一种轨道交通装备制造企业运行一体化新模式研究

聂子临，蔡卫华，王海丹，姜 江，陈 佑

（1.北京机械工业自动化研究所有限公司，北京 100120；2.中车唐山机车车辆有限公司，唐山 064000；3.河南科技大学管理学院，洛阳 471000）

0 引言

近年来，随着大数据感知、传输和存储技术的发展，海量的轨道交通装备设计、生产和运维服务过程数据得到有效采集。在此背景下，产品定义已经从基于图纸的方式向MBD（Model Based Definition，基于模型的定义）转变，主机企业与供应商、客户以及其他协作企业从一般采购销售协作向在产品设计、零部件供应、运行维护、检修/维修等方面高效、精准协同转变，而产品维修方式也从传统的事后修、预防修逐渐向数据驱动的状态修、主动修的方式转变。将分散在不同区域的现有生产设备资源、智力资源和各种核心能力，按照资源优势互补的原则，快速组合成网络联盟企业，快速推出高品质、低成本的新产品[1]。亟需结合轨道交通装备行业业务协作与服务决策优化的需求，研究一种轨道交通装备制造企业运行一体化新模式。

本文结合轨道交通装备行业业务协作与服务决策优化的需求，研究基于“模型驱动的设计-制造-运维一体化”主导的定制生产运行一体化新模式，以促进业务的异地高效协同与联动，最终为推动轨道交通装备行业转型升级提供模式支撑。

1 轨道交通装备制造现状分析

目前，轨道交通行业数字化生产现场的工艺规划、设计技术应用方面还处于探索阶段，虽然相关研究人员做了一些仿真验证系统的初步尝试，但是缺乏成熟的虚拟验证手段，难以实现虚拟样机与现实生产的有效融合；我国制造过程仿真、产线仿真等技术仍然处于起步阶段，未能实现工程化应用，生产现场仍然沿用传统的装配方式和手段[2]，主要突出如下问题：

1）传统工艺设计易导致装配错误

在传统的二维工艺设计中，工艺设计者将脑海中的三维装配空间和装配顺序抽象出来，最终以二维图形或文字的形式表现出来[3]。二维工艺描述导致工艺设计过程中的详细设计淡化[4]，不能充分利用上游产品设计CAD模型数据，难以实现工艺设计的继承、标准化、规范化和优化[5]。传统的工艺设计一般基于二维表示[6]缺乏定性和定量的分析方法，计划的优劣取决于个人经验，工艺设计水平因人而异，工艺设计变更和优化周期长，制造准备周期难以压缩[7]。工艺设计环境不具备对三维工艺进行验证的能力，易导致装配存在干扰、装配顺序不合理、工艺设备无法满足需要、不符合要求等一系列问题[8]，这往往成为产品研制进度和质量的主要影响因素。而且不同的装配人员对装配顺序和装配要求很容易导致理解上的差异，从而导致装配错误。

2）信息孤岛问题易导致运维困难

企业业务流程中的数据多是静态、分散而且不完整的，信息系统发展不均衡，信息孤岛问题存在于企业不同的业务环节，如：设计研发、工艺、制造、运维等，前期独立发展的信息系统又会成为一个个独立运转的领地。早期的信息系统集成一般通过中间表或者Web Service的方式实现，随着信息系统数量和数据交互需求的增加，使得后期的数据整合难度和维护难度逐渐增大。

2 运行一体化新模式

设备研发与制造一体化管理涉及设备管理主体、管理对象、管理资源、管理制度、管理模式等诸多因素，涵盖设备全生命周期管理的全过程[9]。为了解决以上现状问题，本文提出一种基于“模型驱动的设计-制造-运维一体化”主导的定制生产运行一体化新模式，如图1所示。该新模式采用MBD技术对轨道交通装备研发设计、生产制造、运维服务过程中的工艺指标、工艺参数、生产规划、运维计划等信息进行数字化定义,对轨道交通装备企业运行数据实时采集与传输、一体化集成与管理，以实现设计-制造-运维过程数据的互联互通、设计-制造-运维业务活动的互操作与协同联动，打通全制造流程与全生命周期的数据通道，促进从需求管理、研发设计、制造运营到运维服务等企业内部的多业务协同，实现需求及变更快速响应的网络协同制造新模式，包含数字化设计、数字化制造、数字化运维三个方面。

图1 基于客户需求、模型驱动的运行一体化新模式

3 数字化设计

目前轨道交通装备制造企业已经在产品设计阶段推广基于模型的产品数字化定义技术，逐步采用三维数字化模型作为轨道车辆产品零件制造、部件装配的依据，取代传统的2D图案[10]。传统的二维工艺设计模式已经无法满足全三维设计的要求[11]，必须建立数字化工艺规划与仿真系统，通过三维工艺设计、仿真能力建设，实现数字化产品设计、工艺过程设计的贯通，在关键工序推广和应用基于三维数据模型的装配仿真验证，从而提升产品工艺设计数据的集成性，并实现产品工艺设计的结构化、数字化能力，有效提高产品工艺设计质量，降低产品试制阶段错误率[12]。

