车辆检修工业4.0基础初探

张 杰，向 勇，李宝志，姚卫东，尹春玲

(中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司，新疆 乌鲁木齐 830011)

以蒸汽机的发明为标志的工业1.0带来了生产关系上的重大变革；以电气化为标志的工业2.0带动了工业产业发展；以微电子技术为标志的工业3.0实现了自动化生产的飞速发展。而工业4.0则是通过充分利用信息通信技术和网络空间虚拟系统将制造业向智能化转型，通过人、设备、产品的实时联通与有效沟通，最终实现生产者和消费者直连的状态。铁路目前推进的现代化物流就是运输生产智能化的体现，同时也迎合了工业4.0时代的要求。

1 现状

中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司(以下简称“乌局集团公司”)以适应长远发展为导向，提升了装备能力和生产能力，通过新建或改造大库、升级设备、优化工艺流程，在车辆检修能力得到大幅提升的同时生产效率有了质的飞跃。部分工位引进机器人实现了配件的自动化搬运，节省了人工，搬运效率也显著提升。

车辆段检修基地已经初步完成了部分流水线以机代人和以工装保工艺的自动化设备革新。在生产管理部门，目前应用部署了HMIS调度系统和网络扣车系统，实现对每日扣修车辆的调令等数据的采集，并自动生成各调度统计报表。在检修车间和轮轴车间，目前应用部署了HMIS修车系统、HMIS修配系统、HMIS轮轴工位级应用系统，实现了车体检修数据、转向架检修数据、车钩检修数据、制动阀检修数据的集中采集以及轮轴检修数据的工位级数据采集。

2 存在问题

自动化设备的投入以及信息系统的使用促进了检修能力和效率的提升，但仍存在信息采集手段单一、信息数据孤立不能共享、设备智能化程度低等问题亟待解决。

(1) 信息数据孤立，未实现互联共享。现有的信息系统很分散，大数据共享及分析仅仅作为事故调查和检查考核的依据。目前只有轮轴检修线的智能检测设备与HMIS轮轴工位级软件进行了检测结果相关数据的互联网共享，其他生产设备还处于信息孤立状态，没有进行数据传递与共享。

(2) 自动化刚刚起步，智能化还未开始。2019年6月，乌局集团公司调试了第一台配件搬运机器人，但更多工位的自动化搬运、配送，自动化检测、焊接还尚未实现，智能化的生产还未开始。

(3) 现场信息采集手段单一，数据手工采集录入的占比较高。

(4) 统一的工业物联网还未建立，现场使用的设备数据接口协议不统一，数据共享利用率低， HMIS系统与现有设备未建立数据共享的协议。

3 解决方案探索

3.1 建立统一的工业物联网

物联网是指通过信息传感设备，按照约定的协议，将物体与网络相连接。物体通过信息传播媒介进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监管等功能。

3.1.1 统一物联网协议

网络协议的作用是为了通信时彼此间有共同统一的标准，降低设备、配件、人与数据信息采集软件之间通信的成本，也便于数据管理。企业通过统一物联网协议可将已经形成的信息数据孤岛进行有效的联通，建立数据仓库，并实现数据仓库与既有信息系统间的数据交换。通过对既有设备加装数据采集转换终端实现对既有设备数据的采集，最终实现数据的交换。通过统一的物联网协议实现设备、配件、操作人员、应用系统之间的数据交换，是工业4.0得以实现的基础条件。

3.1.2 目前铁路行业物联网主要应用

目前铁路物联网应用案例主要有车号自动识别系统、电子客票、行车安全监控系统、机车车载安全防护系统、高铁供电安全检测系统、货运安全检测系统、运行环境监控系统等。另外，在部分铁路货车和客车检修基地应用了手持机等移动数据终端、零部件RFID电子标签等，物联网信息化建设取得了良好的成效。

3.1.3 车辆系统物联网建设目标

企业的信息化程度代表了企业的生产质量及管理水平。围绕铁路货车检修工艺线构建数据自动采集、工艺线设备自动控制、质量智能评估、生产设备实时监控和大数据分析一体化的智能生产体系，从而带动车辆检修过程的科技革新，提升车辆检修运用安全质量和管理水平。建设物联网目标有以下几点：(1)对生产设备进行升级改造，加装传感装置，将生产设备全部网络化监控；(2)生产过程透明化、信息化；(3)通过粘贴RFID电子标签、数据条码或刻打金属二维码的方式，对所有检修零部件进行全过程跟踪；(4)建立质量卡控平台，对生产设备进行智能自动控制、评估；(5)对生产数据进行自动甄别、分类、分析。

