軌道交通轉向架數(shù)字孿生車間研究

□ 朱志民 □ 陶振偉 □ 魯繼楠

中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 南京210031

1 問題的提出

隨著車間智能化程度的不斷提高，目前已廣泛應用各類傳感器、PLC（可編程序控制器）和其它智能感知設備來采集大量的制造數(shù)據(jù)，而在大數(shù)據(jù)驅動下的“關聯(lián)+預測+調控”也為車間運行分析與決策提供了新模式［1］。中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司（簡稱浦鎮(zhèn)公司）在建設精益流水線的基礎上，朝著打造數(shù)字化車間的方向展開工作，數(shù)字孿生車間（DTW）作為一種未來車間運行的新模式，值得進一步思考和探索。

2 車間介紹

浦鎮(zhèn)公司轉向架車間主要從事城軌、城際、動車組的焊接轉向架生產(chǎn)制造。車間現(xiàn)有14跨廠房，占地面積約40 000 m2，員工近400人，配置有10個工區(qū)、5條焊接及組裝流水線，具有單班年產(chǎn)4 000個構架、配套2 000輛份轉向架的制造能力。

轉向架是軌道交通車輛結構中最為重要的組成部分之一，其制造技術也是車輛的關鍵技術之一。轉向架承載車體，起到列車運營、過曲線、增加舒適性等重要功能，轉向架如圖1所示。

3 流水線主要存在的問題

精益生產(chǎn)是以客戶需求為動力，不斷降低生產(chǎn)成本，做到零廢品、零庫存和產(chǎn)品品種多樣化的一種生產(chǎn)方式［2］。浦鎮(zhèn)公司從2008年開始推行精益生產(chǎn)，一直致力于依托流水線的節(jié)拍建設，減少浪費，提高效率，以適應產(chǎn)品制造平臺的變化和升級。轉向架車間在2017年10月被評為中國中車二級精益車間，但是從數(shù)字化車間的層面來看，流水線仍然存在以下問題。

（1）表單管理差錯多。車間把每條流水線切分為若干個工位，給每個工位設置基本平均的作業(yè)節(jié)拍。車間的各項管理以工位為基礎而展開，公司職能部門為工位的“人、機、料、法、環(huán)、測”六要素的管控設計了15張固定的紙質表單，提供給工位長，以開展日常的管理工作。在實際工作中，往往出現(xiàn)表單早填、不填或錯填，出現(xiàn)表單與實際情況不符的現(xiàn)象。

▲圖1 轉向架示意圖

（2）物料配送異常多。在對現(xiàn)場異常情況進行統(tǒng)計分析時可知，屬于物料配送方面的異常占了一半以上，這些異常主要表現(xiàn)形式為：工位的物料包內(nèi)物料配送不準確，配送節(jié)拍和準時性差，大件物料現(xiàn)場拆箱，物料轉運工裝不足，物料交接不規(guī)范，叉車和天車充當長距離運輸工具等，其中影響最大的是物料配送不準確，往往造成工人在現(xiàn)場因為缺少物料而無法作業(yè)。如某周，物料異常達到63條，占了75.9%，某周現(xiàn)場異常統(tǒng)計見表1。

表1 某周現(xiàn)場異常統(tǒng)計

（3）工藝文件指導作用有待提升。公司在對工藝文件的符合性、有效性和一致性進行梳理時發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場的作業(yè)文件多而全，但是有指導作用不強的情況，特別是現(xiàn)場工位六要素發(fā)生變化時，對于變更的管理不夠完善，對工位的工序推移圖不能及時更新。同時，工藝文件沒有總結出作業(yè)口訣及對標準作業(yè)進行視頻作業(yè)指導，這些都是工位文件的改善方向。

（4）異常處理影響生產(chǎn)線節(jié)拍。建立生產(chǎn)線異常處理系統(tǒng)可以實時反映各個工位的生產(chǎn)狀態(tài)，當某個工位出現(xiàn)異常時，能夠得到及時響應［3］，但是由于工位多，異常問題的出現(xiàn)還是比較頻繁。生產(chǎn)線發(fā)生的異常主要體現(xiàn)在物料異常和技術異常，物料異常涉及到供應商對物料進行整改，技術異常涉及到設計、工藝的評估。如果異常處置時間超過4 h，必然會引起流水線節(jié)拍中斷。

