聶子臨，蔡衛(wèi)華，王海丹，姜 江，陳 佑

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

0 引言

近年來，隨著大數(shù)據(jù)感知、傳輸和存儲技術(shù)的發(fā)展，海量的軌道交通裝備設(shè)計、生產(chǎn)和運(yùn)維服務(wù)過程數(shù)據(jù)得到有效采集。在此背景下，產(chǎn)品定義已經(jīng)從基于圖紙的方式向MBD（Model Based Definition，基于模型的定義）轉(zhuǎn)變，主機(jī)企業(yè)與供應(yīng)商、客戶以及其他協(xié)作企業(yè)從一般采購銷售協(xié)作向在產(chǎn)品設(shè)計、零部件供應(yīng)、運(yùn)行維護(hù)、檢修/維修等方面高效、精準(zhǔn)協(xié)同轉(zhuǎn)變，而產(chǎn)品維修方式也從傳統(tǒng)的事后修、預(yù)防修逐漸向數(shù)據(jù)驅(qū)動的狀態(tài)修、主動修的方式轉(zhuǎn)變。將分散在不同區(qū)域的現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備資源、智力資源和各種核心能力，按照資源優(yōu)勢互補(bǔ)的原則，快速組合成網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟企業(yè)，快速推出高品質(zhì)、低成本的新產(chǎn)品[1]。亟需結(jié)合軌道交通裝備行業(yè)業(yè)務(wù)協(xié)作與服務(wù)決策優(yōu)化的需求，研究一種軌道交通裝備制造企業(yè)運(yùn)行一體化新模式。

本文結(jié)合軌道交通裝備行業(yè)業(yè)務(wù)協(xié)作與服務(wù)決策優(yōu)化的需求，研究基于“模型驅(qū)動的設(shè)計-制造-運(yùn)維一體化”主導(dǎo)的定制生產(chǎn)運(yùn)行一體化新模式，以促進(jìn)業(yè)務(wù)的異地高效協(xié)同與聯(lián)動，最終為推動軌道交通裝備行業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供模式支撐。

1 軌道交通裝備制造現(xiàn)狀分析

目前，軌道交通行業(yè)數(shù)字化生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝規(guī)劃、設(shè)計技術(shù)應(yīng)用方面還處于探索階段，雖然相關(guān)研究人員做了一些仿真驗證系統(tǒng)的初步嘗試，但是缺乏成熟的虛擬驗證手段，難以實(shí)現(xiàn)虛擬樣機(jī)與現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)的有效融合；我國制造過程仿真、產(chǎn)線仿真等技術(shù)仍然處于起步階段，未能實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，生產(chǎn)現(xiàn)場仍然沿用傳統(tǒng)的裝配方式和手段[2]，主要突出如下問題：

1）傳統(tǒng)工藝設(shè)計易導(dǎo)致裝配錯誤

在傳統(tǒng)的二維工藝設(shè)計中，工藝設(shè)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(xiàn)出來[3]。二維工藝描述導(dǎo)致工藝設(shè)計過程中的詳細(xì)設(shè)計淡化[4]，不能充分利用上游產(chǎn)品設(shè)計CAD模型數(shù)據(jù)，難以實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計的繼承、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和優(yōu)化[5]。傳統(tǒng)的工藝設(shè)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(yōu)劣取決于個人經(jīng)驗，工藝設(shè)計水平因人而異，工藝設(shè)計變更和優(yōu)化周期長，制造準(zhǔn)備周期難以壓縮[7]。工藝設(shè)計環(huán)境不具備對三維工藝進(jìn)行驗證的能力，易導(dǎo)致裝配存在干擾、裝配順序不合理、工藝設(shè)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(chǎn)品研制進(jìn)度和質(zhì)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(dǎo)致理解上的差異，從而導(dǎo)致裝配錯誤。

