軌道車輛全生命周期數字化焊接體系現狀及展望

侯振國， 鈕旭晶

中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 063000

0 引言

焊接在風電、核電、航空航天、尖端武器裝備等諸多領域的關鍵產品開發與生產中發揮著重要的作用。隨著大批裝備制造企業不斷加快焊接生產信息化和數字化改造，我國制造業焊接生產過程的數字化、網絡化、智能化整體水平不斷提高［1］。數字化及智能化焊接已經成為國內焊接發展的新趨勢［2-3］。隨著5G網絡的推廣，使得設備物聯、供應商協同管理，智能化焊接更加便捷、高效，全生命周期焊接管理及體系的建立逐步成為循環經濟中重要的一環。以核電領域為例，鄭州大學構建了核電站全生命周期數據管理框架體系［4］，實現了在大型核電站全生命周期內的主要階段，對各類數據進行定義、收集、評估、共享、協同應用、維護、歸檔、銷毀等處理，并對數據資源的全生命周期進行科學、全面管理［5］。由此可見，全生命周期數字化焊接體系的搭建和應用是我國制造業發展的必然趨勢，是實現“智能制造2025”的必然途徑。

本文以軌道交通焊接技術體系為載體，深入研究其關鍵技術，對全生命周期數字化焊接技術進行探索和展望。

1 軌道交通焊接技術體系現狀

隨著我國軌道交通的快速發展，動車組及城軌車輛得到了越來越廣泛的運用［6-8］。軌道交通裝備制造業目前執行ISO EN15085焊接體系。體系對人員資質、設備管理、物料情況、設計工藝質量、作業環境要求、焊接檢驗、運維修理等內容做了具體要求［9-10］，基本實現了對軌道交通車輛焊接產品全生命周期的控制。但是目前整個焊接質量的管理主要是靠專業的技術管理人員進行，輔助一些簡單的軟件。在大數據處理、焊接質量智能評價、資質智能管理等數字化管理方面未形成完善的數字化焊接技術體系。在供應商管理、焊接質量綜合判定、焊接檢驗等多個環節存在人員需求量大，人為主觀性強，數據管理不規范等問題。急需采用數字化的方法，對整個軌道交通焊接體系進行模塊化、系統化的管理。通過對焊接全過程的監控及追溯，對全生命周期焊接要素進行管控等智能方法，實現智慧焊接下的全生命周期數字化焊接體系建設。

2 全生命周期數字化焊接體系的關鍵技術

2.1 全生命周期數字化焊接資源

全生命周期的焊接資源管理包括結構化的數字化焊接設備、數據庫、焊接專家系統等內容以及網絡系統數據庫等信息［11］。

2.1.1 數字化焊接設備

數字化焊機采用單片機、DSP等數字芯片，用0/1 編碼的數字信號將傳統的模擬信號取而代之，最終獲得集焊接工藝控制智能化、焊接系統集成網絡化、焊接智能化和自動化于一體的新型焊接設備。數字化焊機使冷卻裝置、電源、工裝、機器人、焊槍、送絲機的互動更加方便。數字化焊接設備以其更高的控制精度、良好的接口兼容性、快速的動態響應速度正在發揮越來越重要的作用。

2.1.2 焊接數據庫

焊接數據庫包括焊接材料、焊接工藝、焊接工藝評定管理、焊工技能評定、焊縫性能預測、模型仿真、焊接裝配順序等數據庫［12］。面對復雜的焊接生產，焊接數據庫有組織地存儲焊接領域各種數據。

2.1.3 焊接專家系統

由于焊接過程的復雜性難以量化，更多地需要專家知識做出判斷，因此焊接被認為是應用專家系統的理想領域。焊接專家系統基于焊接知識和經驗，在工藝設計或工藝選擇、焊接缺陷或設備故障診斷、焊接成本估算、實時監控、疲勞設計、焊工考試等，幾乎包括焊接生產的所有主要階段及方面。

2.2 焊接工業物聯網技術

工業互聯網采用5G 信息通信技術，對人、機、物、系統等進行全面連接，構建起覆蓋全焊接要素的全新制造體系，為智慧焊接提供技術支撐。公司通過數字化改造、升級的方式，建成焊接數字化車間，實現焊接車間焊接設備物聯監控、數據采集，以及焊接過程中的各項參數進行實時監控，提供數據支持以優化工藝、焊材能耗等數字化統計、焊接工藝下達、柔性排產與派工及焊接質量追溯等。以唐客公司的數字化產線建設為例，詳細介紹公司在工業互聯網平臺建設方面的技術特點及應用場景。

