覃仕輝，熊宏志，朱紫晨

（1.常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，湖南常德 415000；2.首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076）

0 引言

在供給側(cè)，我國制造業(yè)人均增加值大約只有美國和日本的1/20，制造業(yè)附加值率只有美國和日本的1/2，78%的機(jī)械制造企業(yè)服務(wù)收入占總營業(yè)收入比重不足10%，因此還有很大的提升空間[1]。機(jī)械制造企業(yè)的改革方向是將制造業(yè)“微笑曲線”整體抬升，重視面向客戶的研發(fā)設(shè)計和產(chǎn)品服務(wù)等要素投入，實現(xiàn)向高附加值兩端延展。當(dāng)前裝備的復(fù)雜度不斷提高，裝備的使用壽命越來越長，迫切需要采用專門的維護(hù)技術(shù)以提高運行維護(hù)效率和降低生命周期成本。裝備缺乏全生命周期管理及維護(hù)信息不足一直是當(dāng)前企業(yè)面臨的重要困難之一。隨著MBE（MBEModel Based Enterprise，基于模型的企業(yè)）在各類機(jī)械制造企業(yè)的實踐和實施，未來基于模型的技術(shù)必然會應(yīng)用到裝備全生命周期的維護(hù)階段。在裝備設(shè)計過程中創(chuàng)建的模型和模擬仿真結(jié)果可以直接在整個裝備生命周期的維護(hù)保障階段使用，給下游用戶和維護(hù)支持人員不斷傳遞3D 模型和相關(guān)數(shù)據(jù)，裝備各價值鏈成員將使用真實世界的效果和維護(hù)、維修、故障數(shù)據(jù)來評估裝備的健康水平和使用效能，反饋給裝備制造企業(yè)應(yīng)用于設(shè)計改進(jìn)。

利用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)，在分析當(dāng)前維護(hù)服務(wù)信息現(xiàn)狀及問題的基礎(chǔ)上，有針對性地給出一個基于研發(fā)模型構(gòu)造維護(hù)服務(wù)信息包的應(yīng)用框架，支撐裝備制造業(yè)的服務(wù)化轉(zhuǎn)型和技術(shù)創(chuàng)新。

1 問題概述及發(fā)展趨勢

現(xiàn)代裝備呈現(xiàn)機(jī)電液一體化特性，智能化程度、生產(chǎn)速度、自動化水平越來越高，成為關(guān)鍵機(jī)臺或瓶頸工序，因此復(fù)雜度、在生產(chǎn)制造中的重要度、對售后服務(wù)的需求度也越來越高。而當(dāng)前在維修服務(wù)中還存在如下關(guān)鍵問題[2]：

（1）設(shè)備相關(guān)的圖紙、圖片資料以及技術(shù)參數(shù)、手冊等資料繁雜、分散，不易快速查閱，影響工作效率。

（2）各種信息相對獨立，無有效關(guān)聯(lián)，在設(shè)備技術(shù)管理中形成信息孤島。

（3）備件使用管理品種繁多，無直觀有效的分類手段，造成錯放、錯領(lǐng)。

（4）為提高生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)對設(shè)備進(jìn)行改造，但對個性化技術(shù)及資料的管理存在欠缺。

（5）設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，新員工維修、拆裝機(jī)會較少，實際經(jīng)驗不足，缺乏相應(yīng)技術(shù)手段支撐，尤其對深度維修缺少技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)。

（6）設(shè)備維護(hù)、保養(yǎng)、更換所需參考資料不全，對設(shè)備技術(shù)進(jìn)行深度了解、掌握和分析，需有完整的電子技術(shù)文檔。

（7）老師傅技術(shù)難以留存企業(yè)，新技工培養(yǎng)沒有自學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)庫平臺。

