□ 朱志民 □ 陶振偉 □ 魯繼楠

中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 南京210031

1 問題的提出

隨著車間智能化程度的不斷提高，目前已廣泛應(yīng)用各類傳感器、PLC（可編程序控制器）和其它智能感知設(shè)備來采集大量的制造數(shù)據(jù)，而在大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的“關(guān)聯(lián)+預(yù)測(cè)+調(diào)控”也為車間運(yùn)行分析與決策提供了新模式［1］。中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司（簡(jiǎn)稱浦鎮(zhèn)公司）在建設(shè)精益流水線的基礎(chǔ)上，朝著打造數(shù)字化車間的方向展開工作，數(shù)字孿生車間（DTW）作為一種未來車間運(yùn)行的新模式，值得進(jìn)一步思考和探索。

2 車間介紹

浦鎮(zhèn)公司轉(zhuǎn)向架車間主要從事城軌、城際、動(dòng)車組的焊接轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)制造。車間現(xiàn)有14跨廠房，占地面積約40 000 m2，員工近400人，配置有10個(gè)工區(qū)、5條焊接及組裝流水線，具有單班年產(chǎn)4 000個(gè)構(gòu)架、配套2 000輛份轉(zhuǎn)向架的制造能力。

轉(zhuǎn)向架是軌道交通車輛結(jié)構(gòu)中最為重要的組成部分之一，其制造技術(shù)也是車輛的關(guān)鍵技術(shù)之一。轉(zhuǎn)向架承載車體，起到列車運(yùn)營(yíng)、過曲線、增加舒適性等重要功能，轉(zhuǎn)向架如圖1所示。

3 流水線主要存在的問題

精益生產(chǎn)是以客戶需求為動(dòng)力，不斷降低生產(chǎn)成本，做到零廢品、零庫(kù)存和產(chǎn)品品種多樣化的一種生產(chǎn)方式［2］。浦鎮(zhèn)公司從2008年開始推行精益生產(chǎn)，一直致力于依托流水線的節(jié)拍建設(shè)，減少浪費(fèi)，提高效率，以適應(yīng)產(chǎn)品制造平臺(tái)的變化和升級(jí)。轉(zhuǎn)向架車間在2017年10月被評(píng)為中國(guó)中車二級(jí)精益車間，但是從數(shù)字化車間的層面來看，流水線仍然存在以下問題。

（1）表單管理差錯(cuò)多。車間把每條流水線切分為若干個(gè)工位，給每個(gè)工位設(shè)置基本平均的作業(yè)節(jié)拍。車間的各項(xiàng)管理以工位為基礎(chǔ)而展開，公司職能部門為工位的“人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)”六要素的管控設(shè)計(jì)了15張固定的紙質(zhì)表單，提供給工位長(zhǎng)，以開展日常的管理工作。在實(shí)際工作中，往往出現(xiàn)表單早填、不填或錯(cuò)填，出現(xiàn)表單與實(shí)際情況不符的現(xiàn)象。

▲圖1 轉(zhuǎn)向架示意圖

（2）物料配送異常多。在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)異常情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)可知，屬于物料配送方面的異常占了一半以上，這些異常主要表現(xiàn)形式為：工位的物料包內(nèi)物料配送不準(zhǔn)確，配送節(jié)拍和準(zhǔn)時(shí)性差，大件物料現(xiàn)場(chǎng)拆箱，物料轉(zhuǎn)運(yùn)工裝不足，物料交接不規(guī)范，叉車和天車充當(dāng)長(zhǎng)距離運(yùn)輸工具等，其中影響最大的是物料配送不準(zhǔn)確，往往造成工人在現(xiàn)場(chǎng)因?yàn)槿鄙傥锪隙鵁o(wú)法作業(yè)。如某周，物料異常達(dá)到63條，占了75.9%，某周現(xiàn)場(chǎng)異常統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 某周現(xiàn)場(chǎng)異常統(tǒng)計(jì)