如图2所示，轨道交通装备要实现数字化设计需建立统一的信息化平台，将分布式、离散式和阶段式的设计模型形成集成的MBD模型，构建企业级乃至区域级的数据中心和知识库，打通“信息孤岛”。各阶段人员针对协同设计需求，多角度提出产品设计需求和改进建议，将产品全生命周期中的所有数据信息都集中在资源池中生成设计BOM。

图2 数字化设计流程

3.1 数字化装配工艺设计

在轨道交通装备制造企业实现三维工艺规划设计技术深化的基础上，达到工艺快速规划及分析手段优化；创建数字化工艺资源，包括基于仿真工序的模型、产线布局、三维工艺资源库以及集成数据处理。

3.2 数字化电气工艺设计

在轨道交通装备制造企业当前应用的电气设计软件和三维线缆软件的功能基础上，建立与研发一体的电气工艺设计系统，对工艺数据进行集中管控，提升工艺设计的数据管理能力。

3.3 总装配生产线仿真

利用工业离散过程仿真技术建立制造系统从总装到交车线的仿真模型（虚拟制造系统），在工艺设计和优化中进行生产过程的模拟仿真，达到最大限度缩短生产周期，最大限度发挥产能，以满足市场需求。

4 数字化制造

4.1 工位制节拍化生产

工位制节拍化生产，即围绕生产工位在制造过程中的业务需求，实现快速获取信息、及时下达计划、准时交付物料、实时监控、提示特殊要求、问题可及时暴露、数据可实时采集、流程可闭环管理等功能。

如图3所示，为满足工位制节拍化生产模式的业务需求，需要基于工作站系统的制造过程管理信息平台[13]与ERP（Enterprise Resource Planning，企业资源计划）、PLM（Product Lifecycle Management，产品生命周期管理）系统紧密结合来支撑，具体工作流程如下：

图3 工位制节拍化生产模式

1）整合生产工位所需的相关数据、信息，伴随生产订单（任务指令）推送到相关工位；

2）实时采集开工/完工、操作人员、加工数据等信息，记录关键部件的序列号信息，实现产品配件、质量的信息追溯；

3）完善生产异常管理，快速暴露、追踪现场异常问题；

4）针对不同层次管理人员配置相应的信息看板，使各级管理人员及时掌握生产现场状况，实现生产过程管理的可视化；

5）同时紧密结合生产过程与质量检验，同时提高质检人员的工作效率；针对部分工序的数字化检测工具、装配工具，实现数据交互，自动传递和采集数据。

4.2 同步ERP生产计划

将ERP中的三日节拍计划转化为生产订单，作为各工位的作业计划传递到制造过程管理信息平台。生产线按照工位制节拍化生产，节拍短节奏快（节拍细化到分钟）；动车按照工位生产，节拍长（节拍控制到天）；转向架包括车体大部件和组装装配工序，作业计划按工序排产，需要解决工位和工序的对应关系及下层小件的生产组织。制造过程管理信息平台要覆盖全企业制造、装配等重要工序生产过程，构建制造过程信息管理传递的基础规则和架构，承接轨道交通装备制造企业不同生产线的计划，生产计划在制造过程管理信息平台中以工单的形式体现，具体工作流程如下：

1）计划传递及分解

生产计划编制在ERP中实现，生产计划和生产订单通过接口传递到制造过程管理的基础信息平台，按照不同的岗位层次形成调度计划及工位执行计划，最终下发至班组。分厂调度员可调整分发范围及分发对象。

2）计划调整

若ERP中三日节拍计划发生调整，制造过程管理平台涉及的生产订单及生产执行计划需实现同步调整。ERP的生产计划与制造过程管理平台形成联动，制造过程管理平台中已经完工的生产订单，ERP中对应的三日节拍计划不能调整。

3）计划展示

生产计划按照试制阶段与正常生产阶段展示，并能以甘特图的形式展示，可以展示一个周期内的所有项目阶段计划。

4.3 排产及派发生产任务

当生产计划传递到制造过程管理信息平台时，其根据提前设定原则实现工单自动分解和任务的派发，形成某工位或某个机器加工中心的加工队列，可人工调整干预，并同时将返工任务和更改任务派发到具体的班组或工位加工单元。以此实现按批量、按单车生产管理模式，区分不同的实现方式，具体工作流程如下：

1）按批量生产（如零部件加工及下料）类生产订单，由分厂计划员按照需求计划批量，进行工序级排产，下发到工位。

2）按单车生产（如组装工序）类生产订单，根据订单中工作中心、工位与生产单位班组的关联，自动将生产订单按“分厂-车间-工位（班组）”进行下达，分厂计划员、车间计划员、工位长（班组长）都能方便地查询到自己工作范围内的生产计划和生产订单。生产订单的工位、开工日期等有问题时，由分厂计划员更新ERP中三日节拍计划。

