基于大數(shù)據(jù)的預(yù)防性維修在汽車行業(yè)生產(chǎn)管理中的實證研究

廖夏菲

一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司 廣東省佛山市 528000

1 汽車行業(yè)設(shè)備管理現(xiàn)狀

汽車行業(yè)經(jīng)過百年歷史，特別是在二次世界大戰(zhàn)之后，隨著制造業(yè)快速發(fā)展，也出現(xiàn)了較多的現(xiàn)代企業(yè)設(shè)備管理方式。從時間維度而言，主要可以劃分為設(shè)備前期管理和設(shè)備后期管理兩個階段，其中前期管理主要側(cè)重設(shè)備對于企業(yè)生產(chǎn)管理的經(jīng)營目標(biāo)和產(chǎn)品需求的對應(yīng)，主要工作內(nèi)容是選型以及安裝調(diào)試。后期管理則主要是針對已經(jīng)投入運行的設(shè)備，進(jìn)行保養(yǎng)監(jiān)測，維修更換等等。本文主要研究的是設(shè)備后期管理，當(dāng)前行業(yè)中，應(yīng)用比較廣泛的是來自于日本的全員生產(chǎn)維修制，也就是TPM（Total Production Maintenance）。[1]

TPM最早出現(xiàn)在維修領(lǐng)域是源于20世紀(jì)60年代，日本的一家電子元件制造商Nippondenso，隨后在日本工業(yè)維修協(xié)會的支持下，在數(shù)百家日本公司開始應(yīng)用，目前也是行業(yè)中主流的日常設(shè)備管理方式。其核心思想是要在設(shè)備管理中要實現(xiàn)“三全”，全效率，全體系，全員。即企業(yè)的全體員工保持飽滿的熱情，關(guān)注整個過程中的設(shè)備情況，實現(xiàn)效率高，質(zhì)量好，成本低，故障少的目的。

但是在自動化顯著提升以及信息數(shù)據(jù)快速增長的現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，也逐漸出現(xiàn)了一些弊端：（1）設(shè)備數(shù)量快速增加與維修人員數(shù)量的矛盾，隨著生產(chǎn)環(huán)節(jié)的復(fù)雜程度以自動化程度的提升，設(shè)備數(shù)量呈指數(shù)增加，但是人員成本逐漸上升，只能提升單人負(fù)責(zé)設(shè)備數(shù)量。（2）設(shè)備內(nèi)部復(fù)雜程度與維修人員能力的矛盾，目前的設(shè)備復(fù)雜程度與過去已經(jīng)不可同日而語，從機(jī)械結(jié)構(gòu)升級為機(jī)械電氣一體化，甚至內(nèi)部封裝已經(jīng)廣泛應(yīng)用，這對維修人員的能力也提出了全新的挑戰(zhàn)。

同時，隨著智能制造的興起，特別是通過制造執(zhí)行系統(tǒng)，采集設(shè)備參數(shù)以及生產(chǎn)環(huán)節(jié)各項數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和管理，其中基于大數(shù)據(jù)的設(shè)備預(yù)防性維修是重要研究方向和應(yīng)用實踐。

2 預(yù)防性維修概述

傳統(tǒng)維修主要依靠經(jīng)驗及定性判斷為主的維修模式，而預(yù)防性維修主要運用各種維修建模方法和優(yōu)化技術(shù)，定量描述及分析維修工作，在維修實踐中給予先行性的指導(dǎo)，起到預(yù)測并防范于未然的效果，從而提高企業(yè)的運營績效[2]。

預(yù)防性維修的實現(xiàn)也是需要前置的技術(shù)基礎(chǔ)，才能夠?qū)崿F(xiàn)，具體而言有：

（1）信息技術(shù)，生產(chǎn)過程中，信息來自于各個設(shè)備，需要搭建設(shè)備環(huán)網(wǎng)，建立標(biāo)準(zhǔn)的通信模式，搭建以太網(wǎng)絡(luò)或者5G網(wǎng)絡(luò)平臺，才能保證信息暢通。

（2）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，預(yù)防性維修的對象，是設(shè)備，設(shè)備之間的參數(shù)提取非常關(guān)鍵，且同種設(shè)備及不同設(shè)備需要搭建統(tǒng)一的信息平臺，才能實現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備的互聯(lián)，為車間級的設(shè)備預(yù)防性維修建立基礎(chǔ)。

（3）大數(shù)據(jù)存儲及計算，設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是非常復(fù)雜的，常見的有力矩，電流，電壓等等，且應(yīng)用于不同的生產(chǎn)場景，數(shù)據(jù)的產(chǎn)生也是非常巨大的，需要依托大數(shù)據(jù)技術(shù)對信息進(jìn)行存儲，管理和統(tǒng)計。