（3）工藝文件指導(dǎo)作用有待提升。公司在對(duì)工藝文件的符合性、有效性和一致性進(jìn)行梳理時(shí)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)文件多而全，但是有指導(dǎo)作用不強(qiáng)的情況，特別是現(xiàn)場(chǎng)工位六要素發(fā)生變化時(shí)，對(duì)于變更的管理不夠完善，對(duì)工位的工序推移圖不能及時(shí)更新。同時(shí)，工藝文件沒有總結(jié)出作業(yè)口訣及對(duì)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)進(jìn)行視頻作業(yè)指導(dǎo)，這些都是工位文件的改善方向。

（4）異常處理影響生產(chǎn)線節(jié)拍。建立生產(chǎn)線異常處理系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)反映各個(gè)工位的生產(chǎn)狀態(tài)，當(dāng)某個(gè)工位出現(xiàn)異常時(shí)，能夠得到及時(shí)響應(yīng)［3］，但是由于工位多，異常問題的出現(xiàn)還是比較頻繁。生產(chǎn)線發(fā)生的異常主要體現(xiàn)在物料異常和技術(shù)異常，物料異常涉及到供應(yīng)商對(duì)物料進(jìn)行整改，技術(shù)異常涉及到設(shè)計(jì)、工藝的評(píng)估。如果異常處置時(shí)間超過4 h，必然會(huì)引起流水線節(jié)拍中斷。

（5）生產(chǎn)節(jié)拍不平衡有待優(yōu)化。在流水線建設(shè)中，為了設(shè)計(jì)合理的生產(chǎn)節(jié)拍，消除生產(chǎn)瓶頸，對(duì)產(chǎn)品的所有生產(chǎn)工序進(jìn)行寫實(shí)，并形成生產(chǎn)節(jié)拍。但是在實(shí)際作業(yè)過程中，仍然會(huì)因?yàn)椴季植缓侠?、轉(zhuǎn)運(yùn)較多、員工等待時(shí)間較長(zhǎng)等原因，在個(gè)別工位形成瓶頸，帶來流水線不平衡的狀況。因而消除瓶頸工序和作業(yè)過程中不必要的浪費(fèi)，進(jìn)而提高生產(chǎn)線生產(chǎn)能力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)拍的優(yōu)化和流水線的平衡［4］，是車間管理的重點(diǎn)之一。

4 信息化管理系統(tǒng)介紹

數(shù)字化車間是應(yīng)用各種設(shè)備監(jiān)控技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，強(qiáng)化服務(wù)與信息管理，更加全面、深入、準(zhǔn)確地了解與掌握產(chǎn)銷流程，提升整個(gè)生產(chǎn)過程的高效化與可控性［5］。而公司在產(chǎn)品的全壽命周期內(nèi)，雖然開發(fā)了若干個(gè)信息化管理系統(tǒng)，但由于這些系統(tǒng)之間沒有完全實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)共享，從而造成相互之間缺乏聯(lián)動(dòng)。與車間流水線相關(guān)的主要是以下四類系統(tǒng)。

（1）文件管理系統(tǒng)。文件管理系統(tǒng)主要有辦公自動(dòng)化（OA）系統(tǒng)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）系統(tǒng)、技術(shù)通知系統(tǒng)、質(zhì)量管理信息系統(tǒng)（QMIS）等。OA系統(tǒng)是公司級(jí)的各類文件、業(yè)務(wù)聯(lián)系書傳遞系統(tǒng)；PDM系統(tǒng)是設(shè)計(jì)部門進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)及設(shè)計(jì)的文件系統(tǒng)；技術(shù)通知系統(tǒng)是工藝部門管理技術(shù)通知的系統(tǒng)；QMIS是質(zhì)量管理部門進(jìn)行不合格品（NCR）報(bào)告管理、質(zhì)量過程管控的系統(tǒng)。這些文件管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)還沒有實(shí)現(xiàn)完全互通。

