一種軌道交通裝備制造企業運行一體化新模式研究

聶子臨，蔡衛華，王海丹，姜 江，陳 佑

（1.北京機械工業自動化研究所有限公司，北京 100120；2.中車唐山機車車輛有限公司，唐山 064000；3.河南科技大學管理學院，洛陽 471000）

0 引言

近年來，隨著大數據感知、傳輸和存儲技術的發展，海量的軌道交通裝備設計、生產和運維服務過程數據得到有效采集。在此背景下，產品定義已經從基于圖紙的方式向MBD（Model Based Definition，基于模型的定義）轉變，主機企業與供應商、客戶以及其他協作企業從一般采購銷售協作向在產品設計、零部件供應、運行維護、檢修/維修等方面高效、精準協同轉變，而產品維修方式也從傳統的事后修、預防修逐漸向數據驅動的狀態修、主動修的方式轉變。將分散在不同區域的現有生產設備資源、智力資源和各種核心能力，按照資源優勢互補的原則，快速組合成網絡聯盟企業，快速推出高品質、低成本的新產品[1]。亟需結合軌道交通裝備行業業務協作與服務決策優化的需求，研究一種軌道交通裝備制造企業運行一體化新模式。

本文結合軌道交通裝備行業業務協作與服務決策優化的需求，研究基于“模型驅動的設計-制造-運維一體化”主導的定制生產運行一體化新模式，以促進業務的異地高效協同與聯動，最終為推動軌道交通裝備行業轉型升級提供模式支撐。

1 軌道交通裝備制造現狀分析

目前，軌道交通行業數字化生產現場的工藝規劃、設計技術應用方面還處于探索階段，雖然相關研究人員做了一些仿真驗證系統的初步嘗試，但是缺乏成熟的虛擬驗證手段，難以實現虛擬樣機與現實生產的有效融合；我國制造過程仿真、產線仿真等技術仍然處于起步階段，未能實現工程化應用，生產現場仍然沿用傳統的裝配方式和手段[2]，主要突出如下問題：

1）傳統工藝設計易導致裝配錯誤

在傳統的二維工藝設計中，工藝設計者將腦海中的三維裝配空間和裝配順序抽象出來，最終以二維圖形或文字的形式表現出來[3]。二維工藝描述導致工藝設計過程中的詳細設計淡化[4]，不能充分利用上游產品設計CAD模型數據，難以實現工藝設計的繼承、標準化、規范化和優化[5]。傳統的工藝設計一般基于二維表示[6]缺乏定性和定量的分析方法，計劃的優劣取決于個人經驗，工藝設計水平因人而異，工藝設計變更和優化周期長，制造準備周期難以壓縮[7]。工藝設計環境不具備對三維工藝進行驗證的能力，易導致裝配存在干擾、裝配順序不合理、工藝設備無法滿足需要、不符合要求等一系列問題[8]，這往往成為產品研制進度和質量的主要影響因素。而且不同的裝配人員對裝配順序和裝配要求很容易導致理解上的差異，從而導致裝配錯誤。

2）信息孤島問題易導致運維困難

企業業務流程中的數據多是靜態、分散而且不完整的，信息系統發展不均衡，信息孤島問題存在于企業不同的業務環節，如：設計研發、工藝、制造、運維等，前期獨立發展的信息系統又會成為一個個獨立運轉的領地。早期的信息系統集成一般通過中間表或者Web Service的方式實現，隨著信息系統數量和數據交互需求的增加，使得后期的數據整合難度和維護難度逐漸增大。

