動(dòng)車組高級修工藝數(shù)字化管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

朱 湘，周明濤，張海濤，卞 彬，黃 凱

（1.中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司 上海動(dòng)車段，上海 201812；3.上海申鐵信息工程有限公司，上海 200071；4.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司 車輛部，上海 200071）

近年來，數(shù)字經(jīng)濟(jì)與鐵路行業(yè)的融合逐步加深，特別是在機(jī)車車輛領(lǐng)域，眾多機(jī)車車輛制造企業(yè)、檢修站段紛紛加大投入，積極謀求數(shù)字化轉(zhuǎn)型[1-4]。數(shù)據(jù)是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)，能夠?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助工藝設(shè) 計(jì)（CAPP，Computer Aided Process Planning）、企業(yè)資源計(jì)劃（ERP，Enterprise Resource Planning）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES，Manufacturing Execution System）等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，是數(shù)字化生產(chǎn)的基礎(chǔ)；數(shù)字化工藝，是企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基石[5]。目前，動(dòng)車組高級修工藝數(shù)據(jù)的載體為作業(yè)指導(dǎo)書，工藝編制維度不一，缺少統(tǒng)一規(guī)范，歸類管理、比對校核的難度大，工藝未實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化管理，無法被MES 直接引用，不能發(fā)揮關(guān)鍵工序和工步引導(dǎo)、智能檢測數(shù)據(jù)卡控等功能，不利于過程回溯和質(zhì)量控制；工藝流程作為工藝數(shù)據(jù)的重要內(nèi)容，未在作業(yè)指導(dǎo)書中完整體現(xiàn)，存在信息缺失。

為此，本文設(shè)計(jì)動(dòng)車組高級修工藝數(shù)字化管理系統(tǒng)，研究其關(guān)鍵，助力動(dòng)車組檢修企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

通過對高級修工藝管理存在的問題及數(shù)字化生產(chǎn)實(shí)際需要的研究分析，按照層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，提出動(dòng)車組高級修工藝數(shù)字化管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 動(dòng)車組高級修工藝數(shù)字化管理系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 支撐環(huán)境層

支撐環(huán)境層主要包括分布式數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器、操作系統(tǒng)等，提供滿足多任務(wù)、分布式任務(wù)調(diào)度需求的系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境。數(shù)據(jù)庫主要用于存儲(chǔ)工藝數(shù)字化過程中所涉及的基礎(chǔ)工藝數(shù)據(jù)，如高級修部件物料清單（BOM，Bill of Materials）、工藝BOM 等。

1.2 應(yīng)用層

應(yīng)用層按照不同粒度將系統(tǒng)功能劃分為多個(gè)模塊，模塊之間既保持松散的耦合關(guān)系，便于功能擴(kuò)充和維護(hù)，也具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，確保數(shù)據(jù)在模塊間有效傳輸[6]。采取完全集成的模式，與MES 使用統(tǒng)一的開發(fā)平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫，向MES 自動(dòng)傳輸準(zhǔn)確規(guī)范的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)工藝對數(shù)字化生產(chǎn)的引導(dǎo)作用。

1.3 表現(xiàn)層

動(dòng)車組高級修工藝數(shù)字化管理系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)，用戶可通過身份驗(yàn)證登錄本系統(tǒng)，依據(jù)不同角色的權(quán)限配置訪問差異化的人機(jī)交互界面。用戶可在本系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行部件BOM、工藝卡片、工藝BOM的檢索、查看、編輯等操作；本系統(tǒng)提供工藝流程圖、甘特圖等圖形化顯示界面，可用于后續(xù)計(jì)劃編制和進(jìn)度追蹤[7-8]。

2 系統(tǒng)功能

動(dòng)車組高級修工藝數(shù)字化管理系統(tǒng)的3 個(gè)功能模塊為高級修部件BOM、高級修工藝卡片庫和高級修工藝BOM。3 者之間既相互獨(dú)立，分別存儲(chǔ)不同類型的工藝數(shù)據(jù)信息，又相互關(guān)聯(lián)，部件BOM 與工藝BOM 分別通過與工藝卡片的綁定實(shí)現(xiàn)兩者之間的映射。此外，本系統(tǒng)還滿足權(quán)限管理、集成管理和系統(tǒng)管理的需要。通過用戶的角色配置實(shí)現(xiàn)不同權(quán)限的賦予，以便分類管理工藝編制、審核、發(fā)布、查看等權(quán)限。