（8）無有效手段跟蹤備件的運行周期，普遍采用故障后維修，缺乏預(yù)見性，影響生產(chǎn)；同時也給備件備品管理和采購帶來難度。

（9）設(shè)備全生命周期管理缺乏統(tǒng)一的技術(shù)手段和平臺。

從信息共享的技術(shù)手段分析，國內(nèi)絕大多數(shù)機(jī)械制造企業(yè)仍采用紙質(zhì)手冊，電子版手冊是選項或另行收費。由于大型機(jī)械裝備基本上按訂單組織生產(chǎn)，因此紙質(zhì)文檔中普遍存在信息不精確、針對性不強(qiáng)或版本老舊問題。圖1 為產(chǎn)品維護(hù)服務(wù)信息包的發(fā)展演變趨勢。最早采用較為精準(zhǔn)的紙質(zhì)技術(shù)資料隨裝備一同發(fā)售，紙質(zhì)文檔存在的主要問題是信息不能檢索、文檔不能共享、查閱不便，以及資料不能及時更新等弊端；隨后采用電子技術(shù)文檔，如廣泛采用的PDF 文件格式的技術(shù)資料包。此時文檔的共享問題能夠很好解決，但仍然存在信息不便檢索、相對獨立，無有效關(guān)聯(lián)的問題。采用IETM（Interactive Electronic Technical Manual，交互式電子技術(shù)手冊），能很好地解決技術(shù)手冊的查詢、關(guān)聯(lián)問題，協(xié)助故障的快速修復(fù)，但存在信息封閉，表現(xiàn)形式單一，且不能根據(jù)裝備的使用壽命或故障特征而擴(kuò)展。由于人工成本不斷上升，當(dāng)前裝備的使用壽命遠(yuǎn)大于操作人員的在崗時間，大型裝備急需一個能夠支撐設(shè)備全生命周期的、不斷學(xué)習(xí)的、與裝備的研發(fā)與制造過程相合的、支持人員的培訓(xùn)、學(xué)習(xí)與維護(hù)等全業(yè)務(wù)需要的技術(shù)服務(wù)平臺。而最新的技術(shù)發(fā)展趨是利用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)，實現(xiàn)技術(shù)服務(wù)平臺與裝備制造企業(yè)、裝備使用企業(yè)在線鏈接與信息共享。綜上所述，在裝備產(chǎn)品供應(yīng)商向服務(wù)供應(yīng)商轉(zhuǎn)型的過程中，產(chǎn)品維護(hù)信息的發(fā)展趨為標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、集成化與網(wǎng)絡(luò)化。

2 基于設(shè)計模型的維護(hù)信息生成框架

2.1 采用設(shè)計模型的必要性

一般來說，維護(hù)服務(wù)信息包是在裝備產(chǎn)品下線并交付用戶使用前的環(huán)節(jié)中生成，由營銷或客戶服務(wù)部門基于產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)信息整理而成。但本文主張采用裝備的設(shè)計模型來生成，主要理由有以下4 點。

圖1 產(chǎn)品維護(hù)服務(wù)信息的發(fā)展演變過程

（1）MBS（MBS-Model Based Sustainment，基于模型的維護(hù)）是MBE 企業(yè)的必要組成部分。機(jī)械制造企業(yè)工業(yè)4.0 的核心是模型數(shù)據(jù)創(chuàng)建一次并能被后續(xù)各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)直接使用。模型作為配置的基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上開展基于模型的系統(tǒng)工程，包括基于模型的維護(hù)[3]。

（2）保證服務(wù)信息的精準(zhǔn)，并按訂單組織生產(chǎn)或與ETO（ETO-Engineering To Order，按訂單設(shè)計）模式對應(yīng)。ETO 模式要求設(shè)計與生產(chǎn)制造幾乎同步開展、逐步分解，且邊設(shè)計邊生產(chǎn)，設(shè)計變更的情況時有發(fā)生。因此，設(shè)計模型代表了裝備產(chǎn)品最為精確的信息。

（3）反向促進(jìn)設(shè)計模型的全面、精準(zhǔn)?；仡櫨S護(hù)服務(wù)信息包發(fā)展歷程可知，早期信息不能共享和精準(zhǔn)發(fā)布的原因，除了客觀上受信息技術(shù)發(fā)展水平所限，主觀上存在企業(yè)設(shè)計數(shù)據(jù)管理混亂、三維化率低、設(shè)計精準(zhǔn)性差等因素。因此，由設(shè)計模型生成維護(hù)服務(wù)信息包的過程，可以作為檢驗設(shè)計數(shù)據(jù)完整性與精準(zhǔn)性的一個標(biāo)尺。