（4）建模及算法，預(yù)防性維修需要能夠建立設(shè)備參數(shù)以及故障發(fā)生的參數(shù)模型，并經(jīng)過自我學(xué)習(xí)，定義報警或者中斷閾值。

3 基于大數(shù)據(jù)的預(yù)防性維修的有效途徑

在預(yù)防性維修的功能實現(xiàn)上，最為關(guān)鍵的是要在設(shè)備出現(xiàn)異常之前，能夠提前發(fā)現(xiàn)或識別。根據(jù)高帆等學(xué)者的總結(jié)歸納，設(shè)備預(yù)防性維護(hù)的具體過程包含以下四步[3]：

第一，由設(shè)備的傳感器獲知設(shè)備的實時狀態(tài)，利用分析技術(shù)判斷被監(jiān)測的設(shè)備的當(dāng)前所處的作業(yè)狀態(tài)和運行環(huán)境，獲取該設(shè)備的健康狀態(tài)[4]。

第二，基于傳感器采集獲取的設(shè)備健康情況，結(jié)合設(shè)備管理系統(tǒng)力的相關(guān)參數(shù)的參考和計量，對在線監(jiān)測采集到的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。采用如趨勢分析曲線的方法，結(jié)合歷史情況進(jìn)行綜合分析法，形成趨勢分析報告，起到輔助決策的作用。

第三，以趨勢分析曲線為參考，采用故障分析統(tǒng)計、數(shù)據(jù)建模分析、評判規(guī)則預(yù)設(shè)、預(yù)警數(shù)據(jù)設(shè)置等方式，進(jìn)行壽命預(yù)測和運行狀態(tài)的有效分析，反復(fù)驗證、提升和優(yōu)化，以提升整體預(yù)測的可靠性和科學(xué)性。

第四，合理確定設(shè)備的維護(hù)計劃和對應(yīng)的維護(hù)時間安排，目的是通過主動發(fā)現(xiàn)、主動阻斷風(fēng)險，降低被動的生產(chǎn)停工時間。當(dāng)然這需要采取一系列符合企業(yè)自身客觀情況的檢測診斷方法，也需要做好對應(yīng)的經(jīng)驗積累提煉工作。

采取有效途徑實現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)，對于企業(yè)而言不僅僅在生產(chǎn)時間安排上可以消除被動的風(fēng)險因素，在經(jīng)濟(jì)性上除了帶來效率的提升也有利于提升備件采購計劃的合理性，從而有效地減少備件庫存的占用和降低設(shè)備的整體維護(hù)成本。同時對于維修人才隊伍的自主能力提升也起到了關(guān)鍵的鍛煉作用。

4 預(yù)防性維修在企業(yè)生產(chǎn)管理中的實踐

由于對效率提升和成本優(yōu)化的積極貢獻(xiàn)，預(yù)防性維修，在自動化率極高的汽車制造領(lǐng)域自然是無疑是重點關(guān)注的領(lǐng)域，接下來將以一汽-大眾某焊接工業(yè)車間為例，進(jìn)行實踐成果的探討和分析。

該車間自動化程度超過85%，有焊鉗、涂膠、工業(yè)機(jī)器人、輥床等超過100種設(shè)備類型，其中工業(yè)機(jī)器人超過1100臺，自動焊接設(shè)備超過900臺，自動涂膠和鉚接設(shè)備超200臺，輸送設(shè)備超400臺，各類設(shè)備超過5000臺。設(shè)備運行及管理是是完成產(chǎn)量任務(wù)的關(guān)鍵保障。

設(shè)備運行智能分析系統(tǒng)，利用信息化技術(shù)預(yù)測設(shè)備狀態(tài)及提升自適應(yīng)性，采集設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，做到設(shè)備狀態(tài)預(yù)測性監(jiān)控，提醒維修人員進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，已經(jīng)得到多個場景的應(yīng)用：通過電流監(jiān)控來預(yù)測驅(qū)動類設(shè)備運行狀態(tài)，提前發(fā)現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)磨損缺陷；利用電機(jī)轉(zhuǎn)矩、出膠壓力、填充時間，監(jiān)測膠體黏度以及管路狀態(tài)，分析涂膠設(shè)備運行狀態(tài)；利用摩擦力、響應(yīng)速度來預(yù)測焊鉗運行狀態(tài)等。