2.1 高級修部件BOM 功能

統(tǒng)一工藝的編制規(guī)則，優(yōu)化工藝編制流程，建立基于高級修部件BOM 的工藝編制體系，該體系層次結(jié)構(gòu)清晰，便于比對校核。

2.2 高級修工藝卡片庫功能

通過對標(biāo)準(zhǔn)、工具、物料、檢修記錄、參數(shù)取值等工藝數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化配置，形成結(jié)構(gòu)化工藝卡片庫，實(shí)現(xiàn)高級修工藝的數(shù)字化管理，可向MES 直接提供準(zhǔn)確規(guī)范數(shù)據(jù)，發(fā)揮工藝指導(dǎo)生產(chǎn)的作用。

2.3 高級修工藝BOM 功能

實(shí)現(xiàn)工序與結(jié)構(gòu)化工藝卡片的綁定，建立工藝數(shù)據(jù)自動(dòng)推送的關(guān)聯(lián)關(guān)系；補(bǔ)全高級修工序順序、工藝流程等信息，可為下一步數(shù)字化生產(chǎn)的計(jì)劃編制、任務(wù)分派等功能提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 工藝數(shù)據(jù)存儲(chǔ)環(huán)境配置

考慮到高級修工藝數(shù)據(jù)存儲(chǔ)體量及數(shù)據(jù)管理安全性、可靠性、易用性的需求，采用SpringBoot+VUE 前后端分離的開發(fā)架構(gòu)，集成JPA 框架，對MariaDB 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行配置，以關(guān)系型數(shù)據(jù)表的形式實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)化工藝數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理。配置FTP 服務(wù)器，滿足非結(jié)構(gòu)工藝數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需要，如圖片、文檔等，并通過統(tǒng)一資源定位符實(shí)現(xiàn)文檔與數(shù)據(jù)表的關(guān)聯(lián)。

3.2 高級修部件BOM 模型構(gòu)建

以CRH380B 型動(dòng)車組三級修架車修為例，按照動(dòng)車組產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成，結(jié)合高級修規(guī)程中所列檢修部件和檢修屬性，對動(dòng)車組進(jìn)行逐級分解，形成樹形結(jié)構(gòu)模型，如圖2 所示。

圖2 動(dòng)車組高級修部件樹形結(jié)構(gòu)模型

圖2 所示的樹形結(jié)構(gòu)模型既包含了動(dòng)車組高級修部件明細(xì)，也展示了部件之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，藍(lán)色表示須從上一級部件中分解，對應(yīng)規(guī)程的分解檢修；黃色表示依附于上一級部件無須分解，對應(yīng)規(guī)程的原位檢修；綠色表示部件對應(yīng)不同性質(zhì)的工藝卡片。

（1）通過選擇動(dòng)車組車型自動(dòng)獲取車廂數(shù)量的配置信息，確定規(guī)程、檢修方式后，創(chuàng)建部件BOM框架；

（2）在部件BOM 框架內(nèi)通過添加一級部件或添加子部件呈現(xiàn)部件的層級結(jié)構(gòu)。由于分解檢修和原位檢修的部件都通過添加子部件的方式從上一級部件中生成，形式上均構(gòu)成“父子關(guān)系”，為了加以區(qū)分，增加了部件屬性信息并展示在部件BOM 上；

（3）以部件BOM 中各部件節(jié)點(diǎn)為對象，依據(jù)規(guī)程要求配置相應(yīng)的分解、清洗、檢修、試驗(yàn)、組裝等工藝卡片，形成動(dòng)車組部件BOM，如圖3 所示。

3.3 工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、參數(shù)化、結(jié)構(gòu)化

