章 斌

（中鐵華鐵工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 軌道交通設(shè)計(jì)院，北京 100071）

加快發(fā)展智能制造，對于推進(jìn)我國制造業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，培育經(jīng)濟(jì)增長新動(dòng)能，構(gòu)建新型制造體系，促進(jìn)制造業(yè)向中高端邁進(jìn)、實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國具有重要意義[1-2]。

數(shù)字化車間是實(shí)現(xiàn)智能制造的重要引擎，將人、機(jī)、法、料、環(huán)、測的數(shù)據(jù)連接起來，多維度融合，把制造自動(dòng)化擴(kuò)展到柔性化、智能化和高度集成化，從而實(shí)現(xiàn)成本、質(zhì)量的全壽命周期管理，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的透明、快速生產(chǎn)制造。智能制造和數(shù)字化車間建設(shè)在我國尚處于探索期，軌道車輛的智能制造可提升業(yè)務(wù)集成和信息交互，提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝開發(fā)、生產(chǎn)制造、質(zhì)量控制以及企業(yè)管理的數(shù)字化水平[3-4]。

通過對鋁合金車體制造現(xiàn)狀深入調(diào)研，發(fā)現(xiàn)其業(yè)務(wù)流程存在自動(dòng)化孤島和信息化孤島的問題，急需采用先進(jìn)的管理方法和制造設(shè)備提高制造過程的生產(chǎn)效率，打造數(shù)字化車間是解決實(shí)際問題和提升生產(chǎn)工藝和管理水平的有力保障。

1 鋁合金車體數(shù)字化車間構(gòu)建的總體方案

數(shù)字化車間作為智能制造實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)載體，是邁向智能制造不可跨越的基石。結(jié)合對鋁合金車體制造的普遍問題和業(yè)務(wù)流程、管理模式研究分析，按照層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出構(gòu)建鋁合金車體數(shù)字化車間的總體構(gòu)架和各應(yīng)用層業(yè)務(wù)流程的功能要求[5]。

1.1 總體架構(gòu)

鋁合金車體車間以車間標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)線和節(jié)拍化生產(chǎn)工位為基礎(chǔ)，按照業(yè)務(wù)流程優(yōu)化（精益管理、大技術(shù)體系、大質(zhì)量體系）和生產(chǎn)線自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化升級(jí)為手段，通過信息化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)鋁合金車體的數(shù)字化研發(fā)、數(shù)字化制造和數(shù)字化運(yùn)營管理，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造的高效率、低成本、高質(zhì)量[6]。

車間結(jié)合制造過程的業(yè)務(wù)流程需求分析和整體規(guī)劃，構(gòu)建鋁合金車體數(shù)字化車間總體架構(gòu)，如圖1所示。車間部分整體規(guī)劃分為4 個(gè)層級(jí)，即以數(shù)據(jù)分析為代表的分析決策層、以數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)協(xié)同平臺(tái)為代表的業(yè)務(wù)管理層、以數(shù)字化制造運(yùn)營管理（MOM，Manufacturing Operation Management）系統(tǒng)為代表的制造執(zhí)行層和以車體制造數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)為代表的設(shè)備及控制系統(tǒng)層。

圖1 鋁合金車體數(shù)字化車間總體架構(gòu)示意

1.2 業(yè)務(wù)流程

1.2.1 設(shè)備及控制系統(tǒng)層

設(shè)備及控制系統(tǒng)層是落實(shí)企業(yè)數(shù)字化、智能化制造效果的實(shí)際承擔(dān)者，是數(shù)字化車間建設(shè)的最終呈現(xiàn)端，是建立數(shù)字化車間的關(guān)鍵因素。通過智能化生產(chǎn)線的打造使鋁合金車體生產(chǎn)的各類設(shè)備能夠統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)管控，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸高效準(zhǔn)確。設(shè)備及控制系統(tǒng)層通過與供應(yīng)鏈協(xié)同信息系統(tǒng)的對接，與上游供應(yīng)商在數(shù)據(jù)、信息及業(yè)務(wù)流程上緊密集成，增強(qiáng)企業(yè)對供應(yīng)鏈的控制能力。