（2）企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）系統(tǒng)。ERP在車間主要用來進(jìn)行物料、工時(shí)、工資、報(bào)銷的管理。工藝部門把設(shè)計(jì)要素輸入進(jìn)行轉(zhuǎn)化，輸出的工藝物料清單（BOM）和工藝工時(shí)定額，錄入ERP系統(tǒng)，作為ERP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源。物流根據(jù)ERP系統(tǒng)的BOM進(jìn)行發(fā)料，車間根據(jù)ERP系統(tǒng)的工位工藝文件進(jìn)行作業(yè)并報(bào)工時(shí)。這個(gè)系統(tǒng)在自上而下的應(yīng)用實(shí)施過程中，遇到問題可以進(jìn)行修正和變更，但是變更的數(shù)據(jù)不會(huì)自動(dòng)由下而上進(jìn)行反饋，難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的聯(lián)動(dòng)。

（3）人力資源管理（HCM）系統(tǒng)。HCM系統(tǒng)主要用來進(jìn)行人力資源的管理。由于ERP系統(tǒng)中不能定義作業(yè)人員，特別是對(duì)于作業(yè)人員的能力、數(shù)量和調(diào)配，只能由員工所在的部門或車間，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行錄入和管理。這個(gè)系統(tǒng)在應(yīng)用過程中，側(cè)重于人力資源的基本信息管理，而余缺人力資源又要依靠其它的管理平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)。

（4）生產(chǎn)管理網(wǎng)。生產(chǎn)網(wǎng)是公司內(nèi)部開發(fā)并應(yīng)用于流水線管理的平臺(tái)，理論上可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃的下達(dá)、現(xiàn)場(chǎng)的工位管理、異常的拉動(dòng)、完工工時(shí)的申報(bào)等功能，但實(shí)際生產(chǎn)任務(wù)的下達(dá)是生產(chǎn)部門依靠生產(chǎn)通知的形式由OA系統(tǒng)下達(dá)，而車間的三日計(jì)劃則是車間生產(chǎn)人員自行使用Excel進(jìn)行編制?，F(xiàn)場(chǎng)的工位管理板、15張表單是紙質(zhì)的，沒有實(shí)現(xiàn)電子版的目視化，從而導(dǎo)致異常拉動(dòng)成了生產(chǎn)網(wǎng)的主要形式。在發(fā)生異常后，根據(jù)異常的處置時(shí)間，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定，分級(jí)把異常信息發(fā)送給責(zé)任單位的職能人員、部門領(lǐng)導(dǎo)、公司領(lǐng)導(dǎo)，整個(gè)系統(tǒng)依賴于人員的操作，自動(dòng)化程度有限。

5 數(shù)字孿生車間建設(shè)的探討

5.1 相關(guān)概念介紹

數(shù)字孿生（DT）概念的產(chǎn)生和應(yīng)用是基于模型定義（MBD）技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，使數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)邁向了一個(gè)新的臺(tái)階，是實(shí)現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)［6］。隨著研究的深入，數(shù)字孿生技術(shù)逐步應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中。基于產(chǎn)品數(shù)字孿生模型的構(gòu)型管理方法，可以進(jìn)行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，從而改進(jìn)產(chǎn)品研制流程，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量［7］。