（4）實現(xiàn)模型信息的閉環(huán)應(yīng)用，促進(jìn)設(shè)計水平的提升。MBS的應(yīng)用目標(biāo)是在向客戶服務(wù)過程中，收集客戶對產(chǎn)品的反饋信息，從而改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計、迭代升級的過程。

2.2 系統(tǒng)框架

基于設(shè)計模型的維護(hù)服務(wù)信息包框架如圖2 所示。產(chǎn)品設(shè)計CAD 工具（包括機(jī)械設(shè)計工具和電氣設(shè)計工具）生成的設(shè)計數(shù)據(jù)在企業(yè)的PDM 系統(tǒng)中管理，其中最為重要的設(shè)計數(shù)據(jù)是設(shè)計模型。采用模型輕量化技術(shù)（包括輕量化、脫敏處理），形成輕量化模型庫?；谶@些模型，根據(jù)維護(hù)服務(wù)信息的需要，采用相應(yīng)的制作工具，包括圖冊生成工具、手冊生成工具、動畫制作工具、運維策略編輯工具、交互式圖文工具，采用配置的方法生成與裝備完全一致的數(shù)字孿生體。這些數(shù)據(jù)孿生信息通過互聯(lián)網(wǎng)+手段發(fā)布到信息管理云平臺，支撐裝備使用企業(yè)通過多種形式訪問這些信息，提高裝備的維護(hù)效率。

圖2 基于設(shè)計模型的維護(hù)信息生成框架

3 維護(hù)服務(wù)信息包的構(gòu)成

基于裝備設(shè)計模型的數(shù)字化維修服務(wù)信息包，包括以下核心內(nèi)容：

3.1 提供精準(zhǔn)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及清單

當(dāng)前裝備的復(fù)雜性與客戶對裝備的掌握形成一個緊迫的矛盾，也是影響裝備效能發(fā)揮的重要因素?；谘b備的設(shè)計模型，提供裝備的機(jī)械結(jié)構(gòu)，包括部位、部套、零件的結(jié)構(gòu)關(guān)系、數(shù)量關(guān)系、關(guān)鍵屬性，如圖號、材質(zhì)、更換周期等核心信息。服務(wù)信息管理平臺采用“一機(jī)一檔”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)管理，支持單個裝備的結(jié)構(gòu)改造、升級和運行信息的統(tǒng)一管理。圖3 為裝備的設(shè)計結(jié)構(gòu)與發(fā)布的信息對比，展示的維護(hù)模型提供精準(zhǔn)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及零件清單。

圖3 維護(hù)模型提供了精準(zhǔn)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及零件清單

3.2 提供交互式電子技術(shù)手冊

基于裝備設(shè)計模型的數(shù)字化維修服務(wù)信息包，提供結(jié)構(gòu)化交互式電子圖文（IETM）的創(chuàng)建、管理與瀏覽，并支持與模型的交互。裝備制造企業(yè)利用輕量化模型與創(chuàng)建的技術(shù)手冊進(jìn)行關(guān)聯(lián)，在模型更新時自動更新所關(guān)聯(lián)的手冊，這一點對ETO 模式的大型裝備非常有用。同時，可以定義模型的展示方式，包括裝備組織、爆炸圖、仿真動畫、熱點管理等。系統(tǒng)支持結(jié)構(gòu)化手冊按結(jié)構(gòu)輸出、審批和導(dǎo)出管理（如導(dǎo)出成PDF 格式以便打印需要）。圖4 為設(shè)計模型與交互式圖文的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并顯示在圖文瀏覽時自動關(guān)聯(lián)精準(zhǔn)的模型查看方式。

圖4 交互式圖文的制作與發(fā)布

3.3 實物可視化展現(xiàn)與分析

可視化是數(shù)字化的表現(xiàn)形式。在實物產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)管理中，通過模型的三維可視化實現(xiàn)實物組件在數(shù)字化產(chǎn)品的位置查詢、顯示及維護(hù)要素的全方位展示。通過三維可視化能力，利用個性化主動式工作空間，進(jìn)行維護(hù)技術(shù)問題的關(guān)聯(lián)分析，找出最佳排故方案，以及排故方案的驗證等。圖5 為大型裝備產(chǎn)品的可視化模型及可視化維護(hù)信息。

