車輛檢修工業(yè)4.0基礎初探

張 杰，向 勇，李寶志，姚衛(wèi)東，尹春玲

(中國鐵路烏魯木齊局集團有限公司，新疆 烏魯木齊 830011)

以蒸汽機的發(fā)明為標志的工業(yè)1.0帶來了生產(chǎn)關系上的重大變革；以電氣化為標志的工業(yè)2.0帶動了工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展；以微電子技術為標志的工業(yè)3.0實現(xiàn)了自動化生產(chǎn)的飛速發(fā)展。而工業(yè)4.0則是通過充分利用信息通信技術和網(wǎng)絡空間虛擬系統(tǒng)將制造業(yè)向智能化轉型，通過人、設備、產(chǎn)品的實時聯(lián)通與有效溝通，最終實現(xiàn)生產(chǎn)者和消費者直連的狀態(tài)。鐵路目前推進的現(xiàn)代化物流就是運輸生產(chǎn)智能化的體現(xiàn)，同時也迎合了工業(yè)4.0時代的要求。

1 現(xiàn)狀

中國鐵路烏魯木齊局集團有限公司(以下簡稱“烏局集團公司”)以適應長遠發(fā)展為導向，提升了裝備能力和生產(chǎn)能力，通過新建或改造大庫、升級設備、優(yōu)化工藝流程，在車輛檢修能力得到大幅提升的同時生產(chǎn)效率有了質的飛躍。部分工位引進機器人實現(xiàn)了配件的自動化搬運，節(jié)省了人工，搬運效率也顯著提升。

車輛段檢修基地已經(jīng)初步完成了部分流水線以機代人和以工裝保工藝的自動化設備革新。在生產(chǎn)管理部門，目前應用部署了HMIS調(diào)度系統(tǒng)和網(wǎng)絡扣車系統(tǒng)，實現(xiàn)對每日扣修車輛的調(diào)令等數(shù)據(jù)的采集，并自動生成各調(diào)度統(tǒng)計報表。在檢修車間和輪軸車間，目前應用部署了HMIS修車系統(tǒng)、HMIS修配系統(tǒng)、HMIS輪軸工位級應用系統(tǒng)，實現(xiàn)了車體檢修數(shù)據(jù)、轉向架檢修數(shù)據(jù)、車鉤檢修數(shù)據(jù)、制動閥檢修數(shù)據(jù)的集中采集以及輪軸檢修數(shù)據(jù)的工位級數(shù)據(jù)采集。

2 存在問題

自動化設備的投入以及信息系統(tǒng)的使用促進了檢修能力和效率的提升，但仍存在信息采集手段單一、信息數(shù)據(jù)孤立不能共享、設備智能化程度低等問題亟待解決。

(1) 信息數(shù)據(jù)孤立，未實現(xiàn)互聯(lián)共享?，F(xiàn)有的信息系統(tǒng)很分散，大數(shù)據(jù)共享及分析僅僅作為事故調(diào)查和檢查考核的依據(jù)。目前只有輪軸檢修線的智能檢測設備與HMIS輪軸工位級軟件進行了檢測結果相關數(shù)據(jù)的互聯(lián)網(wǎng)共享，其他生產(chǎn)設備還處于信息孤立狀態(tài)，沒有進行數(shù)據(jù)傳遞與共享。

(2) 自動化剛剛起步，智能化還未開始。2019年6月，烏局集團公司調(diào)試了第一臺配件搬運機器人，但更多工位的自動化搬運、配送，自動化檢測、焊接還尚未實現(xiàn)，智能化的生產(chǎn)還未開始。

(3) 現(xiàn)場信息采集手段單一，數(shù)據(jù)手工采集錄入的占比較高。

(4) 統(tǒng)一的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)還未建立，現(xiàn)場使用的設備數(shù)據(jù)接口協(xié)議不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)共享利用率低， HMIS系統(tǒng)與現(xiàn)有設備未建立數(shù)據(jù)共享的協(xié)議。

3 解決方案探索

3.1 建立統(tǒng)一的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是指通過信息傳感設備，按照約定的協(xié)議，將物體與網(wǎng)絡相連接。物體通過信息傳播媒介進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能。

3.1.1 統(tǒng)一物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議

網(wǎng)絡協(xié)議的作用是為了通信時彼此間有共同統(tǒng)一的標準，降低設備、配件、人與數(shù)據(jù)信息采集軟件之間通信的成本，也便于數(shù)據(jù)管理。企業(yè)通過統(tǒng)一物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議可將已經(jīng)形成的信息數(shù)據(jù)孤島進行有效的聯(lián)通，建立數(shù)據(jù)倉庫，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)倉庫與既有信息系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換。通過對既有設備加裝數(shù)據(jù)采集轉換終端實現(xiàn)對既有設備數(shù)據(jù)的采集，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。通過統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議實現(xiàn)設備、配件、操作人員、應用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，是工業(yè)4.0得以實現(xiàn)的基礎條件。