1.2.2 制造執(zhí)行層

制造執(zhí)行層打通了業(yè)務(wù)管理層與車間執(zhí)行層之間的信息斷層，實(shí)現(xiàn)企業(yè)車間現(xiàn)場信息系統(tǒng)、設(shè)計(jì)工藝系統(tǒng)與上層管理系統(tǒng)的集成，使數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)能順暢流轉(zhuǎn)，將數(shù)據(jù)流和業(yè)務(wù)流延伸至設(shè)備端，保障生產(chǎn)數(shù)據(jù)高效無損執(zhí)行，是企業(yè)實(shí)現(xiàn)管理技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化、智能化，成為向智能制造發(fā)展的基礎(chǔ)。

1.2.3 業(yè)務(wù)管理層

通過集成與優(yōu)化企業(yè)已經(jīng)建立的企業(yè)資源計(jì)劃（ERP，Enterprise Resource Planning）、產(chǎn)品生命周期管理（PLM，Product Lifecycle Management）、OA等管理信息系統(tǒng)，有效地指導(dǎo)工廠的生產(chǎn)運(yùn)作過程。建立設(shè)計(jì)開發(fā)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)和供應(yīng)鏈協(xié)同管理平臺(tái)，整合公司、供應(yīng)商的資源，將推進(jìn)模塊化設(shè)計(jì)和全模型設(shè)計(jì)進(jìn)度，為鋁合金車體車間數(shù)字化制造奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.2.4 分析決策層

打通上下游信息化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通道，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在各信息化系統(tǒng)之間的順暢傳遞，保證業(yè)務(wù)管理層和業(yè)務(wù)管理層收集到的信息能夠從不同維度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，形成各類統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表，供不同管理維度的企業(yè)管理者可基于數(shù)據(jù)分析做出對企業(yè)現(xiàn)狀最有利的決策。

2 重點(diǎn)攻關(guān)方向和關(guān)鍵技術(shù)

鋁合金車體數(shù)字化車間是基于鋁合金車體制造的業(yè)務(wù)流和信息流的融合，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造運(yùn)營，再到生產(chǎn)線（焊接、加工）直達(dá)底層設(shè)備的全過程技術(shù)數(shù)據(jù)交互，重點(diǎn)對產(chǎn)品設(shè)計(jì)協(xié)同平臺(tái)、制造運(yùn)營管理平臺(tái)、柔性生產(chǎn)線及大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)研究。

2.1 數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)協(xié)同平臺(tái)

2.1.1 功能介紹

數(shù)字化研發(fā)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化車間的第一步。數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)協(xié)同平臺(tái)是基于提高標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化產(chǎn)品研發(fā)能力和完善工藝仿真驗(yàn)證能力，提升系統(tǒng)內(nèi)、外部協(xié)同水平，為產(chǎn)品研發(fā)和工藝設(shè)計(jì)全面推進(jìn)數(shù)字化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)保障；產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)流程與設(shè)計(jì)輸出，對應(yīng)的工藝設(shè)計(jì)流程與工藝輸出，通過信息系統(tǒng)對工藝設(shè)計(jì)方法和工藝設(shè)計(jì)流程進(jìn)行固化，實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)對接，達(dá)到工藝設(shè)計(jì)規(guī)范，流程順暢。數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)協(xié)同平臺(tái)架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)協(xié)同平臺(tái)架構(gòu)

2.1.2 實(shí)施方案與關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)協(xié)同平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)兩大環(huán)節(jié)完全融合，通過對外集成接口實(shí)現(xiàn)與ERP、制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)（MES）進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及時(shí)有效地傳遞，形成設(shè)計(jì)與生產(chǎn)數(shù)據(jù)的閉環(huán)。

數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)協(xié)同平臺(tái)的搭建應(yīng)具備以下關(guān)鍵要點(diǎn)。

