盾问题，提出基于可拓学的轨道交通装备产品要素和技术要素的知识复用方法、知识图谱的建立和应用方法、模块化创新方法和技术创新方法. 研究表明可拓学可以有效整合产品要素和技术要素，为轨道交通装备模块化创新和技术创新提供解决各种矛盾问题的方法，提高了创新的效率.


关键词： 可拓学,  轨道交通装备,  模块化,  技术创新,  创新技术平台 
共轭维度分析内容应用示例
实部/虚部物理实体/功能逻辑将“车门控制”分为硬件（电机）和软件（控制算法）模块
硬部/软部刚性结构/柔性接口车体结构标准化（硬部），但预留可扩展接口（软部）
显部/潜部当前功能/潜在能力转向架模块预留传感器接口，未来支持智能监测
正部/负部有效功能/冗余/冲突冗余模块可提高可靠性，但冗余模块会增加成本. 须对模块化需求和方案进行评价，合理开展模块化
Tab.1 Conjugate analysis in extenics for module partitioning of rail transit equipment
可拓变换应用示例
置换变换将某模块的“铝合金外壳”置换为“碳纤维”，以满足轻量化与强度的矛盾需求
增删变换在基础模块上预留接口，通过插件满足不同场景需求；地铁底盘增加局部加强筋，实现减重15%，同时满足承载标准的要求
扩缩置换某地铁制动模块的接口通用化率仅为70%，通过替换3种非标螺栓为标准件，通用化率提升27%
分解变换转向架模块分为标准框架（通用）与悬挂调节部件（定制）
传导变换调整模块尺寸后，通过参数化设计自动更新连接件规格
Tab.2 Illustrative case of extension transformation applied to universal module design in rail transit equipment
Fig.1 Schematic diagram of modular main structure (partial) of rail transit equipment
可拓变换应用示例
置换变换通过物元置换变换，用碳纤维复合材料替代部分钢结构，如碳纤维复合材料制成的车体，解决传统钢材无法解决同时满足“轻量化”和“高强度”的矛盾问题；受电弓碳滑板磨损问题：采用导电/耐磨双材料复合
增删变换在地铁车厢中增加折叠座椅模块，在高峰时收起，以便增加载客量，同时满足快速上下车的需求
扩缩置换通过动力系统弹性配置解决匀速行驶低能耗（应采用小功率电机）/高加速性能（应采用大功率电机）的矛盾问题：将传统物元R4=(电机, 功率, 300 kW)扩缩置换为“模块化电机组”：每节车厢安装2×150 kW电机，根据加速和匀速行驶不同时段需求启用或休眠部分电机；将历史故障的物元模型（如“齿轮箱温度异常”）中的“量值”进行扩缩变换，适配不同车型的阈值标准
分解变换轨道交通装备的独立模块不仅面向装配，还面向维修
传导变换若新材料与传统结构不兼容（如碳纤维车体与钢制接口），通过传导变换调整接口设计参数，衍生新方案
Tab.3 Illustrative case of extension transformation applied to main structure design in rail transit equipment
Fig.2 Modular innovation process based on extenics
指标质量/t抗冲击强度/（kJ·m?2）材料成本/万元
原设计10.032060.0
可拓变换后8.538062.8
变化率/%?15.018.84.7
Tab.4 Evaluation of modular effect of carriage modules (partial)
可拓变换应用示例
置换变换通过材料应用创新解决轻量化（碳纤维）/低成本（钢材）的矛盾：将传统物元R1=(车体,材料,钢)置换变换为梯度复合材料（钢+碳纤维混合结构），在受力关键部位用钢，非承力区用碳纤维. 通过新能源创新解决低能耗（小功率电机）/高加速性能（大功率电机）的矛盾：将传统物元R2=(动力,能源,电网)置换变换为混合能源模块（超级电容+无线充电），短时高功率由电容提供
增删变换通过功能模块动态调整解决高载客量（密集座椅）/舒适性（宽敞空间）的矛盾：将传统物元R3=(车厢,布局,固定座椅)进行可拓变换，增加“可变形座椅模块”，通过电动滑轨实现座椅密度动态调整（高峰时6人/m2→平峰时4人/m2）
扩缩置换采用纳米陶瓷涂层，同步实现车体减重和耐腐蚀性提升
传导变换将“钢材”替换为“碳纤维复合材料”，推导其对成本、寿命的传导效应
Tab.5 Using extension transformation to solve contradiction and conflict problems in technological innovation
共轭维度应用示例
实部/虚部采用梯度复合材料车体，计算机仿真分析车体受力；物理传感器与虚拟传感器协同；将运维数据（虚部）反馈至研发（实部），驱动参数快速迭代（如转向架减震系数优化）；将物理界面（实部）与虚拟投影（虚部）动态结合，按场景切换显示模式，如控制系统采用可拓变换优化，关键警报触发时，非紧急信息自动隐藏，显著提升响应效率
硬部/软部在高铁轴承监测系统中，利用可拓模型融合人工检修经验与传感器数据，降低显著误报率
显部/潜部车体表面涂覆应力敏感涂料，裂纹处自动变色提示检修；分析列车轴承振动数据（显性）与金属疲劳寿命（隐性）的关系，建立预测模型
正部/负部将制动系统失效案例（负资源）转化为改进设计的知识（正资源）
Tab.6 Conjugate analysis in extenics for technological innovation of rail transit equipment
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