除工藝性質(zhì)、檢修方式和適用范圍等基本信息外，工藝卡片更重要的內(nèi)容是工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括工步、方法、工具、物料、記錄和檢測等要素。實(shí)現(xiàn)工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化、參數(shù)化、結(jié)構(gòu)化，便于MES 識(shí)別、復(fù)用，以滿足各類管理需求。預(yù)設(shè)常用的抽檢方式、檢測參數(shù)等字典庫，工具、必?fù)Q件等資源信息可從統(tǒng)一開發(fā)的資源庫內(nèi)選取，確保數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一；設(shè)置扭矩、尺寸、電阻、壓強(qiáng)、溫度等數(shù)值類型，對工藝方法、取值范圍等要素實(shí)施參數(shù)化管理，實(shí)現(xiàn)工藝快速編制、數(shù)值自動(dòng)校驗(yàn)；按照預(yù)定義的數(shù)據(jù)模型、嚴(yán)格一致的順序和明確的數(shù)據(jù)類型，對工藝進(jìn)行結(jié)構(gòu)化配置，利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行表示和存儲(chǔ)，形成可識(shí)別的結(jié)構(gòu)化工藝。對于結(jié)構(gòu)化的工藝卡片，建立工藝文檔庫進(jìn)行統(tǒng)一歸檔、瀏覽、編輯、簽審、下發(fā)等管理。

3.4 高級修工藝BOM 模型構(gòu)建

動(dòng)車組高級修涉及部件繁多，工藝內(nèi)容復(fù)雜，以CRH380B 型動(dòng)車組三級修架車修為例，包含接車預(yù)檢、架車、車體檢修、轉(zhuǎn)向架檢修、落車、稱重、靜態(tài)調(diào)試、動(dòng)態(tài)調(diào)試、驗(yàn)收交車等一級工序，在各一級工序下還有多個(gè)二級、三級工序，可利用樹形 結(jié)構(gòu)展示，如圖4 所示。

圖4 動(dòng)車組高級修工藝樹形結(jié)構(gòu)模型

（1）通過選擇動(dòng)車組車型、規(guī)程、檢修方式等基礎(chǔ)信息創(chuàng)建工藝BOM 框架；

（2）在工藝BOM 框架內(nèi)通過添加一級工序或添加子工序呈現(xiàn)工序的層級結(jié)構(gòu)?；诟鞴?jié)點(diǎn)工序所對應(yīng)的工藝性質(zhì)和部件清單，建立工藝BOM 與部件BOM 的映射關(guān)系，如圖5 所示；

圖5 工藝BOM 與部件BOM 映射關(guān)系

（3）在工序節(jié)點(diǎn)的詳情界面選擇維護(hù)工藝包，基于部件和工藝性質(zhì)兩個(gè)維度實(shí)現(xiàn)工序和工藝卡片的綁定，為后續(xù)工單執(zhí)行和工藝數(shù)據(jù)推送建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，并形成動(dòng)車組高級修工藝BOM，如圖6 所示。各工序所需要時(shí)間、人員、工具、物料等資源需求可由工序下的工藝卡片數(shù)據(jù)匯總得到，提供給ERP、MES 等系統(tǒng)使用。

圖6 動(dòng)車組高級修工藝BOM

3.5 工藝BOM 與工藝流程的映射方法

高級修工藝流程也稱工藝路線，它描述了動(dòng)車組高級修的工序順序，由于樹形結(jié)構(gòu)和工藝BOM 的局限性，無法直觀展示工序的串并行關(guān)系，通常采取工藝流程圖的展示方式。工藝流程圖以圖表符號(hào)的形式表達(dá)產(chǎn)品在工藝過程中的部分或全部階段所完成的工作，由一系列的工藝流程節(jié)點(diǎn)按照特定的串并行關(guān)系組合而成，某個(gè)工藝流程節(jié)點(diǎn)可由與其子工藝流程構(gòu)成，即工藝流程之間存在組成和層次關(guān)系。高級修工藝流程示意如圖7 所示。

圖7 動(dòng)車組高級修高級修工藝流程示意

3.5.1 工藝流程節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

工藝流程節(jié)點(diǎn)作為基本組成單元，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為

式（1）中，Name為工藝流程節(jié)點(diǎn)名稱；Level為工藝流程節(jié)點(diǎn)所在層級；SerID為工藝流程節(jié)點(diǎn)的串行序號(hào)；ParID為工藝流程節(jié)點(diǎn)的并行序號(hào)；Pre-Node為前置工藝流程節(jié)點(diǎn)；Par-Node為父級工藝流程節(jié)點(diǎn)。

由圖7 可知，8 車轉(zhuǎn)向架檢修工藝流程中的8 車構(gòu)架檢修處于高級修工藝流程的第3 級，在本級工藝流程中與零部件檢修并行組成第3 道工序，串行序號(hào)為3，并行序號(hào)為1，其前置工藝流程節(jié)點(diǎn)為轉(zhuǎn)向架清洗，父級工藝流程節(jié)點(diǎn)為8 車轉(zhuǎn)向架檢修，故其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為

