動車組高級修工藝數字化管理系統關鍵技術研究

朱 湘，周明濤，張海濤，卞 彬，黃 凱

（1.中國鐵道科學研究院 研究生部，北京 100081；2.中國鐵路上海局集團有限公司 上海動車段，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有限公司 車輛部，上海 200071）

近年來，數字經濟與鐵路行業的融合逐步加深，特別是在機車車輛領域，眾多機車車輛制造企業、檢修站段紛紛加大投入，積極謀求數字化轉型[1-4]。數據是數字化轉型的基礎，能夠為計算機輔助工藝設 計（CAPP，Computer Aided Process Planning）、企業資源計劃（ERP，Enterprise Resource Planning）、制造執行系統（MES，Manufacturing Execution System）等提供基礎數據支撐，是數字化生產的基礎；數字化工藝，是企業數字化轉型的基石[5]。目前，動車組高級修工藝數據的載體為作業指導書，工藝編制維度不一，缺少統一規范，歸類管理、比對校核的難度大，工藝未實現結構化管理，無法被MES 直接引用，不能發揮關鍵工序和工步引導、智能檢測數據卡控等功能，不利于過程回溯和質量控制；工藝流程作為工藝數據的重要內容，未在作業指導書中完整體現，存在信息缺失。

為此，本文設計動車組高級修工藝數字化管理系統，研究其關鍵，助力動車組檢修企業的數字化轉型。

1 系統總體架構

通過對高級修工藝管理存在的問題及數字化生產實際需要的研究分析，按照層次結構設計思想，提出動車組高級修工藝數字化管理系統的總體架構，如圖1 所示。

圖1 動車組高級修工藝數字化管理系統總體架構

1.1 支撐環境層

支撐環境層主要包括分布式數據庫、服務器、操作系統等，提供滿足多任務、分布式任務調度需求的系統開發環境。數據庫主要用于存儲工藝數字化過程中所涉及的基礎工藝數據，如高級修部件物料清單（BOM，Bill of Materials）、工藝BOM 等。

1.2 應用層

應用層按照不同粒度將系統功能劃分為多個模塊，模塊之間既保持松散的耦合關系，便于功能擴充和維護，也具有較強的關聯性，確保數據在模塊間有效傳輸[6]。采取完全集成的模式，與MES 使用統一的開發平臺和數據庫，向MES 自動傳輸準確規范的數據，實現工藝對數字化生產的引導作用。

1.3 表現層

動車組高級修工藝數字化管理系統采用B/S 架構，用戶可通過身份驗證登錄本系統，依據不同角色的權限配置訪問差異化的人機交互界面。用戶可在本系統內進行部件BOM、工藝卡片、工藝BOM的檢索、查看、編輯等操作；本系統提供工藝流程圖、甘特圖等圖形化顯示界面，可用于后續計劃編制和進度追蹤[7-8]。

2 系統功能

動車組高級修工藝數字化管理系統的3 個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 者之間既相互獨立，分別存儲不同類型的工藝數據信息，又相互關聯，部件BOM 與工藝BOM 分別通過與工藝卡片的綁定實現兩者之間的映射。此外，本系統還滿足權限管理、集成管理和系統管理的需要。通過用戶的角色配置實現不同權限的賦予，以便分類管理工藝編制、審核、發布、查看等權限。

2.1 高級修部件BOM 功能

統一工藝的編制規則，優化工藝編制流程，建立基于高級修部件BOM 的工藝編制體系，該體系層次結構清晰，便于比對校核。

2.2 高級修工藝卡片庫功能

通過對標準、工具、物料、檢修記錄、參數取值等工藝數據的結構化配置，形成結構化工藝卡片庫，實現高級修工藝的數字化管理，可向MES 直接提供準確規范數據，發揮工藝指導生產的作用。

2.3 高級修工藝BOM 功能

實現工序與結構化工藝卡片的綁定，建立工藝數據自動推送的關聯關系；補全高級修工序順序、工藝流程等信息，可為下一步數字化生產的計劃編制、任務分派等功能提供基礎數據支持。

3 關鍵技術

3.1 工藝數據存儲環境配置

考慮到高級修工藝數據存儲體量及數據管理安全性、可靠性、易用性的需求，采用SpringBoot+VUE 前后端分離的開發架構，集成JPA 框架，對MariaDB 數據庫進行配置，以關系型數據表的形式實現對結構化工藝數據的存儲管理。配置FTP 服務器，滿足非結構工藝數據的存儲需要，如圖片、文檔等，并通過統一資源定位符實現文檔與數據表的關聯。

3.2 高級修部件BOM 模型構建

以CRH380B 型動車組三級修架車修為例，按照動車組產品結構組成，結合高級修規程中所列檢修部件和檢修屬性，對動車組進行逐級分解，形成樹形結構模型，如圖2 所示。

圖2 動車組高級修部件樹形結構模型

圖2 所示的樹形結構模型既包含了動車組高級修部件明細，也展示了部件之間的結構關系，藍色表示須從上一級部件中分解，對應規程的分解檢修；黃色表示依附于上一級部件無須分解，對應規程的原位檢修；綠色表示部件對應不同性質的工藝卡片。

（1）通過選擇動車組車型自動獲取車廂數量的配置信息，確定規程、檢修方式后，創建部件BOM框架；

（2）在部件BOM 框架內通過添加一級部件或添加子部件呈現部件的層級結構。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，形式上均構成“父子關系”，為了加以區分，增加了部件屬性信息并展示在部件BOM 上；