2 運行一體化新模式

設備研發與制造一體化管理涉及設備管理主體、管理對象、管理資源、管理制度、管理模式等諸多因素，涵蓋設備全生命周期管理的全過程[9]。為了解決以上現狀問題，本文提出一種基于“模型驅動的設計-制造-運維一體化”主導的定制生產運行一體化新模式，如圖1所示。該新模式采用MBD技術對軌道交通裝備研發設計、生產制造、運維服務過程中的工藝指標、工藝參數、生產規劃、運維計劃等信息進行數字化定義,對軌道交通裝備企業運行數據實時采集與傳輸、一體化集成與管理，以實現設計-制造-運維過程數據的互聯互通、設計-制造-運維業務活動的互操作與協同聯動，打通全制造流程與全生命周期的數據通道，促進從需求管理、研發設計、制造運營到運維服務等企業內部的多業務協同，實現需求及變更快速響應的網絡協同制造新模式，包含數字化設計、數字化制造、數字化運維三個方面。

圖1 基于客戶需求、模型驅動的運行一體化新模式

3 數字化設計

目前軌道交通裝備制造企業已經在產品設計階段推廣基于模型的產品數字化定義技術，逐步采用三維數字化模型作為軌道車輛產品零件制造、部件裝配的依據，取代傳統的2D圖案[10]。傳統的二維工藝設計模式已經無法滿足全三維設計的要求[11]，必須建立數字化工藝規劃與仿真系統，通過三維工藝設計、仿真能力建設，實現數字化產品設計、工藝過程設計的貫通，在關鍵工序推廣和應用基于三維數據模型的裝配仿真驗證，從而提升產品工藝設計數據的集成性，并實現產品工藝設計的結構化、數字化能力，有效提高產品工藝設計質量，降低產品試制階段錯誤率[12]。

如圖2所示，軌道交通裝備要實現數字化設計需建立統一的信息化平臺，將分布式、離散式和階段式的設計模型形成集成的MBD模型，構建企業級乃至區域級的數據中心和知識庫，打通“信息孤島”。各階段人員針對協同設計需求，多角度提出產品設計需求和改進建議，將產品全生命周期中的所有數據信息都集中在資源池中生成設計BOM。

圖2 數字化設計流程

3.1 數字化裝配工藝設計

在軌道交通裝備制造企業實現三維工藝規劃設計技術深化的基礎上，達到工藝快速規劃及分析手段優化；創建數字化工藝資源，包括基于仿真工序的模型、產線布局、三維工藝資源庫以及集成數據處理。

3.2 數字化電氣工藝設計

在軌道交通裝備制造企業當前應用的電氣設計軟件和三維線纜軟件的功能基礎上，建立與研發一體的電氣工藝設計系統，對工藝數據進行集中管控，提升工藝設計的數據管理能力。

3.3 總裝配生產線仿真

利用工業離散過程仿真技術建立制造系統從總裝到交車線的仿真模型（虛擬制造系統），在工藝設計和優化中進行生產過程的模擬仿真，達到最大限度縮短生產周期，最大限度發揮產能，以滿足市場需求。

4 數字化制造

4.1 工位制節拍化生產

工位制節拍化生產，即圍繞生產工位在制造過程中的業務需求，實現快速獲取信息、及時下達計劃、準時交付物料、實時監控、提示特殊要求、問題可及時暴露、數據可實時采集、流程可閉環管理等功能。

如圖3所示，為滿足工位制節拍化生產模式的業務需求，需要基于工作站系統的制造過程管理信息平臺[13]與ERP（Enterprise Resource Planning，企業資源計劃）、PLM（Product Lifecycle Management，產品生命周期管理）系統緊密結合來支撐，具體工作流程如下：