接下來結(jié)合驅(qū)動類設(shè)備預(yù)防性維修項目展開案例介紹。

驅(qū)動類設(shè)備是該車間分布廣泛的運轉(zhuǎn)型設(shè)備，如輥床、轉(zhuǎn)臺、升降機(jī)等，主要負(fù)責(zé)車身產(chǎn)品的轉(zhuǎn)移及升降。這類設(shè)備一般體積較大、負(fù)載較重，出現(xiàn)故障難以修復(fù)，維修時間往往在4個小時以上，容易出現(xiàn)重大設(shè)備停臺。

前期對該類設(shè)備的維護(hù)，通過兩個月一次人工檢查，每次投入人員16人，投入工時32人時，但仍難以提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部故障隱患點，特別是電機(jī)內(nèi)部損耗以及傳送機(jī)構(gòu)磨損。

結(jié)合智能制造項目，攻克驅(qū)動類設(shè)備參數(shù)接口，提取設(shè)備運動過程的電流曲線，通過數(shù)據(jù)湖進(jìn)行存儲，同時自主開發(fā)算法對電流曲線提取特征值，并進(jìn)行擬合分析，能夠有效識別設(shè)備運轉(zhuǎn)過程中，電流跳變以及變化趨勢。系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控車間400余臺驅(qū)動設(shè)備狀態(tài)，并實現(xiàn)目視化效果展示，維修人員能夠快速獲取設(shè)備信息，且出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)自動郵件提醒維修人員并添加檢修內(nèi)容至工作清單。

運行以來，已發(fā)現(xiàn)2起重大故障隱患，分別是升降輥床傳動部件磨損及翻轉(zhuǎn)臺驅(qū)動電機(jī)軸承磨損，這兩個設(shè)備重量超過1噸，生產(chǎn)過程中難以更換，監(jiān)控發(fā)現(xiàn)異常后，系統(tǒng)推送工作任務(wù)至維修人員，在停產(chǎn)檢修時計劃性更換，避免了10小時以上生產(chǎn)停臺，并由于發(fā)現(xiàn)及時，磨損位置尚可修復(fù)，節(jié)約備件成本19萬元。

5 生產(chǎn)數(shù)字化核心技術(shù)在預(yù)防性維修領(lǐng)域中的應(yīng)用方向

通過上述實踐案例，不難發(fā)現(xiàn)，預(yù)防性維修的有效實現(xiàn)和可靠性的不斷提高，需要綜合利用多種數(shù)字化手段，這也是我們在制造業(yè)領(lǐng)域不斷推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型給企業(yè)發(fā)展帶來的理論和實踐價值。概括而言，目前應(yīng)用比較廣泛的核心技術(shù)主要有以下四個應(yīng)用方向：

5.1 工業(yè)大數(shù)據(jù)賦能企業(yè)的精準(zhǔn)決策

工業(yè)數(shù)據(jù)的透明化，有利于輔助企業(yè)的管理者實現(xiàn)敏捷化的決策，這也是企業(yè)在生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)大力推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的一個重要動因。

在維修領(lǐng)域，大數(shù)據(jù)的打通往往是指實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的透明化，和設(shè)備與系統(tǒng)之間關(guān)于數(shù)據(jù)的交互性。這樣的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)有助于實現(xiàn)設(shè)備實時運行狀態(tài)的監(jiān)控，迅速地發(fā)現(xiàn)異常并根據(jù)故障數(shù)據(jù)或提示、及時地進(jìn)行工藝細(xì)節(jié)的調(diào)整，進(jìn)行快速的生產(chǎn)調(diào)整決策，從整體上實現(xiàn)生產(chǎn)效率的提升，防止缺陷問題的批量流出。同時，在傳統(tǒng)的維修模式下，我們常以單個工廠、車間或車型為單位分析生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的相關(guān)設(shè)備問題問題。但大部分車企擁有多個生產(chǎn)基地和車間，這種分析和解決模式不利于發(fā)現(xiàn)共性原因，導(dǎo)致盲點的長期存在。通過各大基地生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集和內(nèi)部對比，可精準(zhǔn)挖掘共性或針對性問題，從單點問題分析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)問題分析。

5.2 工業(yè)軟件系統(tǒng)作為核心工具的作用凸顯

工業(yè)軟件系統(tǒng)是一個寬泛的概念，上至面向整個企業(yè)進(jìn)行資源計劃的ERP系統(tǒng)，到供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)，包含倉儲物流相關(guān)的管理系統(tǒng)以及關(guān)于產(chǎn)品生命周期管理的系統(tǒng)等等，通過工業(yè)軟件系統(tǒng)的集合，可以實現(xiàn)從單個小模塊的控制，到生產(chǎn)線的管理，資源平衡，生產(chǎn)決策偶從微觀到宏觀的整個過程的管理。