（1）不斷對前期項(xiàng)目中創(chuàng)建的大量各類標(biāo)準(zhǔn)件庫、管路庫等企業(yè)資源庫進(jìn)一步完善和整理，規(guī)范使用方法，建立更齊全的產(chǎn)品模型庫。

（2）為了提升工藝仿真驗(yàn)證能力，應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)，將領(lǐng)域知識(shí)引入到仿真優(yōu)化系統(tǒng)中，擴(kuò)充三維加工仿真及驗(yàn)證能力，形成適合生產(chǎn)業(yè)務(wù)特點(diǎn)的加工仿真驗(yàn)證系統(tǒng)，在虛擬制造環(huán)境中進(jìn)行規(guī)劃、仿真和模擬，對產(chǎn)品工藝及加工方案的可制造性進(jìn)行預(yù)測和評價(jià)。逐步融合現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)環(huán)境，通過虛擬驗(yàn)證指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

（3）深入探索以鋁合金車體部件為載體基于模型的定義（MBD，Model Based Definition）技術(shù)在研發(fā)策劃、工藝方案階段的方法應(yīng)用，以解決工程設(shè)計(jì)過程中數(shù)據(jù)種類雜、共享差、交互少、無關(guān)聯(lián)以及技術(shù)人員無法直接使用三維設(shè)計(jì)模型進(jìn)行產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)、指導(dǎo)生產(chǎn)等問題，為實(shí)現(xiàn)MBD 的一體化技術(shù)及甩掉二維工程圖實(shí)現(xiàn)三維模型下車間奠定基礎(chǔ)。

從模型定義、模塊化設(shè)計(jì)、工藝仿真驗(yàn)證到管理平臺(tái)的數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)協(xié)同平臺(tái)，改變了研制流程、研制方法和鋁合金車體的研發(fā)模式[7]，提高產(chǎn)品研發(fā)工作效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，為后序的數(shù)字化制造運(yùn)營管理平臺(tái)提供必要的數(shù)字化產(chǎn)品數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)字化MOM 系統(tǒng)

2.2.1 功能介紹

數(shù)字化MOM 系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)軟硬件、制造運(yùn)營管理與制造運(yùn)營過程的集成。利用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)將先進(jìn)的制造運(yùn)營管理理念和制造運(yùn)營管理過程進(jìn)行固化，形成標(biāo)準(zhǔn)、通用、自動(dòng)進(jìn)行制造運(yùn)營管理的軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)功能性軟件集成的軟件框架，主要包括物料需求計(jì)劃（MRP，Material Requirements Planning）、制造資源計(jì)劃（MRPⅡ）、ERP、MES。

2.2.2 實(shí)施方案與關(guān)鍵技術(shù)

針對軌道車輛產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，小批量，多品種的行業(yè)特點(diǎn)，鋁合金車體車間的數(shù)字化制造運(yùn)營管理系統(tǒng)以圍繞制造過程所需要的計(jì)劃排程、技術(shù)數(shù)據(jù)、物流供應(yīng)、質(zhì)量控制，以及設(shè)備資源等業(yè)務(wù)信息和數(shù)據(jù)，以標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和流程化的載體，以快捷、準(zhǔn)確的方式在各業(yè)務(wù)之間傳遞為目標(biāo)[8]，對主要涉及到軟件集成、計(jì)劃接口、工藝接口、變更、調(diào)度、倉庫、物流、生產(chǎn)、質(zhì)量、人工/工時(shí)、管控中心、業(yè)務(wù)支持和設(shè)備集成等11 個(gè)功能領(lǐng)域（細(xì)分為68 個(gè)子功能）進(jìn)行分析和規(guī)劃，詳細(xì)定義各功能領(lǐng)域內(nèi)部的主要功能及各功能之間的信息流，實(shí)現(xiàn)制造過程信息流的數(shù)字化和可視化。鋁合金車體車間數(shù)字化制造運(yùn)營管理系統(tǒng)功能規(guī)劃，如圖3 所示。

