動(dòng)車組高級(jí)修工藝數(shù)字化管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

朱 湘，周明濤，張海濤，卞 彬，黃 凱

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2.中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司 上海動(dòng)車段，上海 201812；3.上海申鐵信息工程有限公司，上海 200071；4.中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司 車輛部，上海 200071）

近年來(lái)，數(shù)字經(jīng)濟(jì)與鐵路行業(yè)的融合逐步加深，特別是在機(jī)車車輛領(lǐng)域，眾多機(jī)車車輛制造企業(yè)、檢修站段紛紛加大投入，積極謀求數(shù)字化轉(zhuǎn)型[1-4]。數(shù)據(jù)是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)，能夠?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助工藝設(shè) 計(jì)（CAPP，Computer Aided Process Planning）、企業(yè)資源計(jì)劃（ERP，Enterprise Resource Planning）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES，Manufacturing Execution System）等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，是數(shù)字化生產(chǎn)的基礎(chǔ)；數(shù)字化工藝，是企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基石[5]。目前，動(dòng)車組高級(jí)修工藝數(shù)據(jù)的載體為作業(yè)指導(dǎo)書，工藝編制維度不一，缺少統(tǒng)一規(guī)范，歸類管理、比對(duì)校核的難度大，工藝未實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化管理，無(wú)法被MES 直接引用，不能發(fā)揮關(guān)鍵工序和工步引導(dǎo)、智能檢測(cè)數(shù)據(jù)卡控等功能，不利于過(guò)程回溯和質(zhì)量控制；工藝流程作為工藝數(shù)據(jù)的重要內(nèi)容，未在作業(yè)指導(dǎo)書中完整體現(xiàn)，存在信息缺失。

為此，本文設(shè)計(jì)動(dòng)車組高級(jí)修工藝數(shù)字化管理系統(tǒng)，研究其關(guān)鍵，助力動(dòng)車組檢修企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

通過(guò)對(duì)高級(jí)修工藝管理存在的問(wèn)題及數(shù)字化生產(chǎn)實(shí)際需要的研究分析，按照層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，提出動(dòng)車組高級(jí)修工藝數(shù)字化管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 動(dòng)車組高級(jí)修工藝數(shù)字化管理系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 支撐環(huán)境層

支撐環(huán)境層主要包括分布式數(shù)據(jù)庫(kù)、服務(wù)器、操作系統(tǒng)等，提供滿足多任務(wù)、分布式任務(wù)調(diào)度需求的系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境。數(shù)據(jù)庫(kù)主要用于存儲(chǔ)工藝數(shù)字化過(guò)程中所涉及的基礎(chǔ)工藝數(shù)據(jù)，如高級(jí)修部件物料清單（BOM，Bill of Materials）、工藝BOM 等。

1.2 應(yīng)用層

應(yīng)用層按照不同粒度將系統(tǒng)功能劃分為多個(gè)模塊，模塊之間既保持松散的耦合關(guān)系，便于功能擴(kuò)充和維護(hù)，也具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，確保數(shù)據(jù)在模塊間有效傳輸[6]。采取完全集成的模式，與MES 使用統(tǒng)一的開發(fā)平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫(kù)，向MES 自動(dòng)傳輸準(zhǔn)確規(guī)范的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)工藝對(duì)數(shù)字化生產(chǎn)的引導(dǎo)作用。

1.3 表現(xiàn)層

動(dòng)車組高級(jí)修工藝數(shù)字化管理系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)，用戶可通過(guò)身份驗(yàn)證登錄本系統(tǒng)，依據(jù)不同角色的權(quán)限配置訪問(wèn)差異化的人機(jī)交互界面。用戶可在本系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行部件BOM、工藝卡片、工藝BOM的檢索、查看、編輯等操作；本系統(tǒng)提供工藝流程圖、甘特圖等圖形化顯示界面，可用于后續(xù)計(jì)劃編制和進(jìn)度追蹤[7-8]。

2 系統(tǒng)功能

動(dòng)車組高級(jí)修工藝數(shù)字化管理系統(tǒng)的3 個(gè)功能模塊為高級(jí)修部件BOM、高級(jí)修工藝卡片庫(kù)和高級(jí)修工藝BOM。3 者之間既相互獨(dú)立，分別存儲(chǔ)不同類型的工藝數(shù)據(jù)信息，又相互關(guān)聯(lián)，部件BOM 與工藝BOM 分別通過(guò)與工藝卡片的綁定實(shí)現(xiàn)兩者之間的映射。此外，本系統(tǒng)還滿足權(quán)限管理、集成管理和系統(tǒng)管理的需要。通過(guò)用戶的角色配置實(shí)現(xiàn)不同權(quán)限的賦予，以便分類管理工藝編制、審核、發(fā)布、查看等權(quán)限。

