轨道交通转向架数字孪生车间研究

□ 朱志民 □ 陶振伟 □ 鲁继楠

中车南京浦镇车辆有限公司 南京210031

1 问题的提出

随着车间智能化程度的不断提高，目前已广泛应用各类传感器、PLC（可编程序控制器）和其它智能感知设备来采集大量的制造数据，而在大数据驱动下的“关联+预测+调控”也为车间运行分析与决策提供了新模式［1］。中车南京浦镇车辆有限公司（简称浦镇公司）在建设精益流水线的基础上，朝着打造数字化车间的方向展开工作，数字孪生车间（DTW）作为一种未来车间运行的新模式，值得进一步思考和探索。

2 车间介绍

浦镇公司转向架车间主要从事城轨、城际、动车组的焊接转向架生产制造。车间现有14跨厂房，占地面积约40 000 m2，员工近400人，配置有10个工区、5条焊接及组装流水线，具有单班年产4 000个构架、配套2 000辆份转向架的制造能力。

转向架是轨道交通车辆结构中最为重要的组成部分之一，其制造技术也是车辆的关键技术之一。转向架承载车体，起到列车运营、过曲线、增加舒适性等重要功能，转向架如图1所示。

3 流水线主要存在的问题

精益生产是以客户需求为动力，不断降低生产成本，做到零废品、零库存和产品品种多样化的一种生产方式［2］。浦镇公司从2008年开始推行精益生产，一直致力于依托流水线的节拍建设，减少浪费，提高效率，以适应产品制造平台的变化和升级。转向架车间在2017年10月被评为中国中车二级精益车间，但是从数字化车间的层面来看，流水线仍然存在以下问题。

（1）表单管理差错多。车间把每条流水线切分为若干个工位，给每个工位设置基本平均的作业节拍。车间的各项管理以工位为基础而展开，公司职能部门为工位的“人、机、料、法、环、测”六要素的管控设计了15张固定的纸质表单，提供给工位长，以开展日常的管理工作。在实际工作中，往往出现表单早填、不填或错填，出现表单与实际情况不符的现象。

▲图1 转向架示意图

（2）物料配送异常多。在对现场异常情况进行统计分析时可知，属于物料配送方面的异常占了一半以上，这些异常主要表现形式为：工位的物料包内物料配送不准确，配送节拍和准时性差，大件物料现场拆箱，物料转运工装不足，物料交接不规范，叉车和天车充当长距离运输工具等，其中影响最大的是物料配送不准确，往往造成工人在现场因为缺少物料而无法作业。如某周，物料异常达到63条，占了75.9%，某周现场异常统计见表1。

表1 某周现场异常统计

（3）工艺文件指导作用有待提升。公司在对工艺文件的符合性、有效性和一致性进行梳理时发现，现场的作业文件多而全，但是有指导作用不强的情况，特别是现场工位六要素发生变化时，对于变更的管理不够完善，对工位的工序推移图不能及时更新。同时，工艺文件没有总结出作业口诀及对标准作业进行视频作业指导，这些都是工位文件的改善方向。

（4）异常处理影响生产线节拍。建立生产线异常处理系统可以实时反映各个工位的生产状态，当某个工位出现异常时，能够得到及时响应［3］，但是由于工位多，异常问题的出现还是比较频繁。生产线发生的异常主要体现在物料异常和技术异常，物料异常涉及到供应商对物料进行整改，技术异常涉及到设计、工艺的评估。如果异常处置时间超过4 h，必然会引起流水线节拍中断。

（5）生产节拍不平衡有待优化。在流水线建设中，为了设计合理的生产节拍，消除生产瓶颈，对产品的所有生产工序进行写实，并形成生产节拍。但是在实际作业过程中，仍然会因为布局不合理、转运较多、员工等待时间较长等原因，在个别工位形成瓶颈，带来流水线不平衡的状况。因而消除瓶颈工序和作业过程中不必要的浪费，进而提高生产线生产能力，从而实现对节拍的优化和流水线的平衡［4］，是车间管理的重点之一。