搭建公司級的工業互聯網平臺，劃分為設備層、邊緣層、平臺層和應用層如圖1所示。在設備層實現軌道車輛制造過程關鍵工序資源裝備聯網與數據采集，實現訂單執行、工藝參數、裝備運維、物料能耗等狀態信息在線監控。在邊緣層搭建有MOM 系統、資源互聯平臺、數字化調試平臺、轉向架數據采集平臺等邊緣層數據采集系統，向下接入現場裝備和系統，做數據轉換，向上傳到公司級大數據平臺。

圖1 工業互聯網平臺架構Fig.1 Industrial internet platform architecture

平臺層主要基于公司大數據平臺，用于制造數據的匯聚、共享和統一管理，為數據分析應用、可視化監控提供數據源，為生產運營決策提供數據支撐。

在數據分析應用方面，利用工業大數據平臺實現軌道車輛產品制造過程數據分析建模與質量預測，監控車輛制造過程重量變化，基于數據模型驅動落車高度預警。在制造數據資產方面，計劃后續對現場裝備采集數據進行資產化管理，快速實現數據的匯聚、追溯、復用與維護等。

2.3 焊接過程AI智能管控技術

基于AI視覺的深度學習算法，結合高精度圖像算法，將人員規范的大數據結合人工智能和圖像處理技術，通過圖像預處理，標注，訓練等方式，結合5G網絡技術，可以快速識別焊接過程中人員的行為規范，例如焊接順序、安全防護違規、作業場所違規操作等風險事件并報警，幫助管理人員及時做出反應。

焊接過程智能巡技術。采用VR 眼鏡的方式，通過AI識別功能，高效準確地識別出焊接過程的異常問題，不再單純依賴人的判斷?？梢暬腎OT 分析和實時數據記錄的調閱可輔助人員快速定位問題。通過焊接管理人員可掌握現場信息及員工作業信息，精準管理，同時減少人員誤操作、漏操作，提高作業規范和質量。

同時基于3D 視覺和激光掃描系統，采用基于模糊推理的專家系統進行缺陷識別，通過深度學習引擎，只需標注，即可把人工經驗轉化成AI算法，將檢測分析得到的焊件信息數據存入相應的數據容器中，對焊接缺陷等進行識別，可穩定區分不同形狀、大小、類型等多種焊接缺陷，快速提高產線自動化、智能化程度及檢測效率。

2.4 基于全要素的焊接質量智能輔助技術

全要素的焊接質量智能輔助技術是通過收集分析焊接過程參數、焊接材料、設備信息、環境要求、部件焊縫信息、焊前狀態等數據信息，利用數據分析、智能算法、統計學模型等技術，對焊接工藝過程進行全面的數據采集、處理和分析，挖掘影響焊接質量的因素，建立焊接質量的預測和評估模型，實現技術路徑如下：

（1）收集不同狀態、不同階段下的焊接過程數據，實現相關數據的數字化轉化。

（2）針對不同焊接階段單獨分析影響焊接質量的相關因素，并獲得定量的分析結果。

（3）針對焊接過程進行焊接質量影響因素的綜合分析，并獲得相應量化結果。

（4）基于智能算法或者數理統計模型，實現焊接質量的數字化評價。

通過焊接質量智能輔助系統，從多角度、多階段及多維度實現焊接質量有效管控，借助焊接質量數字化評價模型，輔助工程師進行焊接質量決策。

2.5 智能化焊接裝備的開發及應用

開展智能化焊接裝備的研究是提高焊接質量、實現數字化焊接體系高效運轉的催化劑。本文以軌道車輛用移動焊接小車為例，詳細介紹新一代智能化焊接裝備的技術特點及應用場景。

2.5.1 裝備簡介

智能移動焊接工作站如圖2所示，由總控單元、協作機器人、焊接電源及附件、多功能移動小車、視覺及激光傳感器組成。

圖2 智能焊接工作站Fig. 2 Intelligent welding workstation

2.5.2 功能介紹

該焊接小車可以實現對車體大線的智能化焊接。車輛運行會自動捕捉坡口信息和位置，將焊前信息傳輸至控制終端。系統通過大數據及算法模型對焊接參數進行初步擬定。在實際焊接過程中，根據實時焊接狀態及激光輔助修正，自動匹配合適的焊接參數（主要是焊接速度），焊接完成后對焊縫外觀進行檢測（通過標準和大數據庫對比開發）。所有過程數據均回傳系統數據庫，控制終端會對數據進行整理分析，對焊接質量做出在線評價，形成評估報告并展示界面。