3.1.2 目前鐵路行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)主要應用

目前鐵路物聯(lián)網(wǎng)應用案例主要有車號自動識別系統(tǒng)、電子客票、行車安全監(jiān)控系統(tǒng)、機車車載安全防護系統(tǒng)、高鐵供電安全檢測系統(tǒng)、貨運安全檢測系統(tǒng)、運行環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)等。另外，在部分鐵路貨車和客車檢修基地應用了手持機等移動數(shù)據(jù)終端、零部件RFID電子標簽等，物聯(lián)網(wǎng)信息化建設取得了良好的成效。

3.1.3 車輛系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)建設目標

企業(yè)的信息化程度代表了企業(yè)的生產(chǎn)質量及管理水平。圍繞鐵路貨車檢修工藝線構建數(shù)據(jù)自動采集、工藝線設備自動控制、質量智能評估、生產(chǎn)設備實時監(jiān)控和大數(shù)據(jù)分析一體化的智能生產(chǎn)體系，從而帶動車輛檢修過程的科技革新，提升車輛檢修運用安全質量和管理水平。建設物聯(lián)網(wǎng)目標有以下幾點：(1)對生產(chǎn)設備進行升級改造，加裝傳感裝置，將生產(chǎn)設備全部網(wǎng)絡化監(jiān)控；(2)生產(chǎn)過程透明化、信息化；(3)通過粘貼RFID電子標簽、數(shù)據(jù)條碼或刻打金屬二維碼的方式，對所有檢修零部件進行全過程跟蹤；(4)建立質量卡控平臺，對生產(chǎn)設備進行智能自動控制、評估；(5)對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行自動甄別、分類、分析。

3.1.4 車輛系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)功能設計

3.1.4.1生產(chǎn)設備管理

(1) 設備資產(chǎn)信息化：將生產(chǎn)現(xiàn)場每臺工裝設備的基本信息建立電子檔案，安裝一個二維碼標簽，作為設備的唯一標識。

(2) 設備聯(lián)通網(wǎng)絡化：對于已經(jīng)具備聯(lián)網(wǎng)功能的設備，根據(jù)設備遵循的網(wǎng)絡協(xié)議，為設備定制數(shù)據(jù)采集方案。對于未聯(lián)網(wǎng)的設備進行升級改造，增加網(wǎng)絡傳輸模塊，使其能夠進行數(shù)據(jù)雙向傳輸，然后定制數(shù)據(jù)采集方案。

(3) 生產(chǎn)設備狀態(tài)監(jiān)控：為現(xiàn)場生產(chǎn)設備安裝數(shù)據(jù)采集裝置(傳感器)，每天24 h實時監(jiān)控設備運轉的數(shù)據(jù)并記錄。

(4) 生產(chǎn)設備數(shù)據(jù)采集：除了采集設備狀態(tài)的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)接入每臺生產(chǎn)設備的加工檢測結果等生產(chǎn)數(shù)據(jù)也需要被采集。對于中國國家鐵路集團有限公司(以下簡稱“國鐵集團”)已經(jīng)公布數(shù)據(jù)接口協(xié)議的設備(例如輪軸流水線各智能檢測設備)，按照國鐵集團發(fā)布的要求采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)。對于國鐵集團沒有明確規(guī)定接口協(xié)議的設備，應由系統(tǒng)研發(fā)單位與設備廠家共同協(xié)商制定設備接口協(xié)議，將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)浇y(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫。

(5) 生產(chǎn)設備數(shù)字化監(jiān)控：通過GIS設備地圖展現(xiàn)段內(nèi)所有生產(chǎn)設備的位置，GIS設備地圖通過放大、縮小可總覽所有全段設備位置全局圖，或者指定顯示某一層的所有設備，或指定顯示某一地區(qū)局部的設備布局圖。

3.1.4.2生產(chǎn)流程監(jiān)控

(1) 生產(chǎn)計劃執(zhí)行監(jiān)控：以整車檢修流程為基礎，以圖形化的方式建立整車生產(chǎn)流程監(jiān)控平臺。系統(tǒng)顯示每臺車輛的生產(chǎn)工序待處理故障、計劃完成時間、實際完成時間等信息，從而方便查閱。

