机械装备全生命周期服务信息模型的构建与应用

曹则新，张吉军，杨国祥，徐晓龙，蔡慕尧

（常德烟草机械有限责任公司，湖南常德 415000）

0 引言

信息技术的飞速发展，使得制造业与服务业融合的特征愈发明显。范德莫（Vandermerwe）和瑞达（Rada）给出的制造业服务化定义是：现代制造业企业由单纯提供有形产品转变为提供以顾客为主的更加完整的“产品包（Bundles）”。这个产品包由有形的装备产品、制造厂商的服务支持、用户自主服务和装备知识等组成。国外制造服务业发展较成熟，以装备制造业为例，发达国家呈现两个70%的现象，即制造业占GDP 比重为70%，而制造服务再占其中的70%。我国在市场化改革和供给侧改革双重驱动下，服务化的步伐加快。但受传统上我国装备制造企业存在重设计、轻服务、重生产、轻市场的影响，制造业服务化存在的问题主要在于：一是服务化转型发展的观念欠缺、意识不强，顶层设计不足；二是装备的数字化率和信息共享水平不高，制约了服务化的发展。针对这种普遍不足，本文以复杂装备为研究对象，面向装备的全生命周期过程提出信息模型的框架，并重点研究了服务模型的生成方法及服务化应用，以期解决装备制造企业普遍存在的设计、生产信息较为完整而孤岛现象严重、服务信息化不足的局面。

1 现代机械装备的特点及全生命周期的服务化需求

机械装备全生命周期概念指从装备的设计构思开始，以时间为轴贯穿产品设计、生产制造、发运调试、使用维护、报废回收或再制造的连续过程。作为智能制造的基础设施，现代机械装备的特点如下：

（1）复杂性增加。当前装备是“机、电、气、液”一体化的复杂特征，正在朝着大型化、高速化、精密化、自动化、数字化的方向发展。装备广泛应用了新材料、绿色节能、互联网、人工智能等技术。

（2）个性化要求增加。大型装备生产很多属于ETC 模式，需要按客户的具体要求定制。而且装备制造商为适应个性化要求推出了大量的选配件，装备的个性化特征显著。

（3）操作人员经验普遍缺乏。由于装备的复杂性、个性化特征，装备维护人员、操作人员对装备的了解就需要投入大量的时间及精力，因此掌握程度就不充分。装备复杂性与维护、操作人员水平之间的不匹配，是当前设备管理领域的主要矛盾之一。

（4）停机损失大。由于高速化和高度自动化，机械设备在生产系统中担任重要工序或加工装备，装备出现故障或停机，对产能、质量的影响显著，甚至有可能对安全和环保带来负面影响。

机械装备的全生命周期服务化的主要需求体现在以下3 个方面。

（1）互联网+模式。互联网技术的重大影响是促进了装备服务信息的流动的效率。通过互联网平台，在装备实物还没有出厂时，信息服务就可以开展，包括装备样机、安装指导、操作培训等。

（2）精准服务模式。由于装备的复杂性特点，装备生产基本上采用定制化模式，因此服务信息的“一机一档”和“精准服务模式”很有必要。

（3）知识积累与共享模式。服务信息会随着装备出厂而共享到下游使用者，但装备出厂只是全生命周期的一个节点，服务信息需要在使用维护中不断地积累、完善。更为重要的是利用共享模式，采用互联网+方式共享同类型多个装备的使用维护经验，用于不断完善单个装备的服务信息，对装备的应用效率和管理水平提升很有必要。

2 机械装备全生命周期信息模型框架

现代机械装备是一个由供应链多企业协作完成的复杂产品，即使在一个企业内部也是多部门、多工序、多车间协同的产物。从装备角度看，装备本身则通过不同物料、数据、人力等生产资源在不同时间、空间和技术条件下的相互作用而生成。因此，为了支持相互协作与集成的需要，对装备完整的信息化模型提出了迫切的需求。机械装备生命周期信息模型可以定义为：以计算机技术和信息理论为基础，以数据结构和模式来描述机械装备在概念设计、产品开发、工艺设计、生产制造、检验检验、安装调试、使用维护到报废处置的全生命周期涉及的装备本体、业务活动、相关资源以及之间相互联系的一种信息模型。由于机械装备的全生命周期涉及面广、信息交互繁杂，不可能采用单一的模型来完整描述整个过程，因此必须采用一组分阶段的模型。

从机械装备的特点和装备生产企业的视角，将装备的全生命周期定义为：样机论证、产品设计、加工制造、安装调试和服务支撑共5 个阶段，为此可以分别建立5 个阶段的模型。同时，在阶段模型中设置4 个层次的相关的要素，包括概念要素、信息要素、应用服务要素、组织要素，给出机械装备全生命周期信息模型的框架如图1 所示。