圖3 鋁合金車體車間數(shù)字化制造運(yùn)營管理系統(tǒng)功能規(guī)劃

數(shù)字化MOM 系統(tǒng)圍繞工位制、節(jié)拍化、拉動(dòng)式生產(chǎn)模式建立制造全過程管理信息系統(tǒng)，以工位單元為核心，實(shí)現(xiàn)信息能快速獲取、計(jì)劃能適時(shí)下達(dá)、物料能按時(shí)配送、過程能實(shí)時(shí)監(jiān)控、特殊要求能提示、問題能及時(shí)暴露、數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)采集和流程能閉環(huán)管理，與上游系統(tǒng)緊密集成，形成基于工位制的管理信息體系，形成工位制為核心的生產(chǎn)制造和質(zhì)量的閉環(huán)管理。

針對焊接、加工等生產(chǎn)線的特點(diǎn)，在MOM 的框架范圍內(nèi)開發(fā)實(shí)施相應(yīng)的焊接生產(chǎn)線MES、加工生產(chǎn)線MES，在關(guān)鍵的局部環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)加工設(shè)備與制造管理系統(tǒng)的緊密集成，使制造數(shù)據(jù)得以上下貫通[9]。焊接生產(chǎn)線MES：通過對機(jī)器人焊機(jī)與手工焊機(jī)形成聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建焊機(jī)與人、焊機(jī)與焊機(jī)、焊機(jī)與管理平臺(tái)之間的信息通信環(huán)境。加工生產(chǎn)線MES：對加工機(jī)床進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)控制，實(shí)現(xiàn)排版套料、板材余料、加工程序、加工仿真驗(yàn)證、加工過程和機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控等現(xiàn)場加工管理，實(shí)現(xiàn)MOM 生產(chǎn)訂單的有效執(zhí)行、生產(chǎn)采集數(shù)據(jù)的有效傳遞等系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理，為數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)提供系統(tǒng)支撐。

2.3 數(shù)字化柔性生產(chǎn)線

2.3.1 功能介紹

數(shù)字化柔性生產(chǎn)線是以工業(yè)機(jī)器人、柔性可重構(gòu)工裝、自動(dòng)化的數(shù)控連接設(shè)備、智能運(yùn)載小車、數(shù)字化的測量檢驗(yàn)設(shè)備和信息化的集成管理平臺(tái)構(gòu)成。

針對鋁合金車體具有型號(hào)多、批量少的特點(diǎn)，生產(chǎn)線需要在一般機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)線的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上具有一定的柔性功能，同一生產(chǎn)線既能用于同型號(hào)同批次，又能適用同型號(hào)改進(jìn)改型系列產(chǎn)品生產(chǎn)，還可以直接適用不同產(chǎn)品的生產(chǎn)，從而滿足了生產(chǎn)線對產(chǎn)品產(chǎn)量的要求。

2.3.2 實(shí)施方案與關(guān)鍵技術(shù)

鋁合金車體車間主要是完成鋁合金車體次部件、大部件的焊接、加工以及車體總成的焊接、加工等工作。結(jié)合軌道車輛鋁合金車體小批量、多品種的生產(chǎn)特點(diǎn)，重點(diǎn)提升車體生產(chǎn)線的柔性化水平。

車間組建次部件、底架、側(cè)墻、端墻、車頂、總成組焊5 條生產(chǎn)線，數(shù)字化柔性生產(chǎn)線的構(gòu)建主要包括以下內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)：

（1）自動(dòng)化生產(chǎn)線模塊化可重構(gòu)技術(shù)。生產(chǎn)線通過先進(jìn)的連接設(shè)備及技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)線的快速調(diào)整及重構(gòu)。

（2）數(shù)字化柔性工裝系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)工裝快速響應(yīng)，快速重構(gòu)以及數(shù)字化定位，保證裝配質(zhì)量和效率。

（3）數(shù)字化測量檢驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)裝配過程中的精確測量和協(xié)調(diào)裝配，裝配完成后的精確檢驗(yàn)，生產(chǎn)線各工序均配置數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備、工具與生產(chǎn)線MRP、MES、MOM 系統(tǒng)的集成。