2）信息孤島問題易導(dǎo)致運(yùn)維困難

企業(yè)業(yè)務(wù)流程中的數(shù)據(jù)多是靜態(tài)、分散而且不完整的，信息系統(tǒng)發(fā)展不均衡，信息孤島問題存在于企業(yè)不同的業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，如：設(shè)計研發(fā)、工藝、制造、運(yùn)維等，前期獨(dú)立發(fā)展的信息系統(tǒng)又會成為一個個獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)的領(lǐng)地。早期的信息系統(tǒng)集成一般通過中間表或者Web Service的方式實(shí)現(xiàn)，隨著信息系統(tǒng)數(shù)量和數(shù)據(jù)交互需求的增加，使得后期的數(shù)據(jù)整合難度和維護(hù)難度逐漸增大。

2 運(yùn)行一體化新模式

設(shè)備研發(fā)與制造一體化管理涉及設(shè)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(shè)備全生命周期管理的全過程[9]。為了解決以上現(xiàn)狀問題，本文提出一種基于“模型驅(qū)動的設(shè)計-制造-運(yùn)維一體化”主導(dǎo)的定制生產(chǎn)運(yùn)行一體化新模式，如圖1所示。該新模式采用MBD技術(shù)對軌道交通裝備研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造、運(yùn)維服務(wù)過程中的工藝指標(biāo)、工藝參數(shù)、生產(chǎn)規(guī)劃、運(yùn)維計劃等信息進(jìn)行數(shù)字化定義,對軌道交通裝備企業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時采集與傳輸、一體化集成與管理，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計-制造-運(yùn)維過程數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通、設(shè)計-制造-運(yùn)維業(yè)務(wù)活動的互操作與協(xié)同聯(lián)動，打通全制造流程與全生命周期的數(shù)據(jù)通道，促進(jìn)從需求管理、研發(fā)設(shè)計、制造運(yùn)營到運(yùn)維服務(wù)等企業(yè)內(nèi)部的多業(yè)務(wù)協(xié)同，實(shí)現(xiàn)需求及變更快速響應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造新模式，包含數(shù)字化設(shè)計、數(shù)字化制造、數(shù)字化運(yùn)維三個方面。

圖1 基于客戶需求、模型驅(qū)動的運(yùn)行一體化新模式

3 數(shù)字化設(shè)計

目前軌道交通裝備制造企業(yè)已經(jīng)在產(chǎn)品設(shè)計階段推廣基于模型的產(chǎn)品數(shù)字化定義技術(shù)，逐步采用三維數(shù)字化模型作為軌道車輛產(chǎn)品零件制造、部件裝配的依據(jù)，取代傳統(tǒng)的2D圖案[10]。傳統(tǒng)的二維工藝設(shè)計模式已經(jīng)無法滿足全三維設(shè)計的要求[11]，必須建立數(shù)字化工藝規(guī)劃與仿真系統(tǒng)，通過三維工藝設(shè)計、仿真能力建設(shè)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計、工藝過程設(shè)計的貫通，在關(guān)鍵工序推廣和應(yīng)用基于三維數(shù)據(jù)模型的裝配仿真驗證，從而提升產(chǎn)品工藝設(shè)計數(shù)據(jù)的集成性，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品工藝設(shè)計的結(jié)構(gòu)化、數(shù)字化能力，有效提高產(chǎn)品工藝設(shè)計質(zhì)量，降低產(chǎn)品試制階段錯誤率[12]。

如圖2所示，軌道交通裝備要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計需建立統(tǒng)一的信息化平臺，將分布式、離散式和階段式的設(shè)計模型形成集成的MBD模型，構(gòu)建企業(yè)級乃至區(qū)域級的數(shù)據(jù)中心和知識庫，打通“信息孤島”。各階段人員針對協(xié)同設(shè)計需求，多角度提出產(chǎn)品設(shè)計需求和改進(jìn)建議，將產(chǎn)品全生命周期中的所有數(shù)據(jù)信息都集中在資源池中生成設(shè)計BOM。

