機械裝備全生命周期服務信息模型的構建與應用

曹則新，張吉軍，楊國祥，徐曉龍，蔡慕堯

（常德煙草機械有限責任公司，湖南常德 415000）

0 引言

信息技術的飛速發展，使得制造業與服務業融合的特征愈發明顯。范德莫（Vandermerwe）和瑞達（Rada）給出的制造業服務化定義是：現代制造業企業由單純提供有形產品轉變為提供以顧客為主的更加完整的“產品包（Bundles）”。這個產品包由有形的裝備產品、制造廠商的服務支持、用戶自主服務和裝備知識等組成。國外制造服務業發展較成熟，以裝備制造業為例，發達國家呈現兩個70%的現象，即制造業占GDP 比重為70%，而制造服務再占其中的70%。我國在市場化改革和供給側改革雙重驅動下，服務化的步伐加快。但受傳統上我國裝備制造企業存在重設計、輕服務、重生產、輕市場的影響，制造業服務化存在的問題主要在于：一是服務化轉型發展的觀念欠缺、意識不強，頂層設計不足；二是裝備的數字化率和信息共享水平不高，制約了服務化的發展。針對這種普遍不足，本文以復雜裝備為研究對象，面向裝備的全生命周期過程提出信息模型的框架，并重點研究了服務模型的生成方法及服務化應用，以期解決裝備制造企業普遍存在的設計、生產信息較為完整而孤島現象嚴重、服務信息化不足的局面。

1 現代機械裝備的特點及全生命周期的服務化需求

機械裝備全生命周期概念指從裝備的設計構思開始，以時間為軸貫穿產品設計、生產制造、發運調試、使用維護、報廢回收或再制造的連續過程。作為智能制造的基礎設施，現代機械裝備的特點如下：

（1）復雜性增加。當前裝備是“機、電、氣、液”一體化的復雜特征，正在朝著大型化、高速化、精密化、自動化、數字化的方向發展。裝備廣泛應用了新材料、綠色節能、互聯網、人工智能等技術。

（2）個性化要求增加。大型裝備生產很多屬于ETC 模式，需要按客戶的具體要求定制。而且裝備制造商為適應個性化要求推出了大量的選配件，裝備的個性化特征顯著。

（3）操作人員經驗普遍缺乏。由于裝備的復雜性、個性化特征，裝備維護人員、操作人員對裝備的了解就需要投入大量的時間及精力，因此掌握程度就不充分。裝備復雜性與維護、操作人員水平之間的不匹配，是當前設備管理領域的主要矛盾之一。

（4）停機損失大。由于高速化和高度自動化，機械設備在生產系統中擔任重要工序或加工裝備，裝備出現故障或停機，對產能、質量的影響顯著，甚至有可能對安全和環保帶來負面影響。

機械裝備的全生命周期服務化的主要需求體現在以下3 個方面。

（1）互聯網+模式。互聯網技術的重大影響是促進了裝備服務信息的流動的效率。通過互聯網平臺，在裝備實物還沒有出廠時，信息服務就可以開展，包括裝備樣機、安裝指導、操作培訓等。

（2）精準服務模式。由于裝備的復雜性特點，裝備生產基本上采用定制化模式，因此服務信息的“一機一檔”和“精準服務模式”很有必要。

（3）知識積累與共享模式。服務信息會隨著裝備出廠而共享到下游使用者，但裝備出廠只是全生命周期的一個節點，服務信息需要在使用維護中不斷地積累、完善。更為重要的是利用共享模式，采用互聯網+方式共享同類型多個裝備的使用維護經驗，用于不斷完善單個裝備的服務信息，對裝備的應用效率和管理水平提升很有必要。

2 機械裝備全生命周期信息模型框架

現代機械裝備是一個由供應鏈多企業協作完成的復雜產品，即使在一個企業內部也是多部門、多工序、多車間協同的產物。從裝備角度看，裝備本身則通過不同物料、數據、人力等生產資源在不同時間、空間和技術條件下的相互作用而生成。因此，為了支持相互協作與集成的需要，對裝備完整的信息化模型提出了迫切的需求。機械裝備生命周期信息模型可以定義為：以計算機技術和信息理論為基礎，以數據結構和模式來描述機械裝備在概念設計、產品開發、工藝設計、生產制造、檢驗檢驗、安裝調試、使用維護到報廢處置的全生命周期涉及的裝備本體、業務活動、相關資源以及之間相互聯系的一種信息模型。由于機械裝備的全生命周期涉及面廣、信息交互繁雜，不可能采用單一的模型來完整描述整個過程，因此必須采用一組分階段的模型。

從機械裝備的特點和裝備生產企業的視角，將裝備的全生命周期定義為：樣機論證、產品設計、加工制造、安裝調試和服務支撐共5 個階段，為此可以分別建立5 個階段的模型。同時，在階段模型中設置4 個層次的相關的要素，包括概念要素、信息要素、應用服務要素、組織要素，給出機械裝備全生命周期信息模型的框架如圖1 所示。

圖1 裝備全生命周期模型框架

信息要素是裝備全生命周期建模和管理的核心。基于信息的多樣性和專業的分工，信息要素必須按多種格式存儲及管理。但需要借助概念模型用于指導信息要素的統一管理。概念模型在裝備不同生命周期有不同的關注點，即分別側重于裝備信息模型的某個側面。隨著時間維度不斷推移，階段概念模型可進行細化、轉移，最終形成整個裝備全生命周期根模型。從信息化角度來看，概念模型與數據要素之間建立映射關系，即抽象模型數據與物理數據之間的映射，為元模型。全生命周期模型建立的目標是實現裝備在不同階段信息的互通、共享，因此必須實現多種形式的信息共享接口、集成標準，支持應用服務要素對不同階段信息要素的獲取。而應用服務要素支持不同業務功能的管理與作業，包括裝備生產計劃制定、產品營銷、售后服務管理等。通過人機接口實現裝備全生命周期各個階段的相關組織、不同角色對信息數據的獲取、處理、決策需要。