（5）生產(chǎn)節(jié)拍不平衡有待優(yōu)化。在流水線建設中，為了設計合理的生產(chǎn)節(jié)拍，消除生產(chǎn)瓶頸，對產(chǎn)品的所有生產(chǎn)工序進行寫實，并形成生產(chǎn)節(jié)拍。但是在實際作業(yè)過程中，仍然會因為布局不合理、轉運較多、員工等待時間較長等原因，在個別工位形成瓶頸，帶來流水線不平衡的狀況。因而消除瓶頸工序和作業(yè)過程中不必要的浪費，進而提高生產(chǎn)線生產(chǎn)能力，從而實現(xiàn)對節(jié)拍的優(yōu)化和流水線的平衡［4］，是車間管理的重點之一。

4 信息化管理系統(tǒng)介紹

數(shù)字化車間是應用各種設備監(jiān)控技術與物聯(lián)網(wǎng)技術等，強化服務與信息管理，更加全面、深入、準確地了解與掌握產(chǎn)銷流程，提升整個生產(chǎn)過程的高效化與可控性［5］。而公司在產(chǎn)品的全壽命周期內(nèi)，雖然開發(fā)了若干個信息化管理系統(tǒng)，但由于這些系統(tǒng)之間沒有完全實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)共享，從而造成相互之間缺乏聯(lián)動。與車間流水線相關的主要是以下四類系統(tǒng)。

（1）文件管理系統(tǒng)。文件管理系統(tǒng)主要有辦公自動化（OA）系統(tǒng)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）系統(tǒng)、技術通知系統(tǒng)、質量管理信息系統(tǒng)（QMIS）等。OA系統(tǒng)是公司級的各類文件、業(yè)務聯(lián)系書傳遞系統(tǒng)；PDM系統(tǒng)是設計部門進行產(chǎn)品開發(fā)及設計的文件系統(tǒng)；技術通知系統(tǒng)是工藝部門管理技術通知的系統(tǒng)；QMIS是質量管理部門進行不合格品（NCR）報告管理、質量過程管控的系統(tǒng)。這些文件管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)還沒有實現(xiàn)完全互通。

（2）企業(yè)資源計劃（ERP）系統(tǒng)。ERP在車間主要用來進行物料、工時、工資、報銷的管理。工藝部門把設計要素輸入進行轉化，輸出的工藝物料清單（BOM）和工藝工時定額，錄入ERP系統(tǒng)，作為ERP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源。物流根據(jù)ERP系統(tǒng)的BOM進行發(fā)料，車間根據(jù)ERP系統(tǒng)的工位工藝文件進行作業(yè)并報工時。這個系統(tǒng)在自上而下的應用實施過程中，遇到問題可以進行修正和變更，但是變更的數(shù)據(jù)不會自動由下而上進行反饋，難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的聯(lián)動。

（3）人力資源管理（HCM）系統(tǒng)。HCM系統(tǒng)主要用來進行人力資源的管理。由于ERP系統(tǒng)中不能定義作業(yè)人員，特別是對于作業(yè)人員的能力、數(shù)量和調配，只能由員工所在的部門或車間，根據(jù)實際情況進行錄入和管理。這個系統(tǒng)在應用過程中，側重于人力資源的基本信息管理，而余缺人力資源又要依靠其它的管理平臺來實現(xiàn)。

（4）生產(chǎn)管理網(wǎng)。生產(chǎn)網(wǎng)是公司內(nèi)部開發(fā)并應用于流水線管理的平臺，理論上可以實現(xiàn)生產(chǎn)計劃的下達、現(xiàn)場的工位管理、異常的拉動、完工工時的申報等功能，但實際生產(chǎn)任務的下達是生產(chǎn)部門依靠生產(chǎn)通知的形式由OA系統(tǒng)下達，而車間的三日計劃則是車間生產(chǎn)人員自行使用Excel進行編制?，F(xiàn)場的工位管理板、15張表單是紙質的，沒有實現(xiàn)電子版的目視化，從而導致異常拉動成了生產(chǎn)網(wǎng)的主要形式。在發(fā)生異常后，根據(jù)異常的處置時間，系統(tǒng)根據(jù)設定，分級把異常信息發(fā)送給責任單位的職能人員、部門領導、公司領導，整個系統(tǒng)依賴于人員的操作，自動化程度有限。