DTW是在新一代信息技術(shù)和制造技術(shù)驅(qū)動(dòng)下，通過物理車間與虛擬車間的雙向真實(shí)映射與實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)物理車間、虛擬車間，以及車間服務(wù)系統(tǒng)的全要素、全流程、全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的集成和融合，在車間孿生數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)要素管理、生產(chǎn)活動(dòng)計(jì)劃、生產(chǎn)過程控制等在物理車間和虛擬車間，以及車間服務(wù)系統(tǒng)間的迭代運(yùn)行，從而在滿足特定目標(biāo)和約束的前提下，達(dá)到車間生產(chǎn)和管控最優(yōu)的一種車間運(yùn)行新模式［8］。如果從通俗化的語(yǔ)言去理解，數(shù)字孿生車間，其實(shí)就是現(xiàn)實(shí)車間各個(gè)要素的數(shù)字化體現(xiàn)，也就是現(xiàn)實(shí)車間在虛擬系統(tǒng)一個(gè)映射而已，數(shù)字孿生車間示意如圖2所示。西門子公司就曾經(jīng)提出了 “數(shù)字化雙胞胎”的概念，致力于幫助制造企業(yè)在信息空間構(gòu)建整合制造流程的生產(chǎn)系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)物理空間從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造執(zhí)行的全過程數(shù)字化［9］。

▲圖2 數(shù)字孿生車間示意圖

5.2 數(shù)字孿生車間的應(yīng)用

如果建立了數(shù)字化孿生車間，則是在虛擬空間對(duì)車間生產(chǎn)組織及管理進(jìn)行仿真。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟和應(yīng)用，通過智能儀表、條形碼等，實(shí)現(xiàn)了刀具、物料、在制品等生產(chǎn)要素?cái)?shù)據(jù)的自動(dòng)采集，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的在線錄入，也實(shí)現(xiàn)了信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)與生產(chǎn)要素實(shí)時(shí)有關(guān)數(shù)據(jù)的同步［10］。而這些生產(chǎn)要素的數(shù)據(jù)流自動(dòng)在DTW系統(tǒng)呈現(xiàn)，對(duì)數(shù)據(jù)的唯一性、及時(shí)性和自動(dòng)化管控都創(chuàng)造了條件。

當(dāng)設(shè)計(jì)部門在PDM系統(tǒng)完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生成圖樣并輸入到ERP系統(tǒng)時(shí)，ERP系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)定的流水線參數(shù)，如產(chǎn)品平臺(tái)、節(jié)拍、臺(tái)位等，自動(dòng)生成一系列的數(shù)據(jù)，從而開始模擬。

（1）開工前的仿真。如果有了DTW，就可以在數(shù)字化平臺(tái)上進(jìn)行仿真，操作過程的仿真如圖3所示。仿真的內(nèi)容可以包含物料的配送路線、現(xiàn)場(chǎng)定置、人機(jī)操作平臺(tái)的配合、操作過程的仿真、物料的齊套性、工位的山積圖和推移圖等。將這些仿真的結(jié)果反饋給技術(shù)部門，可以幫助技術(shù)部門審核圖樣、文件，以減少在實(shí)物試制過程中帶來的問題和物料報(bào)廢。

▲圖3 操作過程的仿真示意圖

（2）過程中的大數(shù)據(jù)分析。在產(chǎn)品實(shí)物生產(chǎn)過程中，DTW可以同步運(yùn)行，對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行搜集、整理和分析。如自動(dòng)比對(duì)工位的開工、完工時(shí)間，以便提示進(jìn)行工位節(jié)拍的優(yōu)化；如自動(dòng)將工位上的物料編碼，與系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定的物料進(jìn)行比對(duì)，并實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)消耗材料；如對(duì)特殊過程的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線分析，一旦超過設(shè)定的參數(shù)范圍，則出現(xiàn)黃色、紅色報(bào)警，自動(dòng)啟動(dòng)異常拉動(dòng)流程，從而避免了人為因素對(duì)制造過程的干擾，穩(wěn)定了生產(chǎn)節(jié)拍，也避免了由于操作技能上的差異而帶來的產(chǎn)品質(zhì)量的波動(dòng)，如圖4所示。