（3）以部件BOM 中各部件節點為對象，依據規程要求配置相應的分解、清洗、檢修、試驗、組裝等工藝卡片，形成動車組部件BOM，如圖3 所示。

3.3 工藝基礎數據標準化、參數化、結構化

除工藝性質、檢修方式和適用范圍等基本信息外，工藝卡片更重要的內容是工藝基礎數據，包括工步、方法、工具、物料、記錄和檢測等要素。實現工藝基礎數據的標準化、參數化、結構化，便于MES 識別、復用，以滿足各類管理需求。預設常用的抽檢方式、檢測參數等字典庫，工具、必換件等資源信息可從統一開發的資源庫內選取，確保數據格式統一；設置扭矩、尺寸、電阻、壓強、溫度等數值類型，對工藝方法、取值范圍等要素實施參數化管理，實現工藝快速編制、數值自動校驗；按照預定義的數據模型、嚴格一致的順序和明確的數據類型，對工藝進行結構化配置，利用關系型數據庫進行表示和存儲，形成可識別的結構化工藝。對于結構化的工藝卡片，建立工藝文檔庫進行統一歸檔、瀏覽、編輯、簽審、下發等管理。

3.4 高級修工藝BOM 模型構建

動車組高級修涉及部件繁多，工藝內容復雜，以CRH380B 型動車組三級修架車修為例，包含接車預檢、架車、車體檢修、轉向架檢修、落車、稱重、靜態調試、動態調試、驗收交車等一級工序，在各一級工序下還有多個二級、三級工序，可利用樹形 結構展示，如圖4 所示。

圖4 動車組高級修工藝樹形結構模型

（1）通過選擇動車組車型、規程、檢修方式等基礎信息創建工藝BOM 框架；

（2）在工藝BOM 框架內通過添加一級工序或添加子工序呈現工序的層級結構?；诟鞴濣c工序所對應的工藝性質和部件清單，建立工藝BOM 與部件BOM 的映射關系，如圖5 所示；

圖5 工藝BOM 與部件BOM 映射關系

（3）在工序節點的詳情界面選擇維護工藝包，基于部件和工藝性質兩個維度實現工序和工藝卡片的綁定，為后續工單執行和工藝數據推送建立關聯關系，并形成動車組高級修工藝BOM，如圖6 所示。各工序所需要時間、人員、工具、物料等資源需求可由工序下的工藝卡片數據匯總得到，提供給ERP、MES 等系統使用。

圖6 動車組高級修工藝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，它描述了動車組高級修的工序順序，由于樹形結構和工藝BOM 的局限性，無法直觀展示工序的串并行關系，通常采取工藝流程圖的展示方式。工藝流程圖以圖表符號的形式表達產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點按照特定的串并行關系組合而成，某個工藝流程節點可由與其子工藝流程構成，即工藝流程之間存在組成和層次關系。高級修工藝流程示意如圖7 所示。

圖7 動車組高級修高級修工藝流程示意

3.5.1 工藝流程節點數據結構

工藝流程節點作為基本組成單元，其數據結構為

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

由圖7 可知，8 車轉向架檢修工藝流程中的8 車構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，串行序號為3，并行序號為1，其前置工藝流程節點為轉向架清洗，父級工藝流程節點為8 車轉向架檢修，故其數據結構為

3.5.2 工序節點與工藝流程節點的轉換

在工藝BOM 向工藝流程映射的過程中，重點在于解析工藝BOM 中工序節點的數據結構，并對比工序節點與工藝流程節點之間的數據結構差異，通過添加前置工序的功能，補全工序節點的串并行信息，實現工序節點向工藝流程節點的轉換，并最終生成高級修工藝流程。

基于圖4 的工藝樹形結構和圖6 的工藝BOM，可以得到工序節點的數據結構為

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

對比兩者數據結構發現工藝流程節點與工序節點的名稱、所在層級、父級節點一一對應，差異項為工藝流程節點包含串并行序號、前置節點，工序節點僅包含同一層級下的順序號。由于OrdID與SerID、ParID、Pre-Node缺少直接關聯關系，在工藝BOM 界面增加前置工序功能，允許同一父節點下的子節點之間相互綁定，前置工序的先后順序形成串行關系，前置工序相同的工序節點形成并行關系。

綁定前置工序后的工序節點數據結構更新為

式（4）中，Pre-Np為前置工序節點。

借助各節點的數據結構信息和gantt.js 等甘特圖插件，實現了工藝BOM 向工藝流程的映射，自動生成高級修工藝流程圖和甘特圖如圖8 和圖9 所示。

圖8 動車組高級修工藝數字化管理系統生成的工藝流程

圖9 動車組高級修工藝數字化管理系統生成的甘特圖

4 應用場景

基于系統總體框架和關鍵技術，構建動車組高級修工藝數字化管理系統，以中國鐵路上海局集團有限公司上海動車段轉向架車間為具體應用場景，對CRH380B 平臺動車組三、四級修基礎工藝實施數字化管理。建立4 份部件BOM 和4 份工藝BOM，編制基礎工藝卡片556 份，通過部件BOM、工藝BOM與基礎工藝卡片的綁定，實現兩者之間的映射；有效發揮工藝指導生產的作用，向9 個工區35 個工位的MES 終端設備推送基礎工藝數據，實現工步引導、數據檢測、質量卡控等功能，滿足了數字化生產的需要。

5 結束語

動車組高級修工藝數字化管理系統利用高級修部件BOM 能夠統一工藝編制規范，優化工藝編制流程，層次結構清晰，便于同類部件之間校核比對；對基礎工藝數據實施標準化、參數化、結構化管理，可向MES 直接提供準確規范數據，發揮了工藝指導生產的引導作用，為實現數字化生產和保障檢修質量打下良好基礎；構建高級修工藝BOM 并實現向工藝流程的映射，補全了高級修工序順序信息，有利于快速管理、查看工藝信息，同時基于工藝流程可為下一步數字化生產的計劃編制、任務分派等功能提供基礎數據支持。