(2) 生產(chǎn)過程記錄：每日開工時，通過人機交互方式完成設備的點檢，系統(tǒng)記錄設備點檢信息以及工作者開啟設備的時間，并記錄各零部件開工完工時間。

(3) 生產(chǎn)流程告警：對于生產(chǎn)滯后的工序，系統(tǒng)給予生產(chǎn)滯后原因告警，例如設備停機時間過長、設備故障、人員缺勤或材料缺料、材料返修等。同時，系統(tǒng)根據(jù)當前可運轉設備數(shù)量、人員出勤情況以及當日待加工零部件數(shù)量，重新生成新的當日生產(chǎn)計劃。

3.2 智能化物料配送應用

3.2.1 物料的編碼準備

通過與供應商協(xié)商統(tǒng)一編碼規(guī)則，由供應商在出廠時將產(chǎn)品的制造批次、型號、廠家代號、制造日期、保質期、合格證等信息形成二維碼，標識在產(chǎn)品包裝上。物料采購到檢修單位后，通過掃描碼設備識別后，核對實物，并進行入段檢驗。倉庫門口設置物料檢查門，對出入托盤進行自動識別(托盤裝RFID電子標簽)。

3.2.2 物料托盤的準備

運輸托盤進行專項改造，分為專用托盤、通用托盤兩類，托盤上均粘貼條形碼和RFID電子標簽,用顏色區(qū)分待檢修、檢修合格品和報廢品。

(1) 根據(jù)檢修的配件設置專用的托盤，并根據(jù)檢修狀態(tài)分待檢修(黃色)、檢修合格品(綠色)、報廢品(紅色)，每個托盤上粘貼條形碼和RFID電子標簽,方便工作者對整個托盤物料的配送、接收進行識別。

(2) 對標準件可以采用通用托盤，通用托盤設置不同規(guī)格的標準物料存放箱，不同的存放箱根據(jù)檢修狀態(tài)分待檢修(黃色)、檢修合格品(綠色)、報廢品(紅色)，每個托盤上粘貼條形碼和RFID電子標簽,方便工作者對整個托盤物料的配送、接收進行識別。

3.3 工業(yè)視覺檢測系統(tǒng)的應用

(1) 工業(yè)視覺檢測系統(tǒng)的優(yōu)點主要體現(xiàn)在：檢測效率高，產(chǎn)品檢測率可達100%；速度快，可配合生產(chǎn)流水線速度進行,實現(xiàn)非接觸、非破壞檢測，對產(chǎn)品沒有損害；低成本,自動檢測節(jié)省了大量的人工成本；長時間運作穩(wěn)定,是人工無法做到的；可進行快速精確尺寸測量,保證產(chǎn)品測量尺寸的精度；可在一些不適宜人工作業(yè)的危險環(huán)境中工作。

(2) 工業(yè)視覺檢測系統(tǒng)具備產(chǎn)品缺陷在線自動檢測和產(chǎn)品尺寸在線精確測量功能。

產(chǎn)品缺陷在線自動檢測功能是對于生產(chǎn)缺陷、各種表面缺陷、裝配缺陷、有毒環(huán)境、信息讀取、信息記錄、包裝錯誤、印刷錯誤、產(chǎn)品與設計不符等可進行在線自動檢測[1]。

產(chǎn)品尺寸在線精確測量功能是對各種幾何尺寸的測量，如長度、平行線、角度、圓度、不規(guī)則圖形、各種面積、裝配尺寸錯誤、裝配位置錯誤、尺寸及位置與設計圖是否相符等可進行在線精確測量。

3.3.4 工業(yè)視覺檢測系統(tǒng)在車輛檢修檢測中的應用

3.3.4.1車體底架檢修

工業(yè)視覺檢測系統(tǒng)能夠滿足不同車輛車體(底架)檢修及整車落成的需要，實現(xiàn)對車體(含罐體)的自動檢測，整車落成限度的自動檢測、判斷、預警。

3.3.4.2轉向架檢修

工業(yè)視覺檢測系統(tǒng)能夠滿足各型車輛轉向架的檢修工藝要求，并預留對未來新型轉向架檢測的擴展空間，實現(xiàn)對轉向架組成配件的自動(或半自動)分解及主要配件(搖枕、側架、交叉桿、承載鞍、斜楔、枕簧、下旁承、制動梁)的自動檢測、預警、判斷、標識。

3.3.4.3車鉤緩沖裝置檢修

工業(yè)視覺檢測系統(tǒng)可實現(xiàn)對成套鉤緩裝置的自動(或半自動)分解及主要配件(緩沖器、車鉤、鉤舌、鉤尾框)的自動檢測、判斷、標識。對主要附屬配件(鉤鎖鐵、鉤舌推鐵、鉤鎖銷及鎖銷桿、從板、鉤圓銷、鉤尾銷、鉤尾銷組裝螺栓、彈性支承裝置)進行自動檢測 。