圖3 工位制節拍化生產模式

1）整合生產工位所需的相關數據、信息，伴隨生產訂單（任務指令）推送到相關工位；

2）實時采集開工/完工、操作人員、加工數據等信息，記錄關鍵部件的序列號信息，實現產品配件、質量的信息追溯；

3）完善生產異常管理，快速暴露、追蹤現場異常問題；

4）針對不同層次管理人員配置相應的信息看板，使各級管理人員及時掌握生產現場狀況，實現生產過程管理的可視化；

5）同時緊密結合生產過程與質量檢驗，同時提高質檢人員的工作效率；針對部分工序的數字化檢測工具、裝配工具，實現數據交互，自動傳遞和采集數據。

4.2 同步ERP生產計劃

將ERP中的三日節拍計劃轉化為生產訂單，作為各工位的作業計劃傳遞到制造過程管理信息平臺。生產線按照工位制節拍化生產，節拍短節奏快（節拍細化到分鐘）；動車按照工位生產，節拍長（節拍控制到天）；轉向架包括車體大部件和組裝裝配工序，作業計劃按工序排產，需要解決工位和工序的對應關系及下層小件的生產組織。制造過程管理信息平臺要覆蓋全企業制造、裝配等重要工序生產過程，構建制造過程信息管理傳遞的基礎規則和架構，承接軌道交通裝備制造企業不同生產線的計劃，生產計劃在制造過程管理信息平臺中以工單的形式體現，具體工作流程如下：

1）計劃傳遞及分解

生產計劃編制在ERP中實現，生產計劃和生產訂單通過接口傳遞到制造過程管理的基礎信息平臺，按照不同的崗位層次形成調度計劃及工位執行計劃，最終下發至班組。分廠調度員可調整分發范圍及分發對象。

2）計劃調整

若ERP中三日節拍計劃發生調整，制造過程管理平臺涉及的生產訂單及生產執行計劃需實現同步調整。ERP的生產計劃與制造過程管理平臺形成聯動，制造過程管理平臺中已經完工的生產訂單，ERP中對應的三日節拍計劃不能調整。

3）計劃展示

生產計劃按照試制階段與正常生產階段展示，并能以甘特圖的形式展示，可以展示一個周期內的所有項目階段計劃。

4.3 排產及派發生產任務

當生產計劃傳遞到制造過程管理信息平臺時，其根據提前設定原則實現工單自動分解和任務的派發，形成某工位或某個機器加工中心的加工隊列，可人工調整干預，并同時將返工任務和更改任務派發到具體的班組或工位加工單元。以此實現按批量、按單車生產管理模式，區分不同的實現方式，具體工作流程如下：

1）按批量生產（如零部件加工及下料）類生產訂單，由分廠計劃員按照需求計劃批量，進行工序級排產，下發到工位。

2）按單車生產（如組裝工序）類生產訂單，根據訂單中工作中心、工位與生產單位班組的關聯，自動將生產訂單按“分廠-車間-工位（班組）”進行下達，分廠計劃員、車間計劃員、工位長（班組長）都能方便地查詢到自己工作范圍內的生產計劃和生產訂單。生產訂單的工位、開工日期等有問題時，由分廠計劃員更新ERP中三日節拍計劃。

4.4 制造過程管理

制造過程管理，即結合精益生產推進理念，現場以工位制節拍化生產模式推動，圍繞工位單元進行現場管理、車間數據采集和追溯管理，具體工作流程如下：

1）各工位生產人員通過操作界面能獲取自己的加工任務及加工隊列，包括正常生產任務、返工任務、更改任務等，并同時獲得伴隨生產訂單推送的相關的技術文件、物流配送、質量卡片等相關數據信息。通過開工、完工確認，反饋生產進度；生產過程記錄操作員工、部件加工參數、零部件序列號等數據，實現對關鍵零部件、質量以及操作過程的追溯；實現與異常管理系統集成，及時反饋現場異常問題。

2）在物流配料階段，記錄現場生產過程中工位車號與實際裝車工單，實現生產工單與實際車號的統一，確保生產與系統一致性。確保工單與關鍵件供應商等的關聯，實現具體車輛關鍵件的追蹤，最終實現譜系管理。

5 數字化運維

5.1 編制工藝路線

對于高速動車組運用修，技術員需要在結構化數據的基礎上編制工藝路線，具體工作流程如下：

1）結構化數據查詢

MRO（Maintenance,Repair &Operations）按照區域中心-服務站-產品類型-產品的維度對不同車型的結構化數據打包進行整理，將每一個車型的工藝文件按照不同修程組包成一組結構化數據。可在任務頁簽查看該修程下的工藝BOM及相應作業指導書（包括基本信息、工步、資源信息、物料、工具、作業條件等）。