汽車制造業(yè)的內(nèi)部生產(chǎn)管理往往要同時平衡銷售端和內(nèi)部執(zhí)行，也就是訂單的計劃兌現(xiàn)和實際的現(xiàn)生產(chǎn)管理、資源匹配，同時在這個環(huán)節(jié)中會存在多個系統(tǒng)平臺和多個入口，因此需要通過網(wǎng)絡(luò)化的工業(yè)軟件系統(tǒng)來填補計劃層面與實施控制層面的空白。對于這一塊制造執(zhí)行系統(tǒng)的投入和提升，許多行業(yè)龍頭已經(jīng)表現(xiàn)出了濃厚的興趣和熱情。

聚焦維修領(lǐng)域，制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）系統(tǒng)的利用主要是在執(zhí)行控制層，通過對過程控制模塊的整合和應(yīng)用，通過數(shù)據(jù)采集，結(jié)合預(yù)設(shè)的邏輯，進(jìn)行有效的風(fēng)險識別，實現(xiàn)有效的設(shè)備和生產(chǎn)管理。

5.3 工業(yè)機(jī)器人既是制造基礎(chǔ)的執(zhí)行終端也是數(shù)據(jù)收集器

在自動化時代，各大車企為了降低人員和提高生產(chǎn)的精度投入了大量的機(jī)器人。在數(shù)字化時代，機(jī)器人的應(yīng)用必然更加廣發(fā)，隨著5G技術(shù)的深入覆蓋，機(jī)器人的價值不僅僅是替代人工或者穩(wěn)定輸出，而是它本身也可以被挖掘成一個數(shù)據(jù)基站，對機(jī)器人采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，企業(yè)可以發(fā)現(xiàn)更多的潛在價值，進(jìn)而賦能整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)。智能制造和工業(yè)4.0的進(jìn)一步實現(xiàn)，都需要企業(yè)在現(xiàn)有機(jī)器的基礎(chǔ)上，充分深挖數(shù)據(jù)價值，兩者疊加才能打造具備不斷自學(xué)習(xí)能力的數(shù)字工廠。

在維修領(lǐng)域，我們大量的應(yīng)用場景也離不開機(jī)器人的自動診斷，這意味著在這個過程中，機(jī)器人不僅僅是被動地等待修理，而是可以自己積累數(shù)據(jù)，自己根據(jù)臨界值實現(xiàn)舉手甚至是采取主動的制動操作。

5.4 數(shù)字孿生作為以預(yù)測和控制為目的的認(rèn)知解決方案

數(shù)字孿生是一種具有實時同步、雙向映射、高保真還原特性，能夠?qū)崿F(xiàn)物理世界與信息世界互相交換和彼此融合的信息技術(shù)[5]。近年來，由于數(shù)字孿生概念逐漸被熟悉，實踐應(yīng)用的案例越來越成熟，數(shù)字孿生車間的概念也在制造業(yè)內(nèi)部被反復(fù)提出，在智能制造中的應(yīng)用潛力也得到了各界越來越多的關(guān)注。

在制造業(yè)內(nèi)部，常見的應(yīng)用場景是以數(shù)字化的方式將物理實體轉(zhuǎn)化為數(shù)字模型，對比實施數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，降低生命周期中不確定性的技術(shù)手段。具象化到維修領(lǐng)域，數(shù)字孿生的應(yīng)用主要通過理論模擬數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)的對比，快速識別出偏差，發(fā)現(xiàn)問題。

6 結(jié)語

在人力成本上升、自動化率普及型提高的現(xiàn)代社會，制造業(yè)企業(yè)內(nèi)部的管理重點從人逐步轉(zhuǎn)向設(shè)備。對于問題管理的側(cè)重點，也更多地也從事后問題解決轉(zhuǎn)向為事中監(jiān)控和事前的有效預(yù)防。在數(shù)字化轉(zhuǎn)型浪潮的推動下，技術(shù)的迭代和進(jìn)步也為更多管理功能和先進(jìn)手段的實現(xiàn)提供了可能。

預(yù)防性維修不僅僅是一種理論的概念，在現(xiàn)代汽車企業(yè)內(nèi)部已實現(xiàn)了很多的有效的應(yīng)用場景，也為企業(yè)帶來了實際可感知的效應(yīng)。預(yù)防性維修的意義不僅僅在于提高單臺設(shè)備的安全性和使用壽命，對于企業(yè)整體生產(chǎn)的穩(wěn)定性和全面質(zhì)量管理的有效實現(xiàn)都有極大的現(xiàn)實貢獻(xiàn)。