（4）數(shù)字化生產(chǎn)線輔助裝備及管理。建立數(shù)字化柔性生產(chǎn)線集成管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝、裝配、焊接、打磨、檢驗(yàn)和現(xiàn)場管理等各生產(chǎn)環(huán)節(jié)信息的高度集成和移動(dòng)生產(chǎn)線的自動(dòng)配送物流管理。

2.4 大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)

2.4.1 功能介紹

鋁合金車體車間以企業(yè)明確用戶需求為前提、以數(shù)據(jù)現(xiàn)狀為基礎(chǔ)、以業(yè)務(wù)價(jià)值為標(biāo)尺、以分析技術(shù)為手段，針對具體的業(yè)務(wù)問題，制定個(gè)性化的數(shù)據(jù)分析解決方案，主要功能模塊有：設(shè)備基礎(chǔ)信息管理，設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測，設(shè)備參數(shù)預(yù)警，工藝程序庫，歷史數(shù)據(jù)查詢分析和專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫等。

2.4.2 實(shí)施方案與關(guān)鍵技術(shù)

大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)通過信息技術(shù)手段收集生產(chǎn)經(jīng)營中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、狀態(tài)、進(jìn)度、指標(biāo)、異常等數(shù)據(jù)，采用數(shù)字仿真模型、大數(shù)據(jù)分析等手段提供關(guān)鍵指標(biāo)、管理預(yù)警、優(yōu)化建議等決策依據(jù)和解決方案仿真，通過圖形化和三維技術(shù)展示，形成真實(shí)工廠的數(shù)字映像，可使用電子看板、移動(dòng)設(shè)備等顯示載體，大數(shù)據(jù)處理技術(shù)可提高數(shù)據(jù)分析的效率及準(zhǔn)確性[10]。大數(shù)據(jù)平臺(tái)需具備以下關(guān)鍵能力：

（1）強(qiáng)大的數(shù)據(jù)獲取能力；

（2）數(shù)據(jù)加載與轉(zhuǎn)換；

（3）數(shù)據(jù)倉庫架構(gòu)與存儲(chǔ)；

（4）數(shù)據(jù)建模模板；

（5）系統(tǒng)擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)智能排產(chǎn)。

3 預(yù)計(jì)效果

通過對鋁合金車體數(shù)字化車間總體構(gòu)架和關(guān)鍵技術(shù)的運(yùn)用，將實(shí)現(xiàn)鋁合金車體制造過程智能化、精益化、高效化、數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)技術(shù)信息、物流信息、生產(chǎn)指令直達(dá)工位，保證數(shù)據(jù)高效無損傳達(dá)；通過底層傳感技術(shù)突破和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)95%以上設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、質(zhì)量、資源、人力等數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，提高工程數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)貫通化、透明化、真實(shí)化。

通過測算，數(shù)字化車間實(shí)施后可實(shí)現(xiàn)“二升三降”的提質(zhì)增效目標(biāo)：即生產(chǎn)效率提高約20%；能源利用率提高10%以上；運(yùn)營成本降低大于20%；產(chǎn)品研制周期縮短約30%；產(chǎn)品不良率降低超過20%。

4 結(jié)束語

數(shù)字化車間是自動(dòng)化和信息化融合的必然產(chǎn)物，是企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)。本文提出鋁合金車體數(shù)字化車間的構(gòu)建思路：以標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)線和工位為對象，構(gòu)建了數(shù)字化車間總體構(gòu)架，分別對產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)、制造運(yùn)行管理、數(shù)字化柔性生產(chǎn)線、大數(shù)據(jù)協(xié)同管理平臺(tái)等關(guān)鍵技術(shù)提出數(shù)字化功能需求。互聯(lián)、集成、協(xié)同的數(shù)字化車間將實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、質(zhì)量、資源、人力等數(shù)據(jù)按照業(yè)務(wù)流程自動(dòng)采集和反饋，從而達(dá)到充分優(yōu)化配置資源、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本的目標(biāo)，為企業(yè)增強(qiáng)核心競爭力和可持續(xù)發(fā)展能力提供保障。