3.5.2 工序節(jié)點(diǎn)與工藝流程節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換

在工藝BOM 向工藝流程映射的過程中，重點(diǎn)在于解析工藝BOM 中工序節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并對比工序節(jié)點(diǎn)與工藝流程節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)差異，通過添加前置工序的功能，補(bǔ)全工序節(jié)點(diǎn)的串并行信息，實(shí)現(xiàn)工序節(jié)點(diǎn)向工藝流程節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換，并最終生成高級修工藝流程。

基于圖4 的工藝樹形結(jié)構(gòu)和圖6 的工藝BOM，可以得到工序節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為

式（3）中，Name為工序節(jié)點(diǎn)名稱；Level為工序節(jié)點(diǎn)所在層級；Par-Np為父級工序節(jié)點(diǎn)；OrdID為同一層級下工序節(jié)點(diǎn)的順序號(hào)。

對比兩者數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)工藝流程節(jié)點(diǎn)與工序節(jié)點(diǎn)的名稱、所在層級、父級節(jié)點(diǎn)一一對應(yīng)，差異項(xiàng)為工藝流程節(jié)點(diǎn)包含串并行序號(hào)、前置節(jié)點(diǎn)，工序節(jié)點(diǎn)僅包含同一層級下的順序號(hào)。由于OrdID與SerID、ParID、Pre-Node缺少直接關(guān)聯(lián)關(guān)系，在工藝BOM 界面增加前置工序功能，允許同一父節(jié)點(diǎn)下的子節(jié)點(diǎn)之間相互綁定，前置工序的先后順序形成串行關(guān)系，前置工序相同的工序節(jié)點(diǎn)形成并行關(guān)系。

綁定前置工序后的工序節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更新為

式（4）中，Pre-Np為前置工序節(jié)點(diǎn)。

借助各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)信息和gantt.js 等甘特圖插件，實(shí)現(xiàn)了工藝BOM 向工藝流程的映射，自動(dòng)生成高級修工藝流程圖和甘特圖如圖8 和圖9 所示。

圖8 動(dòng)車組高級修工藝數(shù)字化管理系統(tǒng)生成的工藝流程

圖9 動(dòng)車組高級修工藝數(shù)字化管理系統(tǒng)生成的甘特圖

4 應(yīng)用場景

基于系統(tǒng)總體框架和關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建動(dòng)車組高級修工藝數(shù)字化管理系統(tǒng)，以中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海動(dòng)車段轉(zhuǎn)向架車間為具體應(yīng)用場景，對CRH380B 平臺(tái)動(dòng)車組三、四級修基礎(chǔ)工藝實(shí)施數(shù)字化管理。建立4 份部件BOM 和4 份工藝BOM，編制基礎(chǔ)工藝卡片556 份，通過部件BOM、工藝BOM與基礎(chǔ)工藝卡片的綁定，實(shí)現(xiàn)兩者之間的映射；有效發(fā)揮工藝指導(dǎo)生產(chǎn)的作用，向9 個(gè)工區(qū)35 個(gè)工位的MES 終端設(shè)備推送基礎(chǔ)工藝數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)工步引導(dǎo)、數(shù)據(jù)檢測、質(zhì)量卡控等功能，滿足了數(shù)字化生產(chǎn)的需要。

5 結(jié)束語

動(dòng)車組高級修工藝數(shù)字化管理系統(tǒng)利用高級修部件BOM 能夠統(tǒng)一工藝編制規(guī)范，優(yōu)化工藝編制流程，層次結(jié)構(gòu)清晰，便于同類部件之間校核比對；對基礎(chǔ)工藝數(shù)據(jù)實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化、參數(shù)化、結(jié)構(gòu)化管理，可向MES 直接提供準(zhǔn)確規(guī)范數(shù)據(jù)，發(fā)揮了工藝指導(dǎo)生產(chǎn)的引導(dǎo)作用，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化生產(chǎn)和保障檢修質(zhì)量打下良好基礎(chǔ)；構(gòu)建高級修工藝BOM 并實(shí)現(xiàn)向工藝流程的映射，補(bǔ)全了高級修工序順序信息，有利于快速管理、查看工藝信息，同時(shí)基于工藝流程可為下一步數(shù)字化生產(chǎn)的計(jì)劃編制、任務(wù)分派等功能提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。