5 數(shù)字孿生車間建設的探討

5.1 相關概念介紹

數(shù)字孿生（DT）概念的產(chǎn)生和應用是基于模型定義（MBD）技術的進一步發(fā)展，使數(shù)字化設計制造技術邁向了一個新的臺階，是實現(xiàn)智能制造的基礎［6］。隨著研究的深入，數(shù)字孿生技術逐步應用于產(chǎn)品設計過程中。基于產(chǎn)品數(shù)字孿生模型的構型管理方法，可以進行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，從而改進產(chǎn)品研制流程，提高產(chǎn)品設計質量［7］。

DTW是在新一代信息技術和制造技術驅動下，通過物理車間與虛擬車間的雙向真實映射與實時交互，實現(xiàn)物理車間、虛擬車間，以及車間服務系統(tǒng)的全要素、全流程、全業(yè)務數(shù)據(jù)的集成和融合，在車間孿生數(shù)據(jù)的驅動下，實現(xiàn)車間生產(chǎn)要素管理、生產(chǎn)活動計劃、生產(chǎn)過程控制等在物理車間和虛擬車間，以及車間服務系統(tǒng)間的迭代運行，從而在滿足特定目標和約束的前提下，達到車間生產(chǎn)和管控最優(yōu)的一種車間運行新模式［8］。如果從通俗化的語言去理解，數(shù)字孿生車間，其實就是現(xiàn)實車間各個要素的數(shù)字化體現(xiàn)，也就是現(xiàn)實車間在虛擬系統(tǒng)一個映射而已，數(shù)字孿生車間示意如圖2所示。西門子公司就曾經(jīng)提出了 “數(shù)字化雙胞胎”的概念，致力于幫助制造企業(yè)在信息空間構建整合制造流程的生產(chǎn)系統(tǒng)模型，實現(xiàn)物理空間從產(chǎn)品設計到制造執(zhí)行的全過程數(shù)字化［9］。

▲圖2 數(shù)字孿生車間示意圖

5.2 數(shù)字孿生車間的應用

如果建立了數(shù)字化孿生車間，則是在虛擬空間對車間生產(chǎn)組織及管理進行仿真。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的成熟和應用，通過智能儀表、條形碼等，實現(xiàn)了刀具、物料、在制品等生產(chǎn)要素數(shù)據(jù)的自動采集，實現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的在線錄入，也實現(xiàn)了信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)與生產(chǎn)要素實時有關數(shù)據(jù)的同步［10］。而這些生產(chǎn)要素的數(shù)據(jù)流自動在DTW系統(tǒng)呈現(xiàn)，對數(shù)據(jù)的唯一性、及時性和自動化管控都創(chuàng)造了條件。

當設計部門在PDM系統(tǒng)完成產(chǎn)品設計、生成圖樣并輸入到ERP系統(tǒng)時，ERP系統(tǒng)可以根據(jù)設定的流水線參數(shù)，如產(chǎn)品平臺、節(jié)拍、臺位等，自動生成一系列的數(shù)據(jù)，從而開始模擬。

（1）開工前的仿真。如果有了DTW，就可以在數(shù)字化平臺上進行仿真，操作過程的仿真如圖3所示。仿真的內(nèi)容可以包含物料的配送路線、現(xiàn)場定置、人機操作平臺的配合、操作過程的仿真、物料的齊套性、工位的山積圖和推移圖等。將這些仿真的結果反饋給技術部門，可以幫助技術部門審核圖樣、文件，以減少在實物試制過程中帶來的問題和物料報廢。