通過上述過程，完成對整條焊縫的智能焊接。智能定位免示教技術，車輛運行防抖動技術，大數據處理及分析技術等關鍵技術在智能焊接裝備中得到了應用。所有的數據在智能控制終端進行存儲、分析，實現對焊接質量的控制及分析。該設備融合于整個焊接智能工廠，作為質量數據的一環在車體制造平臺，可以隨時查詢，對于不合格焊縫會自動警示和統計，不斷優化焊接工藝。

2.6 企業互聯供應商協同管理系統

基于數字化的焊接體系和供應商協同管理平臺，依托唐車數字化產品模型的研發、設計、生產、服務一體化，實現產品全生命周期的質量信息追溯，提升產業鏈供應鏈各環節質量數據共享與開發利用，推進數據模型驅動的產品全生命周期、全產業鏈的質量策劃、質量控制和質量改進。

通過中車產業鏈供應鏈數字化平臺系統，可以將產業鏈供應鏈上下游焊接產品設計、工藝策劃以及質量管理進行聯動，實現焊接供應商的延伸管理、協同設計以及資源共享，促進多樣化、高附加值產品服務創新，推進基于產品全生命周期的管理的服務質量提升。

3 軌道交通全生命周期數字化焊接體系展望

3.1 全生命周期數字化焊接體系平臺搭建

全生命周期的數字化焊接體系平臺包括焊接資源庫、焊接工藝知識庫以及焊接執行系統和過程參數監控以及質量判定，通過梳理焊接過程全要素，建立基于接頭的全生命周期的數據庫和管理平臺，實現設計、生產制造、運維以及檢修的全生命周期管理。本文以數字化焊接工藝設計為例，詳細介紹數字化焊接體系中的焊接工藝智能編制系統。

數字化焊接工藝智能編制系統主要包括系統管理、基礎知識庫、文件編制以及審批工作流等功能模塊，如圖3所示。該系統通過焊接資源數據庫和標準化流程設計，基于鋁合金、碳鋼以及不銹鋼的多材料特點，完成28 個數據表和73 項邏輯規則的設計，將焊接經驗融入信息化系統，確保公司技術標準統一，依靠基于焊接專家知識庫和基于規則推理（RBR）規則庫的推理機制，實現焊接工藝文件的自動生成，通過公司SAP 系統和MOM 系統實現結構化工藝文件的下發和執行。

圖3 焊接工藝智能編制系統構成Fig. 3 Structure of process intelligence system

通過以上系統設計與開發，完成了智能化焊接工藝系統的建設，實現焊接工藝規程WPS、焊接順序計劃、焊接檢測計劃、焊接計劃及焊接接頭清單等焊接工藝文件自動生成，同時依托MOM 生產執行系統，采集結構化焊接質量數據，實現對焊接過程中的過程參數和焊接質量的追溯管理。

3.2 推廣應用效果展望

全生命周期數字化焊接體系的建立與實施，可以保證焊接體系的有效運行。同時，大幅降低人為因素的影響能夠提升焊接質量及生產效率，對焊接過程中有可能發生的質量問題進行預判。數字化分析及管控能夠從設計、制造、檢驗交付、運維到報廢形成一個完整的閉環。通過大數據分析及模型的建立，不斷優化整個過程，大幅提升產品質量及服役性能，促進循環經濟的發展。

4 結論

（1）現有軌道交通焊接體系目前數字化水平較低、人為因素影響較大，通過智能方法實現全生命數字化焊接技術體系是未來發展的主要方向。

（2）基于5G 的設備物聯是實現大數據采集，數據治理、質量綜合評價以及供應商協同管控等技術的必要手段。

（3）智能焊接裝備的開發及應用是維持數字化焊接體系有效運轉的核動力。

（4）軌道交通全生命周期數字化焊接體系同樣適用于其余裝備制造業，可以有效降低人工成本，提升焊接質量及效率。具備廣泛的推廣應用價值。