图1 装备全生命周期模型框架

信息要素是装备全生命周期建模和管理的核心。基于信息的多样性和专业的分工，信息要素必须按多种格式存储及管理。但需要借助概念模型用于指导信息要素的统一管理。概念模型在装备不同生命周期有不同的关注点，即分别侧重于装备信息模型的某个侧面。随着时间维度不断推移，阶段概念模型可进行细化、转移，最终形成整个装备全生命周期根模型。从信息化角度来看，概念模型与数据要素之间建立映射关系，即抽象模型数据与物理数据之间的映射，为元模型。全生命周期模型建立的目标是实现装备在不同阶段信息的互通、共享，因此必须实现多种形式的信息共享接口、集成标准，支持应用服务要素对不同阶段信息要素的获取。而应用服务要素支持不同业务功能的管理与作业，包括装备生产计划制定、产品营销、售后服务管理等。通过人机接口实现装备全生命周期各个阶段的相关组织、不同角色对信息数据的获取、处理、决策需要。

3 机械装备服务信息模型及生成过程

机械装备全生命周期不同阶段模型的构成及信息侧重点也不同，且沿时间维度各个阶段的模型可以相互转化。在装备制造企业服务化转型的当下，机械装备服务支持阶段模型的建立与应用是装备制造商的重中之重，也是传统企业容易忽视的地方。装备服务可以细分为3 个子阶段，即交付前服务、运行维护和回收处理。机械装备的服务模型包括5 个重要的信息域：安装调试信息域、装备档案信息域、运行维护信息域、回收处理信息域和客户对象信息域。

（1）装备安装调试信息域。主要包括装备运输信息、装备安装信息、装备调试信息、装备试车信息、装备交验信息等，以及用户验收意见和相应的技术手册。

（2）装备档案信息域。主要包括装备的设计资料、制造过程资料、物料清单、备件清单、技术手册等，以及由装备商提供的维修服务包的内容，包括故障树、维修大纲、维修知识库等。

（3）装备运行维护信息域。主要包括装备运行数据、报警记录、故障记录、维修记录、备件服务记录等。

（4）装备回收处理信息域。朱啊哟包括处置办法、报废流程、分拆要求和材料处理要求等。

（5）客户对象信息域。主要包括客户信息、销售合同、操作人员信息和技能认证信息等。

服务化模型是由前期设计阶段模型、生产制造模型逐步转化而来的，因此其构建过程的关键是在统一信息模型基础之上打通设计、生产、装配过程与装备服务之间的数据链路。一是建立以装备服务BOM（Bill Of Material，物料清单）为核心的一机一档。设备定型后，设计数据可发布到服务化信息，而生产过程的工艺、装配信息可以按需发布到服务模型。面向服务目录的需要，基于装备服务BOM 结构，可以进一步集成相关的图册、手册和文档等非结构化信息。二是支撑由改单驱动的装备服务信息更新机制，实现版本管理。三是具备标准接口实现与装备销售、运维服务等应用的集成。四是由静态信息模型和动态信息模型两部分构成。静态信息模型主要由制造商提供的设备投产前的信息的管理，而动态信息模型是指设备投用后的状态、运维信息的管理。

4 试验验证项目

以烟草行业新一代智能化装备的服务化转型为验证项目。常德烟机是行业指定的烟草专卖装备的制造商、经销商。但烟机行业受计划专控的影响，一段时期存在重生产轻服务的经营观。随着全球经济一体化带来的国外同行竞争加剧，和供给侧改革带来装备销量下降的双重压力，以及下游客户快速推进智能工厂为抓手的数字化转型的需求的不断上升，迫切需要烟机制造企业提供烟机装备的全生命周期支持与服务，并着重补足服务化不足的短板。烟机制造企业利用对烟机装备熟悉的优势，以及汇聚了装备全生命周期中前4 个阶段信息的优势，以数据驱动业务变革，将企业业务由单纯的装备制造延伸到装备后服务，努力实现装备价值的提升和企业服务化转型。

在服务信息模型的构建中，项目依托烟机设计过程中的三维模型数据（由Core3.0 设计，通过Windchill 平台管理），经过脱敏和轻量化处理，开发发布接口，建立服务化BOM 及装备结构，并在此基础上完善交互式技术手册、备件清单、运维策略、专家经验库、爆炸图等，以机型为管理基线，并按出厂设备一对一构造“一机一档”的模型，随设备出厂进行发布。在信息模型的管理上，针对性开发了“云、管、端”一体的服务管理平台，支撑模型信息从烟机制造商通过网络向下游卷烟厂的流动，并保证模型信息的安全访问。同时，有关设备使用过程中，信息通过服务管理平台从卷烟厂向上流动到烟机制造企业，实现烟机装备服务包的优化与定制。

5 结语

当前机械装备行业设计的数字化率较高，其中三维化率也在逐步提高，但设计阶段的信息在生产、装配、服务等装备全生命周期环节并没有得到全面应用及价值发挥。装备出厂后服务化信息，包括“一机一档”没有实现同步生成。而下游企业基于数字化转型需要，二次开发和整理一些信息用于培训、维修的数字孪生可视化应用，但通常存在工作量大、精度不高、与实际装备不符、维护成本高等不良因素。本文从装备制造企业视角，针对服务化转型过程中装备信息模型的构建进行研究，并对服务信息模型的设计、集成及应用的开发进行试点，并将研究结果应用于烟机制造企业的服务装备包中，通过信息共享及支撑装备售后服务，取得了较好的效果。在后续的研究中，将扩大数据集成范围和共享水平，涵盖装备销售、生产、装配、处置等环节，以及进一步回馈装备设计优化的全过程，实现装备全生命周期信息模型“一处设计、过程集成、处处利用”的目标。