▲圖3 操作過程的仿真示意圖

（2）過程中的大數(shù)據(jù)分析。在產(chǎn)品實物生產(chǎn)過程中，DTW可以同步運行，對生產(chǎn)現(xiàn)場各個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行搜集、整理和分析。如自動比對工位的開工、完工時間，以便提示進行工位節(jié)拍的優(yōu)化；如自動將工位上的物料編碼，與系統(tǒng)內(nèi)設定的物料進行比對，并實時統(tǒng)計消耗材料；如對特殊過程的參數(shù)進行實時在線分析，一旦超過設定的參數(shù)范圍，則出現(xiàn)黃色、紅色報警，自動啟動異常拉動流程，從而避免了人為因素對制造過程的干擾，穩(wěn)定了生產(chǎn)節(jié)拍，也避免了由于操作技能上的差異而帶來的產(chǎn)品質量的波動，如圖4所示。

▲圖4 過程監(jiān)控的數(shù)據(jù)演示示意圖

（3）完工后的檢測數(shù)據(jù)整理。在制造過程結束后，自動啟動掃描檢測，并與設定的產(chǎn)品質量標準進行比對，形成檢測報告，并把多個檢測項目的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，歸入產(chǎn)品質量履歷書。如果出現(xiàn)不符合項，則自動生成NCR報告，進入NCR處理流程。當NCR處理完畢、產(chǎn)品交驗合格后，系統(tǒng)自動報完工，對工位進行工時分配結算。同時，在項目計劃的電子看板上能夠顯示產(chǎn)品的制造狀態(tài)，不需要人為去進行統(tǒng)計和分析。

5.3 相關工作思考

數(shù)字孿生車間技術，還有許多關鍵技術需要去研究，但是，對于一個企業(yè)來說，DTW是企業(yè)數(shù)字化建設的有效手段之一。在打造DTW的過程中，公司要有一個系統(tǒng)化的數(shù)字化管理平臺，打通并融合各個信息化系統(tǒng)，才能夠實現(xiàn)自動化的模擬、管控和反饋。

為實現(xiàn)制造過程的物理世界與信息世界的互聯(lián)互通，即使在公司平臺沒有完全具備條件的時候，車間管理也應該朝著這個方向去努力，至少做到“兩個堅持”：一是堅持工位制管理，依靠現(xiàn)場的表單，堅持對生產(chǎn)現(xiàn)場管理“六要素”等管理數(shù)據(jù)進行真實、可靠記錄和反饋，定期對收集的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并提出改善提案，不斷夯實固化各項管理要素；二是堅持信息化手段，在保證追溯性的基礎上，要盡可能使用信息化的手段，避免現(xiàn)場紙質文件堆積如山、異常拉動靠人跑腿、質量過程由人緊盯、生產(chǎn)寫實數(shù)據(jù)由人采集的情況，強調實物流和數(shù)據(jù)流的一致性，避免出現(xiàn)人為的干擾和偏差。

浦鎮(zhèn)公司對車間精益管理提出了“三能三化”的要求，即“能說 、能做、能創(chuàng)新；理論化、模型化、數(shù)字化”。車間管理者，要具備站在公司的層面思考問題的能力，要能把復雜的事情簡單化、簡單的事情流程化、流程的事情標準化，標準的事情表單化、表單的事情數(shù)字化。只要把這些基礎性的工作做好，然后在此基礎上開展系統(tǒng)性的思考和創(chuàng)新，就一定能夠體現(xiàn)出精益管理的效果。

6 結論

基于“工業(yè)4.0”的精益數(shù)字化車間打造，既是實現(xiàn)“中國制造2025”的大環(huán)境要求，也是為了完成公司大批量生產(chǎn)訂單的內(nèi)部需求。在打造數(shù)字化車間的過程中，數(shù)字孿生車間是一個非常好的工具和平臺，能夠把與車間相關的業(yè)務，在孤島式的信息系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)共享，對生產(chǎn)制造的全過程進行仿真、監(jiān)控和反饋，幫助實現(xiàn)車間精益管理提升。但是數(shù)字孿生車間是一個系統(tǒng)工程，需要車間立足數(shù)據(jù)源的準確性，通過“兩個堅持”來踐行“三能三化”，才能切實提高車間管理水平，為數(shù)字化車間的打造創(chuàng)造條件。