轨道交通装备创新是建设交通强国的关键. 新型工业化是信息化与工业化的融合模式. 中车集团的轨道交通装备产品创新技术平台是信息化与工业化融合的产物，为轨道交通装备产品创新提供方法、资源、系统集成等方面的支持，一方面利用数字化、网络化和智能化技术，另一方面应用先进的产品模块化创新和产品技术创新方法，支持产品要素和技术要素的共享、集成、优化、重复使用和共同使用，帮助解决创新中的矛盾问题，提高创新的效率. 可拓学（extenics）是解决矛盾问题的创新方法论，能够为利用信息系统进行矛盾问题的智能分析提供逻辑思路和推理方法^[1]. 本文主要研究如何利用可拓学帮助解决轨道交通装备模块化创新和技术创新中的矛盾问题，提高企业利用平台开展模块化创新和技术创新的效率.

中国轨道交通装备已经从模仿向自主创新发展. 产品创新是需求拉动和技术推动的结果，有逆向和正向2种模式. 逆向创新是实例产品设计→产品模块化创新→产品技术创新的过程，以需求拉动为主，逐渐向技术创新推动发展. 中国轨道交通装备的创新属于逆向创新的模式. 正向创新是产品技术创新→产品模块化创新→实例产品设计的过程，以技术推动为主，逐渐向需求拉动发展. 华为公司主导的中国5G通信技术的创新属于正向创新的模式. 随着中国轨道交通装备逐渐在国际上处于领先地位，正向创新将成为主流创新模式. 中车集团的轨道交通装备已经在开展正向创新，开始采用数字化、网络化和智能化技术，建立产品创新技术平台，支持产品模块化创新和产品技术创新^[2]. 1）产品模块化创新：通过产品创新技术平台开展产品模块化创新，以解决当前中车集团面临相似产品重复研究现象严重、产品种类多样化、相同产品零部件通用化率低等问题. 2）产品技术创新：通过产品创新技术平台集成和优化知识资源，开展理论研究与大量实验，获得产品技术创新知识，开发出新产品. 国外主要的轨道交通装备公司已经建成多种类型的产品创新技术平台，支持新技术与个人经验和当前用户的需求相结合^[2]，支持产品设计师之间方便的经验交流，从而在这些平台上创新开发了大量新产品.

在当前的数字化、网络化和智能化的快速发展背景下，产品要素和技术要素急剧增加，使得产品要素和技术要素的利用难度越来越大，急需通过产品创新技术平台将相关要素有效整合，高效地支持模块化创新和技术创新^[2].

产品创新本质上是解决矛盾问题. 可拓学已经在产品模块化创新中得到应用^[3]：周红宇等^[4]利用可拓理论改进了公理化设计-设计结构矩阵，并用于指导定制装备设计，缩短了研发周期、降低了成本；朱上上等^[5]从客户的基本需求与感性需求出发，提出基于可拓设计的产品个性化造型设计方法；赵燕伟等^[6]提出基于可拓变换的个性化定制方法来解决鞋类产品的矛盾问题；徐永昌等^[7]在足楦设计标准基础上，对扫描足部模型得到的鞋楦三维草图进行变型修改，实现满足用户个性化需求的鞋楦设计；陈美蓉等^[8]针对稠油黏度大而难以输送的问题，提出融合基元模型和物场分析的物场-可拓创新方法，减少稠油输送过程的摩擦损失；熊宗慧等^[9]将TRIZ与可拓创新方法的优势相结合，实现对概念方案的量化评价与优选. 可拓学已经在产品技术创新中得到应用^[10]：可拓创新方法用基元模型表达事、物、关系和问题，用拓展分析方法找出创新途径，用可拓变换方法解决矛盾问题、获取新的产品创意^[11]；林华建等^[12]提出的机械产品低碳创新设计流程，将TRIZ的资源分析和可拓创新方法的资源拓展融合；刘琳琳等^[13]融合外形仿生与可拓创新方法形成流程化的产品创新设计方法，以废墟搜救机器人为例，验证该方法的可行性.

