基于NBIOT的汽车模具全生命周期管理研究

王殿军，李军令，孙甲男

（大众汽车有限公司，吉林 长春 130013）

1 前言

模具素有工业之母之称，是点铁成金的工业印钞机。模具在世界各国经济发展中具有重要地位，是衡量一个国家制造业水平的重要标志之一。同时，模具属于昂贵的公司资产，又影响着产品的交付，因此，模具的管理十分重要。

对于汽车制造业来讲，汽车零件的质量七分靠模具，三分靠工艺。而汽车模具的质量七分靠管理，三分靠制造。因此，为有效提升汽车零件质量，汽车模具全生命周期管理是供应链升级的关键保障。而对汽车生产企业来说，由于汽车模具数量庞大、种类繁多，传统的管理方法缺乏针对模具的有效管理手段，只能采用效率低下、信息精准性差、管理成本高的人海战术。考虑到传统模具管理手段对模具盘点数据、模具实际位置、生产状况、闲置情况、是否损坏丢失和模具状态等无法清晰了解。因此，利用智能化的手段进行模具管理已是生产企业的迫切需求。针对这一现状，本文提出了一种基于NBIOT的汽车模具全生命周期管理方案。

2 研究现状

2.1 传统模式

如图1所示，传统汽车模具全生命周期管理方案采用表格监控模具状态。这种方式有明显的弊端，主要体现在传输节点多、数据有效性差、无法实现关键数据的有效监控，以及模具位置、寿命、产能、状态等重要数据完全靠手工传递，工作浮于形式等。

图1 传统汽车模具全生命周期管理方案

2.2 问题分析

针对传统汽车模具全生命周期管理方案的特点，模具行业普遍存在以下三大痛点：（1）人力成本高、人工误差无法避免。采用人工记录方式进行模具管理，人力成本高，效率低。人工定期手写记录模具工期，不可避免地存在人工误差。抄表记录合模次数，机械计数器故障后难以准确统计模具使用寿命。（2）生产决策缺乏科学依据。统计数据不准确，难以确定模具保养周期，造成模具故障率高，使用寿命折损，产线生产效率和产品质量也受到影响。（3）模具利用率低。生产制造企业面向单一需求个性化定制模具，一方面，在使用后模具闲置；另一方面，存在重复开模的情况，造成资产浪费，增加生产成本。

总的来说，传统模具管理手工化，模具状态变化依靠手工跟踪，准确性差，时效低，无风险管理和重点监控。因此，基于NBIOT技术，本文将提出一种智能的方案对汽车模具进行管理。

3 NBIOT技术

NBIOT（Narrow Band Internet of Things）技 术，即窄带物联网，是一种专为万物互联打造的蜂窝网络连接技术。NBIOT具有占用带宽窄的特点，只需约180kHZ，并使用License频段，可采取带内、保护带或独立载波三种部署方式，与现有网络共存，并且能够直接部署在GSM、UMTS或LTE网络，即2/3/4G网络上，实现现有网络的复用，降低部署成本，实现平滑升级。

移动网络作为全球覆盖范围最大的网络，其接入能力可谓得天独厚，因此，相较WIFI、蓝牙、ZIGBEE等无线连接方式，基于蜂窝网络的NBIOT连接技术的前景更加被看好，已经逐渐作为开启万物互联时代的钥匙，而被商用到物联网行业中。图2所示，为NBIOT技术，与图3的原有无线方案相比，具有以下所示的优势：（1）广覆盖。相比现有的GSM、宽带LTE等网络覆盖增强了20dB，信号的传输覆盖范围更大（GSM基站目前理想状况下能覆盖35km）。（2）大连接。相比现有无线技术，同一基站下增多了50～100倍的接入数，每个小区可以达到50K连接，真是实现万物互联所必须的海量连接。（3）低功耗。终端在99%的时间内均处在休眠态，并集成多种节电技术，待机时间可达10年。（4）低成本。硬件可剪裁，软件按需简化，确保了NBIOT的成本低廉。NBIOT通信单模块成本不足5美元。