2.1 高級(jí)修部件BOM 功能

統(tǒng)一工藝的編制規(guī)則，優(yōu)化工藝編制流程，建立基于高級(jí)修部件BOM 的工藝編制體系，該體系層次結(jié)構(gòu)清晰，便于比對(duì)校核。

2.2 高級(jí)修工藝卡片庫(kù)功能

通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)、工具、物料、檢修記錄、參數(shù)取值等工藝數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化配置，形成結(jié)構(gòu)化工藝卡片庫(kù)，實(shí)現(xiàn)高級(jí)修工藝的數(shù)字化管理，可向MES 直接提供準(zhǔn)確規(guī)范數(shù)據(jù)，發(fā)揮工藝指導(dǎo)生產(chǎn)的作用。

2.3 高級(jí)修工藝BOM 功能

實(shí)現(xiàn)工序與結(jié)構(gòu)化工藝卡片的綁定，建立工藝數(shù)據(jù)自動(dòng)推送的關(guān)聯(lián)關(guān)系；補(bǔ)全高級(jí)修工序順序、工藝流程等信息，可為下一步數(shù)字化生產(chǎn)的計(jì)劃編制、任務(wù)分派等功能提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 工藝數(shù)據(jù)存儲(chǔ)環(huán)境配置

考慮到高級(jí)修工藝數(shù)據(jù)存儲(chǔ)體量及數(shù)據(jù)管理安全性、可靠性、易用性的需求，采用SpringBoot+VUE 前后端分離的開發(fā)架構(gòu)，集成JPA 框架，對(duì)MariaDB 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行配置，以關(guān)系型數(shù)據(jù)表的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)化工藝數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理。配置FTP 服務(wù)器，滿足非結(jié)構(gòu)工藝數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需要，如圖片、文檔等，并通過(guò)統(tǒng)一資源定位符實(shí)現(xiàn)文檔與數(shù)據(jù)表的關(guān)聯(lián)。

3.2 高級(jí)修部件BOM 模型構(gòu)建

以CRH380B 型動(dòng)車組三級(jí)修架車修為例，按照動(dòng)車組產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成，結(jié)合高級(jí)修規(guī)程中所列檢修部件和檢修屬性，對(duì)動(dòng)車組進(jìn)行逐級(jí)分解，形成樹形結(jié)構(gòu)模型，如圖2 所示。

圖2 動(dòng)車組高級(jí)修部件樹形結(jié)構(gòu)模型

圖2 所示的樹形結(jié)構(gòu)模型既包含了動(dòng)車組高級(jí)修部件明細(xì)，也展示了部件之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，藍(lán)色表示須從上一級(jí)部件中分解，對(duì)應(yīng)規(guī)程的分解檢修；黃色表示依附于上一級(jí)部件無(wú)須分解，對(duì)應(yīng)規(guī)程的原位檢修；綠色表示部件對(duì)應(yīng)不同性質(zhì)的工藝卡片。

（1）通過(guò)選擇動(dòng)車組車型自動(dòng)獲取車廂數(shù)量的配置信息，確定規(guī)程、檢修方式后，創(chuàng)建部件BOM框架；

（2）在部件BOM 框架內(nèi)通過(guò)添加一級(jí)部件或添加子部件呈現(xiàn)部件的層級(jí)結(jié)構(gòu)。由于分解檢修和原位檢修的部件都通過(guò)添加子部件的方式從上一級(jí)部件中生成，形式上均構(gòu)成“父子關(guān)系”，為了加以區(qū)分，增加了部件屬性信息并展示在部件BOM 上；

（3）以部件BOM 中各部件節(jié)點(diǎn)為對(duì)象，依據(jù)規(guī)程要求配置相應(yīng)的分解、清洗、檢修、試驗(yàn)、組裝等工藝卡片，形成動(dòng)車組部件BOM，如圖3 所示。

3.3 工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、參數(shù)化、結(jié)構(gòu)化