3.3.4.4空氣制動配件檢修

工業(yè)視覺檢測系統(tǒng)能夠滿足各型制動閥及空重車閥(調(diào)整閥、傳感閥)、制動軟管、折角塞門、安全閥、緩解閥、脫軌自動制動閥檢修及試驗工藝要求。實現(xiàn)對配件進行分揀、檢測、存儲、標識、智能判別。實現(xiàn)檢測工位數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)、HMIS自動傳輸，以高科技手段改善作業(yè)條件，減輕勞動強度，提高勞動效率。

3.3.4.5輪軸檢修

工業(yè)視覺檢測系統(tǒng)可實現(xiàn)輪對自動檢測，軸頸、防塵板座自動檢測，車軸自動檢測，輪餅自動檢測，軸承自動檢測。同時滿足現(xiàn)有鐵路用車型輪對的裝車選配需求，可根據(jù)車型、車號、轉向架型號等信息按最優(yōu)化原則選配輪對，并記錄裝車日期、軸位等信息，生成相關記錄。

3.4 數(shù)據(jù)的處理及應用

設備互聯(lián)互通產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)的有效分析處理，是智能化生產(chǎn)的核心問題。檢修質量控制貫穿車輛檢修全過程，對檢修全過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行收集、比對、分析，運用數(shù)據(jù)分析結果輔助對檢修過程質量的控制。

3.4.1 質量控制平臺

建立質量控制平臺，在平臺中設置各生產(chǎn)設備運行的告警閾值，系統(tǒng)根據(jù)閾值對非法運轉、非法移動、故障停機、電壓異常、溫度異常的設備，實時進行提示告警。

根據(jù)國鐵集團發(fā)布的各項檢修規(guī)程，質量控制平臺應為每臺生產(chǎn)設備設置加工零部件的閾值，閾值的設定根據(jù)零部件的型號、材質以及修程來確定。對于尺寸超標的零部件，質量控制平臺會提示告警信息。

零部件組裝時，質量控制平臺自動檢查待組裝零部件的型號、材質、尺寸等關鍵數(shù)據(jù)是否符合組裝要求，如果不符合，質量控制平臺提示告警信息。

設置各設備的保養(yǎng)周期，系統(tǒng)對于到期或過期未按要求保養(yǎng)的設備進行相關的告警提示，并將待保養(yǎng)設備信息推送給設備維護負責人。

3.4.2 大數(shù)據(jù)分析平臺

構建車輛段級基礎數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、成本數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)倉庫后，更重要的是發(fā)揮數(shù)據(jù)分析對生產(chǎn)決策的輔助作用。物聯(lián)網(wǎng)建設平臺引入統(tǒng)計分析工具，在對生產(chǎn)業(yè)務深入理解的基礎上進行數(shù)據(jù)分析，為各級決策者和管理部門提供適合的貨車檢修管理數(shù)據(jù)。系統(tǒng)可實現(xiàn)靈活的自助服務設計，減少在組織中共享信息的成本和時間。同時，實現(xiàn)信息的廣泛訪問，滿足車輛段決策制定者的需要。

4 應用預期

建立統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和數(shù)據(jù)倉庫，實現(xiàn)設備、配件、數(shù)據(jù)應用分析系統(tǒng)與作業(yè)崗位之間的信息互聯(lián)互通，對檢修信息進行采集和存儲，并實現(xiàn)與HMIS系統(tǒng)的信息共享，可為車輛檢修的生產(chǎn)、質量管理提供即時、準確的依據(jù)，滿足車輛檢修的智能化要求。工業(yè)視覺檢測系統(tǒng)是車輛檢測設備的發(fā)展趨勢，制定參考標準，結合未來的更新?lián)Q代，實現(xiàn)配件檢修的自動檢測、判別、智能輔助制定檢修處置方案，在車輛檢修中將被逐步推廣。采用智能化設備代替原有人工搬運作業(yè)，可降低檢修生產(chǎn)環(huán)節(jié)的勞動強度，提高生產(chǎn)效率。采用物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享及自動數(shù)據(jù)采集，可減少書面記錄和鍵盤錄入可能帶來的人為因素干擾?？傊?，通過構建統(tǒng)一的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)以及工業(yè)視覺檢測系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)分析結果在車輛檢修檢測中的應用，有助于實現(xiàn)車輛檢測向智能化生產(chǎn)方向邁進。