1）知识表征与物元建模：将轨道交通装备的各类知识（设计参数、故障案例、维修经验等）转化为物元模型R=(N, c, v)，即通过“对象-特征-量值”三元组结构化表达. 例如，转向架故障知识可建模为R=(转向架,裂纹位置,轮轴连接处)，通过这种物元模型实现跨领域的知识关联和复用. 2）知识复用的可拓变换：通过置换、增删、扩缩、分解等可拓变换，解决知识复用中的矛盾（如新旧技术冲突、多源数据不一致）. 例如，在轨道交通装备故障诊断中，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. 3）共轭分析挖掘隐性知识：利用虚实/软硬/潜显/负正共轭对，分析轨道交通装备知识的深层关联. 例如，通过潜显共轭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. 4）知识库的可拓推理：a）构建轨道交通装备的可拓知识库（物元网络）；b）通过关联函数计算知识相似度（如不同型号列车的制动系统参数）；c）对矛盾问题（如兼容性冲突）生成可拓策略集，例如，基于实时传感器数据更新物元模型（如当前轴温为85 ℃），触发知识库中的相似案例（如历史故障：轴温大于80 ℃导致润滑失效），动态生成维护策略；d）结合可拓聚类，自动归类新的故障模式. 5）冲突消解与创新设计：采用菱形思维模型“发散-收敛式”生成解决方案. 例如，针对“轻量化与强度矛盾”，在发散阶段列举不同材料的组合（如碳纤维、蜂窝结构），在收敛阶段通过物元变换评估材料的最优组合.

1）知识物元化：将轨道交通装备数据、知识、案例、规则等结构化. 例如，按可拓距ΔK=|实际值−标准阈值|划分、建立和复用3级知识包：L1（ΔK≤5%），即直接调用标准化设计知识包；L2（30%≥ΔK＞5%），即触发模块化创新预警、调用模块化创新知识包，提出变型设计方案；L3（ΔK＞30%），即触发技术创新预警、调用技术创新知识包，提出技术创新方案）. 2）构建关联函数：定义领域特征的相关性度量. 3）可拓变换引擎：支持知识组合与冲突消解. 4）结合本体（ontology）建模增强语义关联，或嵌入机器学习提升变换自动化水平. 5）人机协同优化：设计师优化自动生成的方案. 利用可拓学，产品创新中的知识复用能够从简单的知识检索升级为主动创新，显著提升创新效率.

可拓学与知识图谱在知识描述方面均致力于对复杂知识的结构化表达与关联分析，但在方法论上各有特色^[14]. 1）混合建模方法：使用知识图谱构建领域本体框架，嵌入可拓元描述动态设计参数. 基元模型可作为知识图谱的构建单元：将轨道交通装备的物元（如牵引电机）、事元（如维护流程）、关系元（如依赖供应商）直接映射为知识图谱中的实体和关系，增强语义表达能力. 2）动态知识更新：知识图谱维护静态领域知识，可拓变换处理实时设计约束变化. 例如，线路条件突发变更时，快速调整动力分配. 3）可视化交互：知识图谱展示知识拓扑结构，可拓云呈现矛盾问题解决评价方法^[15]. 可视化与交互分析：图谱工具（如Neo4j）可直观展示轨道交通装备的复杂关联，辅助可拓分析中的矛盾定位（如通过子图挖掘矛盾节点）. 4）动态知识推理：当知识图谱中出现矛盾问题（如提高速度，但降低能耗），可拓学的发散树、相关网分析、共轭分析等可帮助生成可能的解决方案（如采用新型轻量化材料或优化能源管理系统），并动态更新图谱中的关联关系，为知识图谱提供矛盾分析方法，找到可能的改进方向（如材料轻量化、结构优化）. 5）矛盾求解：可拓学侧重矛盾问题的形式化建模与创造性解决方案生成，但依赖人工定义基元和变换规则；知识图谱擅长大规模知识的存储与检索，但缺乏对矛盾问题的动态求解能力. 可拓学赋予知识图谱矛盾求解能力，知识图谱为可拓学提供知识基础和落地场景.