圖2 數(shù)字化設(shè)計流程

3.1 數(shù)字化裝配工藝設(shè)計

在軌道交通裝備制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)三維工藝規(guī)劃設(shè)計技術(shù)深化的基礎(chǔ)上，達(dá)到工藝快速規(guī)劃及分析手段優(yōu)化；創(chuàng)建數(shù)字化工藝資源，包括基于仿真工序的模型、產(chǎn)線布局、三維工藝資源庫以及集成數(shù)據(jù)處理。

3.2 數(shù)字化電氣工藝設(shè)計

在軌道交通裝備制造企業(yè)當(dāng)前應(yīng)用的電氣設(shè)計軟件和三維線纜軟件的功能基礎(chǔ)上，建立與研發(fā)一體的電氣工藝設(shè)計系統(tǒng)，對工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管控，提升工藝設(shè)計的數(shù)據(jù)管理能力。

3.3 總裝配生產(chǎn)線仿真

利用工業(yè)離散過程仿真技術(shù)建立制造系統(tǒng)從總裝到交車線的仿真模型（虛擬制造系統(tǒng)），在工藝設(shè)計和優(yōu)化中進(jìn)行生產(chǎn)過程的模擬仿真，達(dá)到最大限度縮短生產(chǎn)周期，最大限度發(fā)揮產(chǎn)能，以滿足市場需求。

4 數(shù)字化制造

4.1 工位制節(jié)拍化生產(chǎn)

工位制節(jié)拍化生產(chǎn)，即圍繞生產(chǎn)工位在制造過程中的業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)快速獲取信息、及時下達(dá)計劃、準(zhǔn)時交付物料、實(shí)時監(jiān)控、提示特殊要求、問題可及時暴露、數(shù)據(jù)可實(shí)時采集、流程可閉環(huán)管理等功能。

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

圖3 工位制節(jié)拍化生產(chǎn)模式

1）整合生產(chǎn)工位所需的相關(guān)數(shù)據(jù)、信息，伴隨生產(chǎn)訂單（任務(wù)指令）推送到相關(guān)工位；

2）實(shí)時采集開工/完工、操作人員、加工數(shù)據(jù)等信息，記錄關(guān)鍵部件的序列號信息，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品配件、質(zhì)量的信息追溯；

3）完善生產(chǎn)異常管理，快速暴露、追蹤現(xiàn)場異常問題；

4）針對不同層次管理人員配置相應(yīng)的信息看板，使各級管理人員及時掌握生產(chǎn)現(xiàn)場狀況，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程管理的可視化；

5）同時緊密結(jié)合生產(chǎn)過程與質(zhì)量檢驗，同時提高質(zhì)檢人員的工作效率；針對部分工序的數(shù)字化檢測工具、裝配工具，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，自動傳遞和采集數(shù)據(jù)。

4.2 同步ERP生產(chǎn)計劃

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

1）計劃傳遞及分解

生產(chǎn)計劃編制在ERP中實(shí)現(xiàn)，生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)訂單通過接口傳遞到制造過程管理的基礎(chǔ)信息平臺，按照不同的崗位層次形成調(diào)度計劃及工位執(zhí)行計劃，最終下發(fā)至班組。分廠調(diào)度員可調(diào)整分發(fā)范圍及分發(fā)對象。

2）計劃調(diào)整

若ERP中三日節(jié)拍計劃發(fā)生調(diào)整，制造過程管理平臺涉及的生產(chǎn)訂單及生產(chǎn)執(zhí)行計劃需實(shí)現(xiàn)同步調(diào)整。ERP的生產(chǎn)計劃與制造過程管理平臺形成聯(lián)動，制造過程管理平臺中已經(jīng)完工的生產(chǎn)訂單，ERP中對應(yīng)的三日節(jié)拍計劃不能調(diào)整。

3）計劃展示

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

4.3 排產(chǎn)及派發(fā)生產(chǎn)任務(wù)