此外，NBIOT因其适用的场景，还具有低速率和低移动性的特点：（1）低速率。多点上行速率仅为56kbps，理想下行速率为21.25kbps。（2）低移动性。仅支持终端设备在30km/h的移动速率下实现小区切换，远低于4G支持250km/h的速率（高铁专网可达450km/h）。

图2 NIBOT方案

图3 原有无线方案

4 基于NBIOT的汽车模具全生命周期管理研究

考虑到NBIOT技术的优点，现提出一种基于NBIOT的汽车模具全生命周期管理方案。如图4所示，基于NBIOT的汽车模具全生命周期管理方案具有以下优势。

图4 基于NBIOT的汽车模具全生命周期管理方案

（1）端云直连。采用NBIOT蜂窝网络部署较原有无线方案优势明显，实现了终端——云平台的直接连接，无需再配套安装路由器、光纤猫等设备，无需建基站，大大降低了成本。可随时随地上报数据，突破厂区、园区等地限制。（2）超强续航。采用低功耗芯片结合低功耗NBIOT模组的方案，待机功率仅为50ua，在满足基本应用场景的前提下，最大限度地节省电能损耗，仅使用锂电池即可达到6年以上的使用寿命，节省大量安装、维护成本。（3）精确计数。计数方式采用磁感技术，比物理开关更加敏感、快速，寿命更长。

4.1 工具及环境

开发环境为JDK1.8。版本管理工具为Git。后端开发IDE为IntelliJ IDEA。后端开发架构为dubbo。前端开发技术为vue。前端开发IDE为Visual Studio Code。

4.2 关键技术

（1）采用MySQL集群、MongoDB集群、RabbitMQ集群技术，实现模具物联大数据处理高可靠性、海量存储、高稳定性等功能，使得平台故障恢复时间小于30分钟、无限扩容和年平均无故障时间大于99%。（2）采用ETL数据清理、转换、集成技术，实现大数据预处理、转换，提高业务数据40%的处理效率。（3）采用Hive/Hadoop集群技术，实现大数据集群计算和处理。（4）采用BI商业智能可视化技术，实现大数据可视化、决策、分析，支持多屏互动、在线设计并展示、大数据建模等。（5）采用机器学习算法，支持线性回归、逻辑回归、聚类等常用机器学习算法等核心技术，实现标准算法的无缝对接和算法无限扩容。

4.3 平台架构

基于云平台的3层架构，COSMOPlat模具物联大数据管理平台系统主要包括应用层（SaaS）、平台层（PaaS）和IaaS层等系统模块，具体如下图所示：（1）IaaS层：云基础设施层，对服务器、存储、网络进行虚拟化，向PaaS层提供数据存储、计算服务、负载管理、备份等虚拟软件服务。（2）PaaS（平台）层：主要分为基础服务组件和业务中间件两部分。诸如MySQL、Redis、MongoDB、RabbitMQ基础服务组件主要为应用层提供大数据基础服务。业务中间件主要包括应用开发组件、工业微服务组件库、数据建模和分析、大数据处理等中间件。（3）SaaS（应用）层：主要分为模具物联、增值服务、资源生态三大部分的业务应用。其中，模具物联具备资产管理、提质增效、资产体验、资产分析和可视化等核心功能；增值服务具备模具设计、模具制造、资源再生、模具维保等核心功能。资源生态具备资源超市、设备共享、产学研、合作伙伴等核心功能。

图5 平台构架

5 结语

生命周期管理对汽车模具制造业而言是一种非常灵活高效的管理模式。随着汽车产业市场竞争越来越激烈，要求配套的汽车模具工厂必须做出快速反应和应对策略，而传统的模具生命周期管理方法效率低下、信息精准性差、管理成本高。因此，采用提出的基于NBIOT的信息化汽车模具生命周期管理方案将有效地提高信息传输精度、降低操作成本。有利于项目部之间的信息交流和协同作业，能够显著提高企业的运行效率和经济效益，使企业在瞬息万变的市场中具有持续的竞争力。