轨道交通装备模块化创新须解决的矛盾问题如下. 1）安全性与成本矛盾：如高可靠性要求与制造成本限制的矛盾问题. 2）模块划分的合理性矛盾：如功能独立性与结构耦合性的矛盾问题. 3）模块通用性与用户需求多样性矛盾：如通用模块设计与车辆多样化需求（如高原/高寒适应性）的矛盾问题，模块化设计限度与特殊场景适配要求的矛盾问题. 4）个性化与成本的矛盾：用户需要的是个性化的快速交货、价格不高的产品，根据批量法则，产品个性化会导致高成本、长交货期（如城轨是城市的名片，每个城市都希望通过城轨展现城市的个性，不同城市的乘客也有不同的特点，同时又希望城轨的造价低），开展轨道交通装备模块化创新能够降低产品多样化带来的成本增加问题. 5）维修便捷性与结构紧凑性矛盾：如快速拆装需求与空间布局限制的矛盾问题. 中车集团正在积极开展轨道交通装备模块化创新. 例如，系列化中国标准地铁列车技术平台采用标准化、模块化、系列化的设计思路，继承了既有地铁列车运用经验并充分考虑了地铁用户需求. 与既有城轨车辆相比，标准地铁列车平台具有标准更统一、环境更适应、配置更灵活、架构更安全、运行更节能、运维更智能、运用更高效、乘坐更舒适等特点. 该技术平台共配置172项系统及功能供用户选择，其中包括逻辑控制装置、障碍物检测、智能照明等共41组功能项点^[16]. 轨道交通装备模块化创新须围绕产品生命周期不同阶段对提高产品结构通用性、结构复用性、工艺相似性、可加工性、可装配性、可重构性、可扩展性、可维修性、可回收性等需求展开.

在轨道交通装备模块化创新中，可拓学将复杂矛盾问题转化为可配置方案，解决各种矛盾.基于物元模型的模块化需求分析包括1）通过物元模型（事物、特征、量值的三元组）描述系统需求，帮助明确模块化设计的边界和参数. 例如，转向架模块设计：物元模型R=(转向架，功能，承载30 t)×(车厢，质量，35 t)×(转向架，成本，≤10万元). 2）矛盾问题识别，例如，“承载30 t”与“质量35 t”冲突. 3）通过发散树或相关网分析找到可能的改进方向（如材料轻量化、结构优化）. 4）需求物元转换：将用户需求（如“最高时速≥300 km/h”）转化为可拓特征量值. 利用共轭分析方法进行模块划分，分析内容及应用示例如表1所示.

建立通用模块的具体步骤和方法如下. 1）确定核心目标：在满足多样化需求（如性能、成本、维护等）的前提下，最大化零部件的通用性. 2）矛盾识别：通过物元模型（事物、特征、量值）描述矛盾，如“提高模块通用性”可能导致“局部性能下降”或“设计复杂度增加”. 3）拓展分析. a）发散树分析：列出满足同一功能的所有可选模块（如不同材质的制动模块），列举模块的所有可能特征和参数（如尺寸、材料、接口形式等），穷举潜在模块化方向. 例如，制动模块的“摩擦材料”可拓展为“合成材料/陶瓷/复合材料”. b）相关网分析：建立特征间的关联（如“质量”与“强度”负相关），识别关键影响因子. c）利用可拓学帮助识别高内聚、低耦合的模块边界.

利用可拓变换进行模块设计，解决模块层矛盾，应用示例如表2所示.1）构建物元评价模型，结合权重（如成本30%、通用性30%、可靠性40%）计算优度. 2）通过菱形思维模型（发散→收敛）建立产品主结构：a）发散分析：采用产品主结构描述所有可能的模块配置方式，以便得到个性化的产品实例. 如图1所示为轨道交通装备模块化主结构示意图. b）可拓变换：利用可拓变换进行轨道交通装备主结构设计，解决结构层的矛盾，应用示例如表3所示. 3）对于具体应用场景，由基于主结构的配置设计得到多个个性化的轨道交通装备（如某城市的地铁车厢）设计方案，采用优度评价法选择最优的个性化轨道交通装备方案.