當(dāng)生產(chǎn)計劃傳遞到制造過程管理信息平臺時，其根據(jù)提前設(shè)定原則實(shí)現(xiàn)工單自動分解和任務(wù)的派發(fā)，形成某工位或某個機(jī)器加工中心的加工隊列，可人工調(diào)整干預(yù)，并同時將返工任務(wù)和更改任務(wù)派發(fā)到具體的班組或工位加工單元。以此實(shí)現(xiàn)按批量、按單車生產(chǎn)管理模式，區(qū)分不同的實(shí)現(xiàn)方式，具體工作流程如下：

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

2）按單車生產(chǎn)（如組裝工序）類生產(chǎn)訂單，根據(jù)訂單中工作中心、工位與生產(chǎn)單位班組的關(guān)聯(lián)，自動將生產(chǎn)訂單按“分廠-車間-工位（班組）”進(jìn)行下達(dá)，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(nèi)的生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)訂單。生產(chǎn)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(jié)拍計劃。

4.4 制造過程管理

制造過程管理，即結(jié)合精益生產(chǎn)推進(jìn)理念，現(xiàn)場以工位制節(jié)拍化生產(chǎn)模式推動，圍繞工位單元進(jìn)行現(xiàn)場管理、車間數(shù)據(jù)采集和追溯管理，具體工作流程如下：

1）各工位生產(chǎn)人員通過操作界面能獲取自己的加工任務(wù)及加工隊列，包括正常生產(chǎn)任務(wù)、返工任務(wù)、更改任務(wù)等，并同時獲得伴隨生產(chǎn)訂單推送的相關(guān)的技術(shù)文件、物流配送、質(zhì)量卡片等相關(guān)數(shù)據(jù)信息。通過開工、完工確認(rèn)，反饋生產(chǎn)進(jìn)度；生產(chǎn)過程記錄操作員工、部件加工參數(shù)、零部件序列號等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對關(guān)鍵零部件、質(zhì)量以及操作過程的追溯；實(shí)現(xiàn)與異常管理系統(tǒng)集成，及時反饋現(xiàn)場異常問題。

2）在物流配料階段，記錄現(xiàn)場生產(chǎn)過程中工位車號與實(shí)際裝車工單，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工單與實(shí)際車號的統(tǒng)一，確保生產(chǎn)與系統(tǒng)一致性。確保工單與關(guān)鍵件供應(yīng)商等的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)具體車輛關(guān)鍵件的追蹤，最終實(shí)現(xiàn)譜系管理。

5 數(shù)字化運(yùn)維

5.1 編制工藝路線

對于高速動車組運(yùn)用修，技術(shù)員需要在結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上編制工藝路線，具體工作流程如下：

1）結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)查詢

MRO（Maintenance,Repair &Operations）按照區(qū)域中心-服務(wù)站-產(chǎn)品類型-產(chǎn)品的維度對不同車型的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)打包進(jìn)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(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)?？稍谌蝿?wù)頁簽查看該修程下的工藝BOM及相應(yīng)作業(yè)指導(dǎo)書（包括基本信息、工步、資源信息、物料、工具、作業(yè)條件等）。

2）工藝路線編制

標(biāo)準(zhǔn)工藝中定義了維檢修任務(wù)的過程標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)工藝數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)一級工藝進(jìn)行二級調(diào)整，針對特定的車輛/組件覆蓋原一級工藝進(jìn)行應(yīng)用。在工藝文件包的任務(wù)頁簽，可進(jìn)行二級工藝的編制，可對不同DS點(diǎn)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)按照一定順序進(jìn)行排程。

5.2 編制制造BOM

制造BOM基于產(chǎn)線及工位基礎(chǔ)數(shù)據(jù)字典，結(jié)合工藝路線生成。

MRO按照工藝BOM承接PLM完整結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)后進(jìn)行工藝路線的編制，在MRO中維護(hù)產(chǎn)線及工位數(shù)據(jù)，編制完成后自動更新制造BOM。