4 信息化管理系统介绍

数字化车间是应用各种设备监控技术与物联网技术等，强化服务与信息管理，更加全面、深入、准确地了解与掌握产销流程，提升整个生产过程的高效化与可控性［5］。而公司在产品的全寿命周期内，虽然开发了若干个信息化管理系统，但由于这些系统之间没有完全实现信息数据共享，从而造成相互之间缺乏联动。与车间流水线相关的主要是以下四类系统。

（1）文件管理系统。文件管理系统主要有办公自动化（OA）系统、产品数据管理（PDM）系统、技术通知系统、质量管理信息系统（QMIS）等。OA系统是公司级的各类文件、业务联系书传递系统；PDM系统是设计部门进行产品开发及设计的文件系统；技术通知系统是工艺部门管理技术通知的系统；QMIS是质量管理部门进行不合格品（NCR）报告管理、质量过程管控的系统。这些文件管理系统之间的数据还没有实现完全互通。

（2）企业资源计划（ERP）系统。ERP在车间主要用来进行物料、工时、工资、报销的管理。工艺部门把设计要素输入进行转化，输出的工艺物料清单（BOM）和工艺工时定额，录入ERP系统，作为ERP系统的数据源。物流根据ERP系统的BOM进行发料，车间根据ERP系统的工位工艺文件进行作业并报工时。这个系统在自上而下的应用实施过程中，遇到问题可以进行修正和变更，但是变更的数据不会自动由下而上进行反馈，难以实现数据的联动。

（3）人力资源管理（HCM）系统。HCM系统主要用来进行人力资源的管理。由于ERP系统中不能定义作业人员，特别是对于作业人员的能力、数量和调配，只能由员工所在的部门或车间，根据实际情况进行录入和管理。这个系统在应用过程中，侧重于人力资源的基本信息管理，而余缺人力资源又要依靠其它的管理平台来实现。

（4）生产管理网。生产网是公司内部开发并应用于流水线管理的平台，理论上可以实现生产计划的下达、现场的工位管理、异常的拉动、完工工时的申报等功能，但实际生产任务的下达是生产部门依靠生产通知的形式由OA系统下达，而车间的三日计划则是车间生产人员自行使用Excel进行编制。现场的工位管理板、15张表单是纸质的，没有实现电子版的目视化，从而导致异常拉动成了生产网的主要形式。在发生异常后，根据异常的处置时间，系统根据设定，分级把异常信息发送给责任单位的职能人员、部门领导、公司领导，整个系统依赖于人员的操作，自动化程度有限。

5 数字孪生车间建设的探讨

5.1 相关概念介绍

数字孪生（DT）概念的产生和应用是基于模型定义（MBD）技术的进一步发展，使数字化设计制造技术迈向了一个新的台阶，是实现智能制造的基础［6］。随着研究的深入，数字孪生技术逐步应用于产品设计过程中。基于产品数字孪生模型的构型管理方法，可以进行大数据统计和分析，从而改进产品研制流程，提高产品设计质量［7］。

DTW是在新一代信息技术和制造技术驱动下，通过物理车间与虚拟车间的双向真实映射与实时交互，实现物理车间、虚拟车间，以及车间服务系统的全要素、全流程、全业务数据的集成和融合，在车间孪生数据的驱动下，实现车间生产要素管理、生产活动计划、生产过程控制等在物理车间和虚拟车间，以及车间服务系统间的迭代运行，从而在满足特定目标和约束的前提下，达到车间生产和管控最优的一种车间运行新模式［8］。如果从通俗化的语言去理解，数字孪生车间，其实就是现实车间各个要素的数字化体现，也就是现实车间在虚拟系统一个映射而已，数字孪生车间示意如图2所示。西门子公司就曾经提出了 “数字化双胞胎”的概念，致力于帮助制造企业在信息空间构建整合制造流程的生产系统模型，实现物理空间从产品设计到制造执行的全过程数字化［9］。

▲图2 数字孪生车间示意图

5.2 数字孪生车间的应用

如果建立了数字化孪生车间，则是在虚拟空间对车间生产组织及管理进行仿真。随着物联网技术的成熟和应用，通过智能仪表、条形码等，实现了刀具、物料、在制品等生产要素数据的自动采集，实现了系统数据的在线录入，也实现了信息系统数据与生产要素实时有关数据的同步［10］。而这些生产要素的数据流自动在DTW系统呈现，对数据的唯一性、及时性和自动化管控都创造了条件。