可拓学在轨道交通装备模块化设计评价中的应用. 1）模块独立性指标：功能内聚度（采用可拓关联函数量化评价模块内部功能关联强度）和接口耦合度（采用物元模型描述接口参数，用于评价模块间接口的复杂度^[17]）. 2）模块通用性指标：通过可拓距计算模块在不同产品中的复用能力（通用性）. 3）性能与成本指标：性能贡献度（采用可拓域分析评价模块对整体性能（如可靠性、效率）的影响）和成本适应性（通过可拓变换优化成本评价模块化带来的成本节约）. 4）用户需求满意度指标：用户需求覆盖度（采用可拓集合论评估模块配置满足个性化需求的能力）和可配置性（基于可拓发散树分析评价模块组合的灵活性）. 5）可维护指标：a）模块维修/升级的便捷性，采用物元变换模拟装备维护路径对此评估；b）平均维修时间，通过模块更换便捷性（可拓距计算工具可达性）缩短；c）寿命周期成本（life cycle cost, LCC），通过模块化优化和减少维护成本的优化（物元变换模拟成本分摊）. 6）安全可靠性指标包括故障隔离度（单模块故障对系统的影响（可拓关联函数量化传播路径））和冗余可拓域（备用模块的兼容性（物元模型描述接口匹配度））. 7）环境友好性指标：行驶能耗减少率、行驶噪声减少率、制造过程污染减少率和制造过程能耗减少率等.

基于可拓学的模块化创新过程如图2所示.

某地铁车辆制造企业须开发新一代轻量化车体结构，设计要求同时满足抗冲击性能提升超过15%（提高安全性），减重超过15%（减少能耗），材料成本增幅不超过6%. 传统设计面临抗冲击性能提升与减重降本之间的矛盾，须通过可拓变换实现创新突破. 1）问题建模（基元模型）：建立车体设计物元模型，

$ \boldsymbol{R}=\left[\begin{array}{cc}\text{车体} & \text{材料}\\\text{抗冲击强度} & 320\;\mathrm{kJ}/{\mathrm{m}}^{2}\end{array}\begin{array}{cc}\text{铝合金} & \text{质量}10\;\mathrm{t}\\\text{成本} & 60\text{万元}\end{array}\right] .$

2）根据需求选择主结构：选择主结构中的车辆系统模块→车体模块→车厢模块→基础车厢模块→标准车厢模块. 3）基于主结构的通用模块配置：利用关联函数评估现有模块与需求的匹配度，如果匹配，则直接选用通用模块，否则进行基于主模型的模块可拓变换，甚至进行专用模块的设计. 本案例主要针对主结构中的标准车厢模块. 标准车厢模块总体结构按照标准不变，但材料有多种选项，并且可以继续拓展选项. 基于主模型的模块可拓变换：1）采用发散树分析方法，确定可拓变换的方向和内容（材料类型发散：a）铝合金→碳纤维/复合材料/铝镁合金/混合材料. b）结构形式发散：单层壳体→夹层结构/蜂窝结构/拓扑优化构型. c）制造工艺发散：焊接→3D打印/摩擦搅拌焊/铆接）. 2）基于标准车厢模块进行可拓变换，如a）置换变换（材料）：将传统铝合金替换为碳纤维增强铝基复合材料，提升抗冲击性能，减轻质量，减少行驶所需的能耗. b）增删变换（结构）：增加仿生蜂窝夹层结构（删除部分实体材料），在非关键区域引入六边形蜂窝空腔；减重同时提高抗弯刚度，进行局部增强（关键受力部位）. c）扩缩变换（参数）：运用拓扑优化算法对梁柱结构进行尺寸缩放，高应力区材料增厚，低应力区减薄. d）传导变换（工艺）：不同区域按需调整材料密度，传导效应为模块化设计→结构重构→工艺变革→性能提升. 3）模块化效果评价如表4所示，满足设计要求.

轨道交通装备技术创新须解决的矛盾问题分为4个部分. 1）性能提升与成本控制的矛盾：如轻量化材料（如碳纤维）与制造成本的冲突、牵引系统效率优化带来的研发投入激增. 2）可靠性强化与维护便捷性的矛盾：如冗余设计提高系统可靠性却增加检修复杂度，状态监测传感器加装带来的故障分析难度增加. 3）技术前瞻性与工程可行性的矛盾：如磁悬浮技术商业化应用的基建适配难题、氢能源动力系统在既有维保体系中的整合困境. 4）技术创新高效益与失败风险高的矛盾：技术创新成果往往为企业带来高效益，但创新风险和失败概率往往与高效益成正比. 在技术创新中一般要求新技术的比例不超过30%^[9]，要尽可能多地采用已有知识和成熟技术.