3.1.4 车辆系统物联网功能设计

3.1.4.1生产设备管理

(1) 设备资产信息化：将生产现场每台工装设备的基本信息建立电子档案，安装一个二维码标签，作为设备的唯一标识。

(2) 设备联通网络化：对于已经具备联网功能的设备，根据设备遵循的网络协议，为设备定制数据采集方案。对于未联网的设备进行升级改造，增加网络传输模块，使其能够进行数据双向传输，然后定制数据采集方案。

(3) 生产设备状态监控：为现场生产设备安装数据采集装置(传感器)，每天24 h实时监控设备运转的数据并记录。

(4) 生产设备数据采集：除了采集设备状态的数据，系统接入每台生产设备的加工检测结果等生产数据也需要被采集。对于中国国家铁路集团有限公司(以下简称“国铁集团”)已经公布数据接口协议的设备(例如轮轴流水线各智能检测设备)，按照国铁集团发布的要求采集生产数据。对于国铁集团没有明确规定接口协议的设备，应由系统研发单位与设备厂家共同协商制定设备接口协议，将数据实时传输到统一的数据库。

(5) 生产设备数字化监控：通过GIS设备地图展现段内所有生产设备的位置，GIS设备地图通过放大、缩小可总览所有全段设备位置全局图，或者指定显示某一层的所有设备，或指定显示某一地区局部的设备布局图。

3.1.4.2生产流程监控

(1) 生产计划执行监控：以整车检修流程为基础，以图形化的方式建立整车生产流程监控平台。系统显示每台车辆的生产工序待处理故障、计划完成时间、实际完成时间等信息，从而方便查阅。

(2) 生产过程记录：每日开工时，通过人机交互方式完成设备的点检，系统记录设备点检信息以及工作者开启设备的时间，并记录各零部件开工完工时间。

(3) 生产流程告警：对于生产滞后的工序，系统给予生产滞后原因告警，例如设备停机时间过长、设备故障、人员缺勤或材料缺料、材料返修等。同时，系统根据当前可运转设备数量、人员出勤情况以及当日待加工零部件数量，重新生成新的当日生产计划。

3.2 智能化物料配送应用

3.2.1 物料的编码准备

通过与供应商协商统一编码规则，由供应商在出厂时将产品的制造批次、型号、厂家代号、制造日期、保质期、合格证等信息形成二维码，标识在产品包装上。物料采购到检修单位后，通过扫描码设备识别后，核对实物，并进行入段检验。仓库门口设置物料检查门，对出入托盘进行自动识别(托盘装RFID电子标签)。

3.2.2 物料托盘的准备

运输托盘进行专项改造，分为专用托盘、通用托盘两类，托盘上均粘贴条形码和RFID电子标签,用颜色区分待检修、检修合格品和报废品。

(1) 根据检修的配件设置专用的托盘，并根据检修状态分待检修(黄色)、检修合格品(绿色)、报废品(红色)，每个托盘上粘贴条形码和RFID电子标签,方便工作者对整个托盘物料的配送、接收进行识别。

(2) 对标准件可以采用通用托盘，通用托盘设置不同规格的标准物料存放箱，不同的存放箱根据检修状态分待检修(黄色)、检修合格品(绿色)、报废品(红色)，每个托盘上粘贴条形码和RFID电子标签,方便工作者对整个托盘物料的配送、接收进行识别。

3.3 工业视觉检测系统的应用

(1) 工业视觉检测系统的优点主要体现在：检测效率高，产品检测率可达100%；速度快，可配合生产流水线速度进行,实现非接触、非破坏检测，对产品没有损害；低成本,自动检测节省了大量的人工成本；长时间运作稳定,是人工无法做到的；可进行快速精确尺寸测量,保证产品测量尺寸的精度；可在一些不适宜人工作业的危险环境中工作。

(2) 工业视觉检测系统具备产品缺陷在线自动检测和产品尺寸在线精确测量功能。

产品缺陷在线自动检测功能是对于生产缺陷、各种表面缺陷、装配缺陷、有毒环境、信息读取、信息记录、包装错误、印刷错误、产品与设计不符等可进行在线自动检测[1]。

产品尺寸在线精确测量功能是对各种几何尺寸的测量，如长度、平行线、角度、圆度、不规则图形、各种面积、装配尺寸错误、装配位置错误、尺寸及位置与设计图是否相符等可进行在线精确测量。