除工藝性質(zhì)、檢修方式和適用范圍等基本信息外，工藝卡片更重要的內(nèi)容是工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括工步、方法、工具、物料、記錄和檢測(cè)等要素。實(shí)現(xiàn)工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化、參數(shù)化、結(jié)構(gòu)化，便于MES 識(shí)別、復(fù)用，以滿足各類管理需求。預(yù)設(shè)常用的抽檢方式、檢測(cè)參數(shù)等字典庫(kù)，工具、必?fù)Q件等資源信息可從統(tǒng)一開發(fā)的資源庫(kù)內(nèi)選取，確保數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一；設(shè)置扭矩、尺寸、電阻、壓強(qiáng)、溫度等數(shù)值類型，對(duì)工藝方法、取值范圍等要素實(shí)施參數(shù)化管理，實(shí)現(xiàn)工藝快速編制、數(shù)值自動(dòng)校驗(yàn)；按照預(yù)定義的數(shù)據(jù)模型、嚴(yán)格一致的順序和明確的數(shù)據(jù)類型，對(duì)工藝進(jìn)行結(jié)構(gòu)化配置，利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行表示和存儲(chǔ)，形成可識(shí)別的結(jié)構(gòu)化工藝。對(duì)于結(jié)構(gòu)化的工藝卡片，建立工藝文檔庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)一歸檔、瀏覽、編輯、簽審、下發(fā)等管理。

3.4 高級(jí)修工藝BOM 模型構(gòu)建

動(dòng)車組高級(jí)修涉及部件繁多，工藝內(nèi)容復(fù)雜，以CRH380B 型動(dòng)車組三級(jí)修架車修為例，包含接車預(yù)檢、架車、車體檢修、轉(zhuǎn)向架檢修、落車、稱重、靜態(tài)調(diào)試、動(dòng)態(tài)調(diào)試、驗(yàn)收交車等一級(jí)工序，在各一級(jí)工序下還有多個(gè)二級(jí)、三級(jí)工序，可利用樹形 結(jié)構(gòu)展示，如圖4 所示。

圖4 動(dòng)車組高級(jí)修工藝樹形結(jié)構(gòu)模型

（1）通過(guò)選擇動(dòng)車組車型、規(guī)程、檢修方式等基礎(chǔ)信息創(chuàng)建工藝BOM 框架；

（2）在工藝BOM 框架內(nèi)通過(guò)添加一級(jí)工序或添加子工序呈現(xiàn)工序的層級(jí)結(jié)構(gòu)?；诟鞴?jié)點(diǎn)工序所對(duì)應(yīng)的工藝性質(zhì)和部件清單，建立工藝BOM 與部件BOM 的映射關(guān)系，如圖5 所示；

圖5 工藝BOM 與部件BOM 映射關(guān)系

（3）在工序節(jié)點(diǎn)的詳情界面選擇維護(hù)工藝包，基于部件和工藝性質(zhì)兩個(gè)維度實(shí)現(xiàn)工序和工藝卡片的綁定，為后續(xù)工單執(zhí)行和工藝數(shù)據(jù)推送建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，并形成動(dòng)車組高級(jí)修工藝BOM，如圖6 所示。各工序所需要時(shí)間、人員、工具、物料等資源需求可由工序下的工藝卡片數(shù)據(jù)匯總得到，提供給ERP、MES 等系統(tǒng)使用。

圖6 動(dòng)車組高級(jí)修工藝BOM

3.5 工藝BOM 與工藝流程的映射方法

高級(jí)修工藝流程也稱工藝路線，它描述了動(dòng)車組高級(jí)修的工序順序，由于樹形結(jié)構(gòu)和工藝BOM 的局限性，無(wú)法直觀展示工序的串并行關(guān)系，通常采取工藝流程圖的展示方式。工藝流程圖以圖表符號(hào)的形式表達(dá)產(chǎn)品在工藝過(guò)程中的部分或全部階段所完成的工作，由一系列的工藝流程節(jié)點(diǎn)按照特定的串并行關(guān)系組合而成，某個(gè)工藝流程節(jié)點(diǎn)可由與其子工藝流程構(gòu)成，即工藝流程之間存在組成和層次關(guān)系。高級(jí)修工藝流程示意如圖7 所示。

圖7 動(dòng)車組高級(jí)修高級(jí)修工藝流程示意

3.5.1 工藝流程節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

工藝流程節(jié)點(diǎn)作為基本組成單元，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為

式（1）中，Name為工藝流程節(jié)點(diǎn)名稱；Level為工藝流程節(jié)點(diǎn)所在層級(jí)；SerID為工藝流程節(jié)點(diǎn)的串行序號(hào)；ParID為工藝流程節(jié)點(diǎn)的并行序號(hào)；Pre-Node為前置工藝流程節(jié)點(diǎn)；Par-Node為父級(jí)工藝流程節(jié)點(diǎn)。

由圖7 可知，8 車轉(zhuǎn)向架檢修工藝流程中的8 車構(gòu)架檢修處于高級(jí)修工藝流程的第3 級(jí)，在本級(jí)工藝流程中與零部件檢修并行組成第3 道工序，串行序號(hào)為3，并行序號(hào)為1，其前置工藝流程節(jié)點(diǎn)為轉(zhuǎn)向架清洗，父級(jí)工藝流程節(jié)點(diǎn)為8 車轉(zhuǎn)向架檢修，故其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為