▲圖4 過程監(jiān)控的數(shù)據(jù)演示示意圖

（3）完工后的檢測(cè)數(shù)據(jù)整理。在制造過程結(jié)束后，自動(dòng)啟動(dòng)掃描檢測(cè)，并與設(shè)定的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，形成檢測(cè)報(bào)告，并把多個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，歸入產(chǎn)品質(zhì)量履歷書。如果出現(xiàn)不符合項(xiàng)，則自動(dòng)生成NCR報(bào)告，進(jìn)入NCR處理流程。當(dāng)NCR處理完畢、產(chǎn)品交驗(yàn)合格后，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)完工，對(duì)工位進(jìn)行工時(shí)分配結(jié)算。同時(shí)，在項(xiàng)目計(jì)劃的電子看板上能夠顯示產(chǎn)品的制造狀態(tài)，不需要人為去進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

5.3 相關(guān)工作思考

數(shù)字孿生車間技術(shù)，還有許多關(guān)鍵技術(shù)需要去研究，但是，對(duì)于一個(gè)企業(yè)來說，DTW是企業(yè)數(shù)字化建設(shè)的有效手段之一。在打造DTW的過程中，公司要有一個(gè)系統(tǒng)化的數(shù)字化管理平臺(tái)，打通并融合各個(gè)信息化系統(tǒng)，才能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的模擬、管控和反饋。

為實(shí)現(xiàn)制造過程的物理世界與信息世界的互聯(lián)互通，即使在公司平臺(tái)沒有完全具備條件的時(shí)候，車間管理也應(yīng)該朝著這個(gè)方向去努力，至少做到“兩個(gè)堅(jiān)持”：一是堅(jiān)持工位制管理，依靠現(xiàn)場(chǎng)的表單，堅(jiān)持對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理“六要素”等管理數(shù)據(jù)進(jìn)行真實(shí)、可靠記錄和反饋，定期對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并提出改善提案，不斷夯實(shí)固化各項(xiàng)管理要素；二是堅(jiān)持信息化手段，在保證追溯性的基礎(chǔ)上，要盡可能使用信息化的手段，避免現(xiàn)場(chǎng)紙質(zhì)文件堆積如山、異常拉動(dòng)靠人跑腿、質(zhì)量過程由人緊盯、生產(chǎn)寫實(shí)數(shù)據(jù)由人采集的情況，強(qiáng)調(diào)實(shí)物流和數(shù)據(jù)流的一致性，避免出現(xiàn)人為的干擾和偏差。

浦鎮(zhèn)公司對(duì)車間精益管理提出了“三能三化”的要求，即“能說 、能做、能創(chuàng)新；理論化、模型化、數(shù)字化”。車間管理者，要具備站在公司的層面思考問題的能力，要能把復(fù)雜的事情簡(jiǎn)單化、簡(jiǎn)單的事情流程化、流程的事情標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)的事情表單化、表單的事情數(shù)字化。只要把這些基礎(chǔ)性的工作做好，然后在此基礎(chǔ)上開展系統(tǒng)性的思考和創(chuàng)新，就一定能夠體現(xiàn)出精益管理的效果。

6 結(jié)論

基于“工業(yè)4.0”的精益數(shù)字化車間打造，既是實(shí)現(xiàn)“中國(guó)制造2025”的大環(huán)境要求，也是為了完成公司大批量生產(chǎn)訂單的內(nèi)部需求。在打造數(shù)字化車間的過程中，數(shù)字孿生車間是一個(gè)非常好的工具和平臺(tái)，能夠把與車間相關(guān)的業(yè)務(wù)，在孤島式的信息系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，對(duì)生產(chǎn)制造的全過程進(jìn)行仿真、監(jiān)控和反饋，幫助實(shí)現(xiàn)車間精益管理提升。但是數(shù)字孿生車間是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要車間立足數(shù)據(jù)源的準(zhǔn)確性，通過“兩個(gè)堅(jiān)持”來踐行“三能三化”，才能切實(shí)提高車間管理水平，為數(shù)字化車間的打造創(chuàng)造條件。