圖5 可視化模型

3.4 維護(hù)維修的仿真分析

對于精細(xì)的機(jī)械部件，需要提供一個基于模型的虛擬化制造環(huán)境來驗證、仿真和評價維修過程和方法，并采用交互式手段讓維護(hù)人員參與其中，研究維修裝拆的可達(dá)性、順序的合理性、工裝的合規(guī)性以及維護(hù)工作的可操作性。采用該技術(shù)手段不僅可以預(yù)先對維護(hù)工作進(jìn)行演練，還可以評估人體在特定工作環(huán)境下的行為表現(xiàn)，如動作時間評估、視野評估、疲勞評估、思維模式評估等，從而定制更加合理的維護(hù)策略，或為產(chǎn)品的可維護(hù)性設(shè)計提供依據(jù)。圖6 為一個基于模型的部套拆裝交互式動畫。

圖6 部套拆裝交互式動畫

3.5 精準(zhǔn)的備件清單

備件管理是維護(hù)工作的重要內(nèi)容，重要備件的關(guān)鍵信息、換件歷史、換件周期更關(guān)系到維修工作的成本費用?；诰珳?zhǔn)的設(shè)計模型（BOMBill of Material，物料清單）可以生成專屬的備件清單。圖7 為一個部套的備件清單、備件屬性及備件在部套中的位置。

圖7 備件清單及備件屬性

3.6 維護(hù)知識管理

基于精準(zhǔn)的服務(wù)信息，可以定義裝備各個部位的維護(hù)策略、故障樹、維護(hù)經(jīng)驗等內(nèi)容。同時，每個部位的重要程度、失效后果、維護(hù)手段、風(fēng)險等級等要素信息，對裝備的高效使用至關(guān)重要。而這些信息來源于裝備設(shè)計與研發(fā)團(tuán)隊中的相關(guān)專家經(jīng)驗。

3.7 現(xiàn)場維護(hù)支持和多終端展示

在維護(hù)人員需要時，能夠及時獲取、快速查詢和有針對性指導(dǎo)工作，維護(hù)服務(wù)信息包需要在裝備現(xiàn)場、移動終端、管理終端上分別展示。建立基于共享云平臺的信息推送機(jī)制，實現(xiàn)與裝備部套線下線上的互動模式。圖8 為采用移動終端掃描關(guān)鍵部位的二維碼，即可獲取該部位的模型信息、服務(wù)信息。

3.8 裝備全生命周期信息的集成

維護(hù)服務(wù)信息包含2 個維度的數(shù)據(jù)，分別為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)，其中靜態(tài)數(shù)據(jù)包含裝備結(jié)構(gòu)、文檔資料、維護(hù)策略以及培訓(xùn)資料，動態(tài)數(shù)據(jù)裝備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和裝備運維中的保養(yǎng)、潤滑、點檢、維修、換件信息等。靜態(tài)數(shù)據(jù)在初始化完成后同步到云端部署的數(shù)據(jù)庫中，方便離線使用。動態(tài)數(shù)據(jù)從裝備使用現(xiàn)場采集后，會在裝備終端平臺的本地數(shù)據(jù)庫中保存一份，方便現(xiàn)場使用，然后采取在線或離線的同步策略將數(shù)據(jù)同步到云端平臺。

圖8 移動終端訪問關(guān)鍵部位服務(wù)信息

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 模型輕量化的集成與處理技術(shù)

輕量化處理的模型數(shù)據(jù)可實現(xiàn)在產(chǎn)品生命周期各階段的實時共享和可視化。采用ISO 14306 標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的三維可視化文件格式[4]，集成設(shè)計工具、PLM 平臺以及其他模型處理工具，實現(xiàn)三維產(chǎn)品數(shù)據(jù)的即時、無縫傳遞，促進(jìn)各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)和數(shù)據(jù)的有效協(xié)同。

4.2 基于大型裝備數(shù)字孿生體的服務(wù)信息管理

服務(wù)信息的核心是基于數(shù)字孿生體的增值服務(wù)及價值傳遞。數(shù)字孿生體是基于云平臺的一套描述裝備全部特征的數(shù)字模型。對大型裝備來說，包括設(shè)備設(shè)計信息、制造信息、維護(hù)手冊及文檔、使用信息等在內(nèi)的全生命周期數(shù)字模型，稱為技術(shù)數(shù)據(jù)包（TDP）。