3.5.2 工序節(jié)點(diǎn)與工藝流程節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換

在工藝BOM 向工藝流程映射的過(guò)程中，重點(diǎn)在于解析工藝BOM 中工序節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并對(duì)比工序節(jié)點(diǎn)與工藝流程節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)差異，通過(guò)添加前置工序的功能，補(bǔ)全工序節(jié)點(diǎn)的串并行信息，實(shí)現(xiàn)工序節(jié)點(diǎn)向工藝流程節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換，并最終生成高級(jí)修工藝流程。

基于圖4 的工藝樹形結(jié)構(gòu)和圖6 的工藝BOM，可以得到工序節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為

式（3）中，Name為工序節(jié)點(diǎn)名稱；Level為工序節(jié)點(diǎn)所在層級(jí)；Par-Np為父級(jí)工序節(jié)點(diǎn)；OrdID為同一層級(jí)下工序節(jié)點(diǎn)的順序號(hào)。

對(duì)比兩者數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)工藝流程節(jié)點(diǎn)與工序節(jié)點(diǎn)的名稱、所在層級(jí)、父級(jí)節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，差異項(xiàng)為工藝流程節(jié)點(diǎn)包含串并行序號(hào)、前置節(jié)點(diǎn)，工序節(jié)點(diǎn)僅包含同一層級(jí)下的順序號(hào)。由于OrdID與SerID、ParID、Pre-Node缺少直接關(guān)聯(lián)關(guān)系，在工藝BOM 界面增加前置工序功能，允許同一父節(jié)點(diǎn)下的子節(jié)點(diǎn)之間相互綁定，前置工序的先后順序形成串行關(guān)系，前置工序相同的工序節(jié)點(diǎn)形成并行關(guān)系。

綁定前置工序后的工序節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更新為

式（4）中，Pre-Np為前置工序節(jié)點(diǎn)。

借助各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)信息和gantt.js 等甘特圖插件，實(shí)現(xiàn)了工藝BOM 向工藝流程的映射，自動(dòng)生成高級(jí)修工藝流程圖和甘特圖如圖8 和圖9 所示。

圖8 動(dòng)車組高級(jí)修工藝數(shù)字化管理系統(tǒng)生成的工藝流程

圖9 動(dòng)車組高級(jí)修工藝數(shù)字化管理系統(tǒng)生成的甘特圖

4 應(yīng)用場(chǎng)景

基于系統(tǒng)總體框架和關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建動(dòng)車組高級(jí)修工藝數(shù)字化管理系統(tǒng)，以中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海動(dòng)車段轉(zhuǎn)向架車間為具體應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)CRH380B 平臺(tái)動(dòng)車組三、四級(jí)修基礎(chǔ)工藝實(shí)施數(shù)字化管理。建立4 份部件BOM 和4 份工藝BOM，編制基礎(chǔ)工藝卡片556 份，通過(guò)部件BOM、工藝BOM與基礎(chǔ)工藝卡片的綁定，實(shí)現(xiàn)兩者之間的映射；有效發(fā)揮工藝指導(dǎo)生產(chǎn)的作用，向9 個(gè)工區(qū)35 個(gè)工位的MES 終端設(shè)備推送基礎(chǔ)工藝數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)工步引導(dǎo)、數(shù)據(jù)檢測(cè)、質(zhì)量卡控等功能，滿足了數(shù)字化生產(chǎn)的需要。

5 結(jié)束語(yǔ)

動(dòng)車組高級(jí)修工藝數(shù)字化管理系統(tǒng)利用高級(jí)修部件BOM 能夠統(tǒng)一工藝編制規(guī)范，優(yōu)化工藝編制流程，層次結(jié)構(gòu)清晰，便于同類部件之間校核比對(duì)；對(duì)基礎(chǔ)工藝數(shù)據(jù)實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化、參數(shù)化、結(jié)構(gòu)化管理，可向MES 直接提供準(zhǔn)確規(guī)范數(shù)據(jù)，發(fā)揮了工藝指導(dǎo)生產(chǎn)的引導(dǎo)作用，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化生產(chǎn)和保障檢修質(zhì)量打下良好基礎(chǔ)；構(gòu)建高級(jí)修工藝BOM 并實(shí)現(xiàn)向工藝流程的映射，補(bǔ)全了高級(jí)修工序順序信息，有利于快速管理、查看工藝信息，同時(shí)基于工藝流程可為下一步數(shù)字化生產(chǎn)的計(jì)劃編制、任務(wù)分派等功能提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。