实施ETC产品数字化车间构建与应用

唐全军

（北京万集科技股份有限公司，北京 100085）

1 引言

为了响应国家“取消全国高速公路省界收费站”的目标，落实国务院办公厅印发《深化收费公路制度改革取消高速公路省界收费站的实施方案》，进一步深化收费公路制度的改革，加快取消全国高速公路省界收费站，实现不停车快捷收费；公司研发全自动电子收费系统，它是针对高速公路收费繁忙的解决方法，实行全国联网、银行自动结算、快速通过。在不停车收费系统(Electronic Toll Collection，ETC)中，车载电子标签(One Board Unit，OBU)采用专业短程通信(Dedicated Short Range Communication，DSRC)技术，建立与路测单元（Road Side Unit，RSU）之间微波通信链路，在车辆行进途中，在不停车的情况下，实现车辆身份识别进行电子扣费，实现不停车、免取卡，建立无人值守车辆通道；为了保障车辆行驶通畅，交易信息快速流畅，让通行人员感知行之便利，需要不断提升ETC系统产品质量，系统全面地掌握OBU与RSU微波通信过程的链接，必要的生产过程质量把控是重中之重，解决生产过程质量的关键核心点需要构建自动化和数字化的生产监控管理手段，全面实施全过程质量管控工艺流程。

结合《中国制造2025》的战略目标，科学推动信息技术与制造技术深度融合，同时结合企业自身的实际状况和需求特点，启动了车载电子标签产品数字化生产构建及应用方案建设，意在将原本离散制造的整个生命周期过程进行数字化、自动化、网络化和智能化的升级，从设备层、控制层、执行层、计划层和决策层五个层面进行系统研究，开发出一整套系统解决方案。通过方案的实施，确立在智能交通行业的领先地位，打造智能交通行业的标杆企业，响应国家及交通部号召，提供优质的生产产品，助力交通行业快速发展。

2 研究与方法

实现产品制造过程的自动化、数字化、智能化车间构建，需要实现转化的智能升级的总体目标是透明管理、追根溯源、把握变化、快速执行、提升品质及形象，具体包括。

1）生产以及物流环节实现透明化管理，通过可视化看板和管理报表及时、准时、实时把握生产进度和关键绩效指标，消除信息孤岛。

2）以条形码或二维码追踪产品和物料，收集完整资料，实现物料的溯源性。

3）理顺物料流程，实现物料自主捡料或送料，缩短产品交付周期。

4）实现物料寿命管理，减少库存呆滞。

5）实现设备工装精细化管理，及时提醒保养维护或校准，提高设备使用效率，减少故障时间。

6）处理产品预测，及时进行资源匹配和齐套性分析，快速完成工单下达，优化排产效果。

7）及时反映品质问题，对不良品进行追踪，确认改善效果，提高产品品质。

8）采用精益管理思维，达到省人化和少人化生产。

9）打通设备层、控制层和执行层的数据，实现设备互联互通，并智能管控生产过程。

方案目标示意图如图1所示。

图1 方案目标示意图

一种电子标签数字化生产方案分为信息化和自动化两个部分。信息化包含ERP系统、PLM系统、MES、WMS和OA系统，上线的信息化软件需要结合企业自身需求，同时实现深度定制开发。自动化主要构建产品所需的设备自动化实时对接工作与核心自动化设备自主开发，结合实际需求，自动集成设备业务板块，最终实现自动化与信息化的无缝对接工作。

3 数字化车间构建架构

数字化生产车间架构参照ISA-95和IECISO 62264标准进行架设，通过分析划分为5层：第1层为设备层，包括各类生产加工设备（如贴片机、印刷机、焊接机器人）、检测设备（如AOI、SPI、综合测试站、三坐标检测仪）、辅助设备（如智能货架、钢网清洗机）和追溯设备（如镭雕机、条码打印机、码枪）等；第2层为控制层，包括可编程逻辑控制器(PLC)、数据采集与监视控制系统(SCADA)、工业无线控制系统(WIA)，以及各类传感器、语音播报等；第3层为执行层，包括制造执行系统（MES）、仓储管理系统（WMS）、计划排程系统（APS）、质量管理系统（QMS）四个模块；第4层为计划层包含ERP系统、PLM系统、CRM系统、SCM系统等；第5层是决策层，主要是智能报表BI部分。