3.3.4 工业视觉检测系统在车辆检修检测中的应用

3.3.4.1车体底架检修

工业视觉检测系统能够满足不同车辆车体(底架)检修及整车落成的需要，实现对车体(含罐体)的自动检测，整车落成限度的自动检测、判断、预警。

3.3.4.2转向架检修

工业视觉检测系统能够满足各型车辆转向架的检修工艺要求，并预留对未来新型转向架检测的扩展空间，实现对转向架组成配件的自动(或半自动)分解及主要配件(摇枕、侧架、交叉杆、承载鞍、斜楔、枕簧、下旁承、制动梁)的自动检测、预警、判断、标识。

3.3.4.3车钩缓冲装置检修

工业视觉检测系统可实现对成套钩缓装置的自动(或半自动)分解及主要配件(缓冲器、车钩、钩舌、钩尾框)的自动检测、判断、标识。对主要附属配件(钩锁铁、钩舌推铁、钩锁销及锁销杆、从板、钩圆销、钩尾销、钩尾销组装螺栓、弹性支承装置)进行自动检测 。

3.3.4.4空气制动配件检修

工业视觉检测系统能够满足各型制动阀及空重车阀(调整阀、传感阀)、制动软管、折角塞门、安全阀、缓解阀、脱轨自动制动阀检修及试验工艺要求。实现对配件进行分拣、检测、存储、标识、智能判别。实现检测工位数据联网、HMIS自动传输，以高科技手段改善作业条件，减轻劳动强度，提高劳动效率。

3.3.4.5轮轴检修

工业视觉检测系统可实现轮对自动检测，轴颈、防尘板座自动检测，车轴自动检测，轮饼自动检测，轴承自动检测。同时满足现有铁路用车型轮对的装车选配需求，可根据车型、车号、转向架型号等信息按最优化原则选配轮对，并记录装车日期、轴位等信息，生成相关记录。

3.4 数据的处理及应用

设备互联互通产生的大数据的有效分析处理，是智能化生产的核心问题。检修质量控制贯穿车辆检修全过程，对检修全过程产生的数据进行收集、比对、分析，运用数据分析结果辅助对检修过程质量的控制。

3.4.1 质量控制平台

建立质量控制平台，在平台中设置各生产设备运行的告警阈值，系统根据阈值对非法运转、非法移动、故障停机、电压异常、温度异常的设备，实时进行提示告警。

根据国铁集团发布的各项检修规程，质量控制平台应为每台生产设备设置加工零部件的阈值，阈值的设定根据零部件的型号、材质以及修程来确定。对于尺寸超标的零部件，质量控制平台会提示告警信息。

零部件组装时，质量控制平台自动检查待组装零部件的型号、材质、尺寸等关键数据是否符合组装要求，如果不符合，质量控制平台提示告警信息。

设置各设备的保养周期，系统对于到期或过期未按要求保养的设备进行相关的告警提示，并将待保养设备信息推送给设备维护负责人。

3.4.2 大数据分析平台

构建车辆段级基础数据、生产过程数据、成本数据等数据仓库后，更重要的是发挥数据分析对生产决策的辅助作用。物联网建设平台引入统计分析工具，在对生产业务深入理解的基础上进行数据分析，为各级决策者和管理部门提供适合的货车检修管理数据。系统可实现灵活的自助服务设计，减少在组织中共享信息的成本和时间。同时，实现信息的广泛访问，满足车辆段决策制定者的需要。

4 应用预期

建立统一的物联网协议和数据仓库，实现设备、配件、数据应用分析系统与作业岗位之间的信息互联互通，对检修信息进行采集和存储，并实现与HMIS系统的信息共享，可为车辆检修的生产、质量管理提供即时、准确的依据，满足车辆检修的智能化要求。工业视觉检测系统是车辆检测设备的发展趋势，制定参考标准，结合未来的更新换代，实现配件检修的自动检测、判别、智能辅助制定检修处置方案，在车辆检修中将被逐步推广。采用智能化设备代替原有人工搬运作业，可降低检修生产环节的劳动强度，提高生产效率。采用物联网实现数据共享及自动数据采集，可减少书面记录和键盘录入可能带来的人为因素干扰。总之，通过构建统一的工业物联网以及工业视觉检测系统、大数据分析结果在车辆检修检测中的应用，有助于实现车辆检测向智能化生产方向迈进。