当设计部门在PDM系统完成产品设计、生成图样并输入到ERP系统时，ERP系统可以根据设定的流水线参数，如产品平台、节拍、台位等，自动生成一系列的数据，从而开始模拟。

（1）开工前的仿真。如果有了DTW，就可以在数字化平台上进行仿真，操作过程的仿真如图3所示。仿真的内容可以包含物料的配送路线、现场定置、人机操作平台的配合、操作过程的仿真、物料的齐套性、工位的山积图和推移图等。将这些仿真的结果反馈给技术部门，可以帮助技术部门审核图样、文件，以减少在实物试制过程中带来的问题和物料报废。

▲图3 操作过程的仿真示意图

（2）过程中的大数据分析。在产品实物生产过程中，DTW可以同步运行，对生产现场各个系统的数据进行搜集、整理和分析。如自动比对工位的开工、完工时间，以便提示进行工位节拍的优化；如自动将工位上的物料编码，与系统内设定的物料进行比对，并实时统计消耗材料；如对特殊过程的参数进行实时在线分析，一旦超过设定的参数范围，则出现黄色、红色报警，自动启动异常拉动流程，从而避免了人为因素对制造过程的干扰，稳定了生产节拍，也避免了由于操作技能上的差异而带来的产品质量的波动，如图4所示。

▲图4 过程监控的数据演示示意图

（3）完工后的检测数据整理。在制造过程结束后，自动启动扫描检测，并与设定的产品质量标准进行比对，形成检测报告，并把多个检测项目的数据进行统计分析，归入产品质量履历书。如果出现不符合项，则自动生成NCR报告，进入NCR处理流程。当NCR处理完毕、产品交验合格后，系统自动报完工，对工位进行工时分配结算。同时，在项目计划的电子看板上能够显示产品的制造状态，不需要人为去进行统计和分析。

5.3 相关工作思考

数字孪生车间技术，还有许多关键技术需要去研究，但是，对于一个企业来说，DTW是企业数字化建设的有效手段之一。在打造DTW的过程中，公司要有一个系统化的数字化管理平台，打通并融合各个信息化系统，才能够实现自动化的模拟、管控和反馈。

为实现制造过程的物理世界与信息世界的互联互通，即使在公司平台没有完全具备条件的时候，车间管理也应该朝着这个方向去努力，至少做到“两个坚持”：一是坚持工位制管理，依靠现场的表单，坚持对生产现场管理“六要素”等管理数据进行真实、可靠记录和反馈，定期对收集的数据进行统计分析，并提出改善提案，不断夯实固化各项管理要素；二是坚持信息化手段，在保证追溯性的基础上，要尽可能使用信息化的手段，避免现场纸质文件堆积如山、异常拉动靠人跑腿、质量过程由人紧盯、生产写实数据由人采集的情况，强调实物流和数据流的一致性，避免出现人为的干扰和偏差。

浦镇公司对车间精益管理提出了“三能三化”的要求，即“能说 、能做、能创新；理论化、模型化、数字化”。车间管理者，要具备站在公司的层面思考问题的能力，要能把复杂的事情简单化、简单的事情流程化、流程的事情标准化，标准的事情表单化、表单的事情数字化。只要把这些基础性的工作做好，然后在此基础上开展系统性的思考和创新，就一定能够体现出精益管理的效果。

6 结论

基于“工业4.0”的精益数字化车间打造，既是实现“中国制造2025”的大环境要求，也是为了完成公司大批量生产订单的内部需求。在打造数字化车间的过程中，数字孪生车间是一个非常好的工具和平台，能够把与车间相关的业务，在孤岛式的信息系统之间进行数据共享，对生产制造的全过程进行仿真、监控和反馈，帮助实现车间精益管理提升。但是数字孪生车间是一个系统工程，需要车间立足数据源的准确性，通过“两个坚持”来践行“三能三化”，才能切实提高车间管理水平，为数字化车间的打造创造条件。