方案的基础工作是第1层设备层和第2层控制层，充分研讨设备的自动化和智能化，重点工作是第3层执行层，通过MES的运行，打通第4层计划运营层的必要数据，并与设备层进行实时的数据交换，最终形成第5层的智能报表。

方案在制定业务蓝图时充分考虑了整个生产制造的全过程，包含从原材料收货、仓储，到计划排程、加工制造、过程检验，再到销售发货的全部过程，通过计算机技术、数据识别技术，将业务流程与人员作业进行有效互动，并提供一系列独特的管理方式和管理工具，精确库存管理、提高生产效率、提高产品品质、缩短生产周期、降低制造成本、全面防错防呆，实现全面科学的可追溯管理。

从数据交互的角度，该方案考虑数据接口的多样性和扩展性，满足不同设备、不同系统数据互通的需求，包括但不限于 jms、jdbc、tcp、udp、multicast、http、servlet、smtp、pop3、file、ftp、xmpp 和 Web Service 等，同时企业为了满足多系统多业务多数据的数据挖掘、数量分析、数量利用的场景需要搭建适合自己的企业级数据中台，逐步规划接口协议，便于后期高效管理。数字化车间数据中台链接如图2所示。

图2 数字化车间数据中台链接

方案执行层的软件采用基于RESTful风格的面向服务（SOA）的架构，根据业务场景，又分为Client/Server模式和Browser/Server两种模式，C/S面向相对固定的用户群，更加注重流程，可以对权限多层次校验，对信息安全的控制能力很强，而通过B/S可以发布部分可公开的信息。执行层软件架构B/S部分如图3所示。

图3 执行层软件架构 B/S部分

4 数字化车间构建实施与应用

4.1 过程追溯方案及应用

过程追溯的信息载体是二维码，通过物料的RID追溯物料的批次信息、供应商信息等，通过产品的PPID追溯产品的工艺路线、加工设备、工艺参数、作业人员和物料消耗等信息，通过箱ID或者栈板ID追溯产品的包装和移动信息。同时系统设置正向追溯和反向追溯两种模式，可以按产品SN正向追溯所使用的物料，制造工序，负责人员，使用设备及过程数据，也可以按物料ID反向追溯供应商、来料批次、投入订单和成品SN等信息。过程追溯方案如图4所示。

图4 过程追溯方案

4.2 设备联机方案及应用

以IMS为核心，通过各种接口协议实现数据采集，并进行分析运算，实时反映设备的工作状态和监控指标。设备联机方案如图5所示。

图5 设备联机方案

4.3 ERP系统&生产管理系统对接方案及应用

ERP系统对接以IMS功能为基础出发点，以Web Service的接口方式，对物料管理的15个接口、产品管理的14个接口和销售管理的6个接口进行定制开发，使2个系统的协同作业更为高效。

生产管理系统是基于产品测试过程追溯需求而开发的一套信息化系统，在关键信息采集点与IMS进行接口对接，接口协议为主流通用的Web Service接口。

4.4 网络架设方案及应用

网络架设遵循可靠性、安全性、可扩展性的要求，从系统结构、技术措施、设备性能、系统管理确保系统运行的可靠性和稳定性，达到最大的平均无故障时间。在系统设计时，既考虑信息资源的充分共享，更注意信息的保护和隔离，建立系统安全机制、数据存取的权限控制等。创建私有云，并对不同的网络应用进行了物理隔离，保证网络数据的安全高效。

4.5 计划排程管理方案及应用

根据销售预测，SAP系统（ERP）会进行MRP分析并自动生成物料需求，对于自制产品，则转化为生成订单。订单创建成功后，会同步到IMS，IMS再根据产品的BOM，自动拆为到相应的工艺段工单，例如SMT段、THT段。工单下达前可以进行齐套分析，分析出来的缺料会自动标记加急，从到货到发料的过程都会优先处理。最后通过甘特图或者其他图表的方式展现实时的生产状况。

4.6 质量管理方案及应用

质量管理贯穿产品制造全过程，包含来料检验、过程巡检、成品检验、发货检验等。IQC抽样执行MILSTD-105E、GB/T 2828.1标准，用户能够自定义AQL接收准则，同时自动生成检验报告。