2）工藝路線編制

標準工藝中定義了維檢修任務的過程標準。標準工藝數據主要來源于PLM，在MRO中需要可以承接來源于PLM的工藝（一級工藝）。同時，在MRO中需要可以對標準一級工藝進行二級調整，針對特定的車輛/組件覆蓋原一級工藝進行應用。在工藝文件包的任務頁簽，可進行二級工藝的編制，可對不同DS點的結構化數據按照一定順序進行排程。

5.2 編制制造BOM

制造BOM基于產線及工位基礎數據字典，結合工藝路線生成。

MRO按照工藝BOM承接PLM完整結構化數據后進行工藝路線的編制，在MRO中維護產線及工位數據，編制完成后自動更新制造BOM。

5.3 維修策略包維護

在MRO中，當工藝路線和制造BOM編制完成，維修策略包基于生成的制造BOM自動生成，按照大綱(間隔)自動下發檢修工作任務。

5.4 工藝路線變更

工藝路線的變更主要包含兩種情況：

1）PLM結構化數據變更

PLM結構化文件進行升級時，同步變更MRO中的修程包內的相關信息，但需要標記檢修任務與PLM結構化數據中的差異，提醒技術員存在該差異。由技術員判斷是否要進行二級工藝的修改。

2）MRO主動調整二級工藝

MRO調整二級工藝時保留上一版本，實現二級工藝的版本管理。

由于PLM的工藝結構化數據發生變更，需要技術員在MRO同步調整工藝路線。

5.5 修程優化

工藝路線的復制用于修程的試點優化，可在工藝路線編制對已有的工藝路線進行復制，復制完成后修改檢修對象及間隔，生成新的維修策略包后下達新的修程任務。對于修程試點優化，技術員在MRO對復制創建出一個新的工藝路線，對間隔和任務清單進行調整。

6 設計-制造-運維運行一體化

要實現設計-制造-運維運行一體化，完成數據的互聯互通、設計-制造-運維業務活動的互操作與協同聯動，必須通過BOM（Bill of Material，物料清單）來打通全制造流程與全生命周期的數據通道[14]。設計BOM作為指導下游部門工作的唯一依據，清晰地表達了設計產品結構關系、零部件數量，同時也關聯了設計三維模型和可視的輕量化模型。在制造階段，制造部門無權限修改BOM數據，只能進行BOM轉換操作。BOM轉換后的工藝BOM能完整地繼承設計BOM的所有信息，同時還能根據工藝裝配特點并結合產品工藝流程補充工藝屬性以滿足生產需要，例如物料編碼、物料名稱、版本、裝配數量、工藝類型工時、工藝路線等屬性[15]。制造部門在工藝BOM基礎上增加詳細的工藝內容、材料定額、制造資源（工裝、設備、刀具和量具等）以及工時定額等信息，最終形成制造BOM。在產品數據管理的過程中采用設計BOM、工藝BOM、制造BOM、服務BOM等多級BOM的管理方式，如圖4所示，可以適應產品在不同任務階段的需求，通過協同和轉換各級BOM的基礎數據，可以保持制造、運維與設計部門的數據一致性。

圖4 模型驅動的軌道交通產品設計-制造-運維運行一體化

7 結語

我國高鐵列車組占世界擁有量的50%以上，且發展的前景和廣闊的市場前途是其它國家無法比擬的，產品質量、生產效率、新產品試制周期以及降低運營成本已成為高鐵列車制造的瓶頸之一。隨著國內外的需求加大，新型的高鐵制造新模式需打破我國高鐵制造“一流的技術、一流的標準、一流的產品，二流的制造工藝和模式”的現狀。本文提出的“模型驅動的設計-制造運維一體化”主導的定制生產運行一體化新模式，不僅能夠提高高速車系統集成的生產制造能力、產品的生產效率和質量、縮短交貨周期和新產品試制周期，同時也大大降低運營成本和工人的勞動強度，未來也可以適用更多軌道交通車輛的系統集成制造。