3 機械裝備服務信息模型及生成過程

機械裝備全生命周期不同階段模型的構成及信息側重點也不同，且沿時間維度各個階段的模型可以相互轉化。在裝備制造企業服務化轉型的當下，機械裝備服務支持階段模型的建立與應用是裝備制造商的重中之重，也是傳統企業容易忽視的地方。裝備服務可以細分為3 個子階段，即交付前服務、運行維護和回收處理。機械裝備的服務模型包括5 個重要的信息域：安裝調試信息域、裝備檔案信息域、運行維護信息域、回收處理信息域和客戶對象信息域。

（1）裝備安裝調試信息域。主要包括裝備運輸信息、裝備安裝信息、裝備調試信息、裝備試車信息、裝備交驗信息等，以及用戶驗收意見和相應的技術手冊。

（2）裝備檔案信息域。主要包括裝備的設計資料、制造過程資料、物料清單、備件清單、技術手冊等，以及由裝備商提供的維修服務包的內容，包括故障樹、維修大綱、維修知識庫等。

（3）裝備運行維護信息域。主要包括裝備運行數據、報警記錄、故障記錄、維修記錄、備件服務記錄等。

（4）裝備回收處理信息域。朱啊喲包括處置辦法、報廢流程、分拆要求和材料處理要求等。

（5）客戶對象信息域。主要包括客戶信息、銷售合同、操作人員信息和技能認證信息等。

服務化模型是由前期設計階段模型、生產制造模型逐步轉化而來的，因此其構建過程的關鍵是在統一信息模型基礎之上打通設計、生產、裝配過程與裝備服務之間的數據鏈路。一是建立以裝備服務BOM（Bill Of Material，物料清單）為核心的一機一檔。設備定型后，設計數據可發布到服務化信息，而生產過程的工藝、裝配信息可以按需發布到服務模型。面向服務目錄的需要，基于裝備服務BOM 結構，可以進一步集成相關的圖冊、手冊和文檔等非結構化信息。二是支撐由改單驅動的裝備服務信息更新機制，實現版本管理。三是具備標準接口實現與裝備銷售、運維服務等應用的集成。四是由靜態信息模型和動態信息模型兩部分構成。靜態信息模型主要由制造商提供的設備投產前的信息的管理，而動態信息模型是指設備投用后的狀態、運維信息的管理。

4 試驗驗證項目

以煙草行業新一代智能化裝備的服務化轉型為驗證項目。常德煙機是行業指定的煙草專賣裝備的制造商、經銷商。但煙機行業受計劃專控的影響，一段時期存在重生產輕服務的經營觀。隨著全球經濟一體化帶來的國外同行競爭加劇，和供給側改革帶來裝備銷量下降的雙重壓力，以及下游客戶快速推進智能工廠為抓手的數字化轉型的需求的不斷上升，迫切需要煙機制造企業提供煙機裝備的全生命周期支持與服務，并著重補足服務化不足的短板。煙機制造企業利用對煙機裝備熟悉的優勢，以及匯聚了裝備全生命周期中前4 個階段信息的優勢，以數據驅動業務變革，將企業業務由單純的裝備制造延伸到裝備后服務，努力實現裝備價值的提升和企業服務化轉型。

在服務信息模型的構建中，項目依托煙機設計過程中的三維模型數據（由Core3.0 設計，通過Windchill 平臺管理），經過脫敏和輕量化處理，開發發布接口，建立服務化BOM 及裝備結構，并在此基礎上完善交互式技術手冊、備件清單、運維策略、專家經驗庫、爆炸圖等，以機型為管理基線，并按出廠設備一對一構造“一機一檔”的模型，隨設備出廠進行發布。在信息模型的管理上，針對性開發了“云、管、端”一體的服務管理平臺，支撐模型信息從煙機制造商通過網絡向下游卷煙廠的流動，并保證模型信息的安全訪問。同時，有關設備使用過程中，信息通過服務管理平臺從卷煙廠向上流動到煙機制造企業，實現煙機裝備服務包的優化與定制。

5 結語

當前機械裝備行業設計的數字化率較高，其中三維化率也在逐步提高，但設計階段的信息在生產、裝配、服務等裝備全生命周期環節并沒有得到全面應用及價值發揮。裝備出廠后服務化信息，包括“一機一檔”沒有實現同步生成。而下游企業基于數字化轉型需要，二次開發和整理一些信息用于培訓、維修的數字孿生可視化應用，但通常存在工作量大、精度不高、與實際裝備不符、維護成本高等不良因素。本文從裝備制造企業視角，針對服務化轉型過程中裝備信息模型的構建進行研究，并對服務信息模型的設計、集成及應用的開發進行試點，并將研究結果應用于煙機制造企業的服務裝備包中，通過信息共享及支撐裝備售后服務，取得了較好的效果。在后續的研究中，將擴大數據集成范圍和共享水平，涵蓋裝備銷售、生產、裝配、處置等環節，以及進一步回饋裝備設計優化的全過程，實現裝備全生命周期信息模型“一處設計、過程集成、處處利用”的目標。