通过质量红灯管理，实现对不合格物料的及时锁定，例如同批次物料的库存、使用不良物料的在制品、使用不良物料的成品，都可以通过系统自动识别并加以管控。

安灯系统按实现的功能划分为操作安灯、质量安灯、物料安灯和电子看板安灯，通过自动触发或者手动触发的方式，对生产过程中的突发问题进行预警处置和信息采集，用户能够自定义接收报警群体，采用逐层预警的机制，自动进行事态升级，保证异常能及时得到响应，通过车间工位看板，能清晰了解所有工位的生产状况。安灯管理系统如图6所示。

图6 安灯管理系统

4.7 仓储管理方案及应用

IMS科学管理物料的保质期和库龄，精确管控先入先出，并对呆滞料进行预警，借助智能货架，实现物料自动推荐，人工智能拣选，系统自动扣账。

对于湿敏元器件，IMS自动记录开封暴露时间，并根据IPC-J-STD-033标准对MSD器件的要求，进行暴露和烘烤时间管理。

4.8 员工管理方案及应用

员工上岗前需要对其资质进行校验，不具备上岗资质则无法上岗，但可以启动老带新模式，并为上岗的员工统计累计上岗时间，当达到一定熟练度后，能够提示并申请考核，为员工技能等级评价提供可量化的指标。

5 数字化车间构建实践效果

5.1 仓储管理上线效果

通过标签管理，将物料的账务和实物由分别管理升级为合并管理，使用PDA扫描物料的RID后，IMS自动进行记账并交易给SAP系统，取消了物料账卡和手工记账的工作，减少了出错机会，账物相符率由上线前的91%提升到了99.6%。

细化了储位管理，货物与储位进行了绑定，既可以通过物料查找储位，也可以通过储位查找物料，应用灵活。同时，导入了智能电子货架，物料智能推荐和灯光导引，提高物料拣选效率，通过核算，项目上线后电子料存储的空间利用率提升100%，备料效率提升50%以上。

备料方式由传统的整工单备料方式调整为“首套料备料+低位预警备料”的方式，首套料备料完成后，根据生产实际情况自动推算2 h的物料需求并进行低位预警，库管员按照预警信息进行补料操作，以此来减少大量的在制品库存，并节约了管理成本和线边库的面积，以SMT产线为例，取消了200 m的线边库，降幅为8.3%。同时IMS对于整盘发料自动结算，节省了库管员手工统计的工作。

5.2 计划排程上线效果

OBU产品存在客户定制化的内容，定制信息从客户到销售，销售到运营，运营到计划，计划到生产，层层传递容易遗漏和误传，导致给客户提供错误的产品。本次项目梳理了各个客户的需求差异并录入IMS，然后将SAP系统和IMS进行信息融合，在销售合同签订后，IMS自动从SAP系统捕捉客户信息，识别客户的定制化要求，例如程序版本、SN号规则等，并能够自动调整工艺路线和工艺参数，实时进行防错验证，及时准确地完成产品的加工制造。

5.3 溯管理带来的效果

通过一种电子标签的产品数字化车间的建设，将原本单个的信息孤岛串联成一个完整的信息流，实现了一种电子标签产品的全流程追溯，通过一个SN号，可以追溯产品生产的工艺信息、设备信息、人员信息、物料信息，当发生客户投诉问题时，可以锁定问题批次，避免因全面返工导致的成本损失。

同时售后服务也由被动式服务进化到主动式服务，客户服务满意度显著提升。

6 结束语

一种电子标签（OBU）产品数字化生产已稳定运行，项目实现了前期制定的目标计划，即透明管理、追根溯源、把握变化、快速执行、提升品质，为构建多元化、柔性化、自动化的生产线，保有最高弹性的制造环境和变革创新（心）力提供了有力保障；同时我们将持续完善精益管理体系，立足精益6S理念和VSM价值流分析，为提升生产效率，监控制造成本，打造透明化的数字化工厂奠定了有力基石；从而为构建智能化的数字工厂不断赋能，持续不断地在业务流程进行梳理、诊断、优化，打造落地信息化系统解决方案，能够更好地将企业财务、生产、销售、采购、库存有序整合在一起，最终实现产供销完美协同。全面推广自动化及数字化管理工作实施TQM理念，以自动化和数字化为核心提升全员质量意识，一切为用户着想、一切以预防为主、一切用数据说话、一切按PDCA循环。为交通行业持续提供优质的生产产品而贡献最大力量。