5.3 維修策略包維護(hù)

在MRO中，當(dāng)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(fā)檢修工作任務(wù)。

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(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)變更

PLM結(jié)構(gòu)化文件進(jìn)行升級時，同步變更MRO中的修程包內(nèi)的相關(guān)信息，但需要標(biāo)記檢修任務(wù)與PLM結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)中的差異，提醒技術(shù)員存在該差異。由技術(shù)員判斷是否要進(jìn)行二級工藝的修改。

2）MRO主動調(diào)整二級工藝

MRO調(diào)整二級工藝時保留上一版本，實(shí)現(xiàn)二級工藝的版本管理。

由于PLM的工藝結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)發(fā)生變更，需要技術(shù)員在MRO同步調(diào)整工藝路線。

5.5 修程優(yōu)化

工藝路線的復(fù)制用于修程的試點(diǎn)優(yōu)化，可在工藝路線編制對已有的工藝路線進(jìn)行復(fù)制，復(fù)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(dá)新的修程任務(wù)。對于修程試點(diǎn)優(yōu)化，技術(shù)員在MRO對復(fù)制創(chuàng)建出一個新的工藝路線，對間隔和任務(wù)清單進(jìn)行調(diào)整。

6 設(shè)計-制造-運(yùn)維運(yùn)行一體化

要實(shí)現(xiàn)設(shè)計-制造-運(yùn)維運(yùn)行一體化，完成數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通、設(shè)計-制造-運(yùn)維業(yè)務(wù)活動的互操作與協(xié)同聯(lián)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(shù)據(jù)通道[14]。設(shè)計BOM作為指導(dǎo)下游部門工作的唯一依據(jù)，清晰地表達(dá)了設(shè)計產(chǎn)品結(jié)構(gòu)關(guān)系、零部件數(shù)量，同時也關(guān)聯(lián)了設(shè)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(quán)限修改BOM數(shù)據(jù)，只能進(jìn)行BOM轉(zhuǎn)換操作。BOM轉(zhuǎn)換后的工藝BOM能完整地繼承設(shè)計BOM的所有信息，同時還能根據(jù)工藝裝配特點(diǎn)并結(jié)合產(chǎn)品工藝流程補(bǔ)充工藝屬性以滿足生產(chǎn)需要，例如物料編碼、物料名稱、版本、裝配數(shù)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(chǔ)上增加詳細(xì)的工藝內(nèi)容、材料定額、制造資源（工裝、設(shè)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(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的過程中采用設(shè)計BOM、工藝BOM、制造BOM、服務(wù)BOM等多級BOM的管理方式，如圖4所示，可以適應(yīng)產(chǎn)品在不同任務(wù)階段的需求，通過協(xié)同和轉(zhuǎn)換各級BOM的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可以保持制造、運(yùn)維與設(shè)計部門的數(shù)據(jù)一致性。

圖4 模型驅(qū)動的軌道交通產(chǎn)品設(shè)計-制造-運(yùn)維運(yùn)行一體化

7 結(jié)語

我國高鐵列車組占世界擁有量的50%以上，且發(fā)展的前景和廣闊的市場前途是其它國家無法比擬的，產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、新產(chǎn)品試制周期以及降低運(yùn)營成本已成為高鐵列車制造的瓶頸之一。隨著國內(nèi)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(shù)、一流的標(biāo)準(zhǔn)、一流的產(chǎn)品，二流的制造工藝和模式”的現(xiàn)狀。本文提出的“模型驅(qū)動的設(shè)計-制造運(yùn)維一體化”主導(dǎo)的定制生產(chǎn)運(yùn)行一體化新模式，不僅能夠提高高速車系統(tǒng)集成的生產(chǎn)制造能力、產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量、縮短交貨周期和新產(chǎn)品試制周期，同時也大大降低運(yùn)營成本和工人的勞動強(qiáng)度，未來也可以適用更多軌道交通車輛的系統(tǒng)集成制造。