4.4 制造过程管理

制造过程管理，即结合精益生产推进理念，现场以工位制节拍化生产模式推动，围绕工位单元进行现场管理、车间数据采集和追溯管理，具体工作流程如下：

1）各工位生产人员通过操作界面能获取自己的加工任务及加工队列，包括正常生产任务、返工任务、更改任务等，并同时获得伴随生产订单推送的相关的技术文件、物流配送、质量卡片等相关数据信息。通过开工、完工确认，反馈生产进度；生产过程记录操作员工、部件加工参数、零部件序列号等数据，实现对关键零部件、质量以及操作过程的追溯；实现与异常管理系统集成，及时反馈现场异常问题。

2）在物流配料阶段，记录现场生产过程中工位车号与实际装车工单，实现生产工单与实际车号的统一，确保生产与系统一致性。确保工单与关键件供应商等的关联，实现具体车辆关键件的追踪，最终实现谱系管理。

5 数字化运维

5.1 编制工艺路线

对于高速动车组运用修，技术员需要在结构化数据的基础上编制工艺路线，具体工作流程如下：

1）结构化数据查询

MRO（Maintenance,Repair &Operations）按照区域中心-服务站-产品类型-产品的维度对不同车型的结构化数据打包进行整理，将每一个车型的工艺文件按照不同修程组包成一组结构化数据。可在任务页签查看该修程下的工艺BOM及相应作业指导书（包括基本信息、工步、资源信息、物料、工具、作业条件等）。

2）工艺路线编制

标准工艺中定义了维检修任务的过程标准。标准工艺数据主要来源于PLM，在MRO中需要可以承接来源于PLM的工艺（一级工艺）。同时，在MRO中需要可以对标准一级工艺进行二级调整，针对特定的车辆/组件覆盖原一级工艺进行应用。在工艺文件包的任务页签，可进行二级工艺的编制，可对不同DS点的结构化数据按照一定顺序进行排程。

5.2 编制制造BOM

制造BOM基于产线及工位基础数据字典，结合工艺路线生成。

MRO按照工艺BOM承接PLM完整结构化数据后进行工艺路线的编制，在MRO中维护产线及工位数据，编制完成后自动更新制造BOM。

5.3 维修策略包维护

在MRO中，当工艺路线和制造BOM编制完成，维修策略包基于生成的制造BOM自动生成，按照大纲(间隔)自动下发检修工作任务。

5.4 工艺路线变更

工艺路线的变更主要包含两种情况：

1）PLM结构化数据变更

PLM结构化文件进行升级时，同步变更MRO中的修程包内的相关信息，但需要标记检修任务与PLM结构化数据中的差异，提醒技术员存在该差异。由技术员判断是否要进行二级工艺的修改。

2）MRO主动调整二级工艺

MRO调整二级工艺时保留上一版本，实现二级工艺的版本管理。

由于PLM的工艺结构化数据发生变更，需要技术员在MRO同步调整工艺路线。

5.5 修程优化

工艺路线的复制用于修程的试点优化，可在工艺路线编制对已有的工艺路线进行复制，复制完成后修改检修对象及间隔，生成新的维修策略包后下达新的修程任务。对于修程试点优化，技术员在MRO对复制创建出一个新的工艺路线，对间隔和任务清单进行调整。

6 设计-制造-运维运行一体化

要实现设计-制造-运维运行一体化，完成数据的互联互通、设计-制造-运维业务活动的互操作与协同联动，必须通过BOM（Bill of Material，物料清单）来打通全制造流程与全生命周期的数据通道[14]。设计BOM作为指导下游部门工作的唯一依据，清晰地表达了设计产品结构关系、零部件数量，同时也关联了设计三维模型和可视的轻量化模型。在制造阶段，制造部门无权限修改BOM数据，只能进行BOM转换操作。BOM转换后的工艺BOM能完整地继承设计BOM的所有信息，同时还能根据工艺装配特点并结合产品工艺流程补充工艺属性以满足生产需要，例如物料编码、物料名称、版本、装配数量、工艺类型工时、工艺路线等属性[15]。制造部门在工艺BOM基础上增加详细的工艺内容、材料定额、制造资源（工装、设备、刀具和量具等）以及工时定额等信息，最终形成制造BOM。在产品数据管理的过程中采用设计BOM、工艺BOM、制造BOM、服务BOM等多级BOM的管理方式，如图4所示，可以适应产品在不同任务阶段的需求，通过协同和转换各级BOM的基础数据，可以保持制造、运维与设计部门的数据一致性。

图4 模型驱动的轨道交通产品设计-制造-运维运行一体化

7 结语

我国高铁列车组占世界拥有量的50%以上，且发展的前景和广阔的市场前途是其它国家无法比拟的，产品质量、生产效率、新产品试制周期以及降低运营成本已成为高铁列车制造的瓶颈之一。随着国内外的需求加大，新型的高铁制造新模式需打破我国高铁制造“一流的技术、一流的标准、一流的产品，二流的制造工艺和模式”的现状。本文提出的“模型驱动的设计-制造运维一体化”主导的定制生产运行一体化新模式，不仅能够提高高速车系统集成的生产制造能力、产品的生产效率和质量、缩短交货周期和新产品试制周期，同时也大大降低运营成本和工人的劳动强度，未来也可以适用更多轨道交通车辆的系统集成制造。