4.3 交互式圖文制作與共享

交互式圖文（IETM）在國防裝備上得到廣泛應(yīng)用，但在民用裝備上還鮮有報道?；贕B/T 24463 和GJB 6600 的規(guī)范要求，處理模型、交互式對象、數(shù)據(jù)集成和信息展示[5]。

4.4 基于MBS 的TDP 維護(hù)現(xiàn)場

維護(hù)現(xiàn)場是具有多種形式的展示界面，包括機(jī)臺終端的觸摸界面、工業(yè)PDA，還包括個人移動電子產(chǎn)品和各類管理終端，因此展示方式各異、操作平臺各異、操作模式各異。各類技術(shù)數(shù)據(jù)對像，尤其是三維可視化數(shù)據(jù)、IETM 數(shù)據(jù)的跨平臺展示和操作的一致性是本文的技術(shù)創(chuàng)新點。

4.5 工業(yè)大數(shù)據(jù)的處理技術(shù)

項目必須解決從現(xiàn)場到云端的一系列大數(shù)據(jù)問題，包括大數(shù)據(jù)的傳輸、存貯、分析、安全等。

4.6 敏感數(shù)據(jù)的安全防護(hù)體系

采取基于角色的訪問控制（RBAC）+登錄令牌的雙重保障，防止數(shù)據(jù)泄露。對于比較重要的數(shù)據(jù)，比如一機(jī)一檔中的文檔資料、視頻信息等采取秘鑰加密技術(shù)。對于模型數(shù)據(jù)等敏感數(shù)據(jù)，一方面采用脫敏設(shè)計，另一方面采用可信的方式進(jìn)行信息訪問。

5 應(yīng)用效果

常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司是國家大二型企業(yè)，主要生產(chǎn)高度自動化煙草設(shè)備。近年來，企業(yè)瞄準(zhǔn)國際同行先進(jìn)水平，開展智能產(chǎn)品、智能制造和智能服務(wù)轉(zhuǎn)型。在新推出的全數(shù)字化和高度智能化的煙機(jī)產(chǎn)品中，利用本文描述的技術(shù)路線，構(gòu)建“云、管、端”一體化煙機(jī)智能管理平臺，實現(xiàn)了煙機(jī)全生命周期管理和服務(wù)信息的主動推送。圖9 為云平臺（服務(wù)平臺）、基于Internet 的安全傳輸管道、各類終端平臺（機(jī)臺終端、現(xiàn)場移動終端、PC 管理終端）的煙機(jī)智能管理平臺應(yīng)用架構(gòu)。

系統(tǒng)穩(wěn)定運行在各裝備應(yīng)用企業(yè)，維護(hù)服務(wù)信息包的應(yīng)用效果：①在新機(jī)型的修改和升級過程中，推出的TDP 保持與實物機(jī)型的一致性；②為裝備的定點維護(hù)、維修和大修，提供有針對性的信息包；③為新裝備的現(xiàn)場維修和保養(yǎng)提供了三維可視化指導(dǎo)；④提供有競爭力的采購備件方案；⑤基于運行數(shù)據(jù)開展預(yù)測和狀態(tài)檢修，并采用模型數(shù)據(jù)可視化展現(xiàn)；⑥為客戶的人員培訓(xùn)提供素材。

圖9 “云、管、端”一體化煙機(jī)智能管理平臺

6 結(jié)語

設(shè)計一種以設(shè)計數(shù)據(jù)為源頭，以裝備的數(shù)字孿生體為核心，針對維護(hù)服務(wù)的信息包構(gòu)建框架，并開發(fā)相應(yīng)的軟件平臺，應(yīng)用于大型機(jī)型裝備制造企業(yè)。與傳統(tǒng)模式相比，應(yīng)用服務(wù)信息管理系統(tǒng)后，會映射出一個產(chǎn)品的“數(shù)字孿生體”，在賣一個實體產(chǎn)品的同時，隨帶一個跟產(chǎn)品零部件一一對應(yīng)的數(shù)字模型，真正實現(xiàn)一機(jī)一檔。出廠的產(chǎn)品有可追溯性，可以對產(chǎn)品進(jìn)行跟蹤服務(wù)，進(jìn)行全壽命周期管理，為企業(yè)高速發(fā)展提供可靠的技術(shù)裝備保障。