可拓创新方法的核心应用方法：通过物元建模→矛盾识别→可拓变换→优度评价流程，系统性解决轨道交通装备中的多目标冲突问题，实现技术创新. 当技术创新遇到矛盾冲突问题，可以利用可拓学提供的变换方法解决矛盾冲突问题，应用示例如表5所示. 利用可拓学的共轭分析方法可帮助轨道交通装备的技术创新，如表6所示.

基于可拓学和知识图谱的技术创新过程主要包含知识建模、知识融合和多目标评估3个部分. 知识建模为第一部分，包含3项内容：一是知识获取，从设计手册、专利、专家经验等渠道获取相关产品设计知识；二是要素表示，采用可拓基元表示设计要素，通过物元表示产品各部件及其属性，事元表示设计操作、工艺过程，关系元表示部件间相互关系；三是模型构建，搭建多层次知识表示模型，其中概念层为产品领域本体，实例层为具体设计案例，规则层为设计约束与经验规则. 知识融合为第二部分，包含4项内容：一是设计矛盾识别，利用可拓学识别设计中的矛盾问题，例如“提升强度”与“减少质量”的矛盾问题；二是矛盾规范表达，采用可拓模型规范矛盾问题的表达形式，建立矛盾问题的物元模型、量化矛盾程度、分析矛盾产生的原因与条件；三是创新思路开拓，采用发散树支撑发散思维，列出材料替换、结构优化、工艺改进等所有可能的解决方案路径，开拓创新设计思路；四是方案推演优选，基于知识图谱推荐变换路径，推导设计变换的可能性，同时评估各类变换方案的可行性与实际效果. 多目标评估为第三部分，围绕产品性能、经济性、工艺性等多个优化目标开展评估，包含4项内容：一是最优方案筛选，基于可拓关联度计算方案优劣，依据“安全性＞成本＞重量”的权重规则筛选最优解，通过物元变换评估最优组合，识别方案落地的必要条件链；二是知识图谱更新，依托机器学习技术迭代更新知识图谱，通过关联函数计算产品特征与历史案例的相似度，挖掘设计中的高频关联规则；三是消解策略优化，采用可拓变换方法优化矛盾消解策略；四是智能推理完善，将可拓关联规则作为知识图谱的推理引擎，实现可解释性推理，完成创新系统的自我完善.

基于数字化、网络化和智能化的产品创新技术平台中的核心内容是产品要素和技术要素. 当前轨道交通装备品种越来越多，产品要素和技术要素面临数量急剧增加、有序度降低的问题，导致其复用难度越来越大，同时产品的安全性与成本、模块通用性与用户需求多样性、个性化与成本、维修便捷性与结构紧凑性等矛盾问题日益突出，对基于平台的模块化创新和技术创新的要求越来越高. 可拓学可以有效整合产品要素和技术要素，支持基于产品创新技术平台的模块化创新和技术创新. 1）可拓学可以有效支持轨道交通装备产品要素和技术要素的知识复用：a）基于知识表征与物元建模，通过标准化知识单元，支持跨领域的知识关联和复用；b）基于知识复用的可拓变换，通过置换/增删/扩缩/分解等变换，解决知识复用中的矛盾问题；c）基于共轭分析挖掘隐性知识，分析轨道交通装备知识的深层关联；d）基于知识库的可拓推理，构建轨道交通装备的可拓知识库，通过关联函数计算知识相似度、对矛盾问题（如兼容性冲突）生成可拓策略集；e）采用菱形思维模型（发散-收敛）消解冲突，生成创新设计解决方案. 2）可拓学可以有效支持轨道交通装备产品要素和技术要素知识图谱的建立和应用，可拓学与知识图谱的综合应用方法（如混合建模方法、动态知识更新、可视化交互等）可以实现优势互补. 3）可拓学可以为轨道交通装备模块化创新提供结构化创新方法，包括矛盾可视化（明确模块化创新中的冲突点）、创新引导（通过各种变换解决矛盾冲突）、系统优化（共轭分析确保模块划分的全面性）. 4）可拓学为轨道交通装备技术创新提供了系统化的矛盾解决方法，包括形式化表达设计约束（将经验依赖转化为逻辑推导）、创新引导（通过各种变换给出非传统解决方案）、拓展解空间（突破传统思维局限）、动态优化（适应迭代需求）. 本研究表明，可拓学可以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有效方法.