数字化工厂在高铁车辆制造中的应用展望_郭琦.pdf

第期 年月 研究开发文章编号：（）数字化工厂在高铁车辆制造中的应用展望郭琦（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 ）摘要：随着各种新型技术的快速发展，如大数据、网络 技术、图像识别、三维成像、云计算、人工智能、物联网等，同时，随着全球化经济的快速发展和各行各业的高速发展，使企业不得不探索和采取全新的产品设计和制造模式满足市场需求和行业发展。智能数字化工厂技术在未来制造业中的应用将是重要的发展趋势。本文介绍了基于产品全生命周期的数字化工厂的概念、发展现状及高铁制造业的特点，结合产品全生命周期数字化工厂和高铁制造业的特点说明了基于全生命周期管理的数字化工厂在高铁制造业中具有很好的应用优势和发展前景。关键词：数字化工厂；全生命周期；产品数据管理；高铁车辆制造中图分类号：文献标志码：（，）：，：；收稿日期：第一作者：郭琦（），男，工程师。随着全球化经济的快速发展和各行各业的高速发展，使企业不得不探索和采取全新的产品设计和制造模式满足市场需求和行业发展。随着中国技术的迅猛发展，高铁技术已成为中国赶超世界最为成功的技术之一。高铁制造注重高效、高速和高质量，数字化工厂技术在高铁制造中是一个很重要的应用。高铁制造业作为大型制造业，设计、制造、售前、售后均会产生大量过程数据，因此数据的管理、研究和应用对于企业制造具有非常重要的意义，利用数字化工厂技术优势与高铁制造相结合具有很好的应用前景和优势。数字化工厂的概念和发展数字化工厂的概念数字化工厂是以数字化、信息化和网络化为主要特征，在企业研发、制造、经营、服务等全流程中开展数字化应用，实现业务全覆盖和数据贯通。在数字化研发方面，以数字化的手段开展产品设计和工艺设计，在虚拟环境下完成产品性能仿真和制造仿真，实现在复杂虚拟环境下的产品仿真和验证；在数字化生产过程方面，通过车间数字化实现智能生产线、智能物流和信息系统的集成应用；在数字化服务方面，利用企业丰富第 卷第期 年月的产品数据资源，开展数据运营，向客户提供专业化、社会化和个性化服务，持续改进企业数字化流程和绩效评估机制，打造数据驱动型企业。数字化工厂起初只是对于某一微小的过程单元进行数字化应用，主要是借助计算机来获取产品在生产和制造过程中的机理信息进行产品设计、工艺设计及控制优化，通过虚拟制造技术对生产过程进行仿真，并且分析、预判和解决生产过程中可能出现的问题。随着各项新型技术的不断提升和发展及制造行业各项技术的成熟和进步，现阶段的数字化工厂已经形成了广义的数字化。目前的数字化工厂通过设计研发数字化、工艺制造过程数字化、全流程管理的数字化等的集成，实现整个制造工厂的数字化。数字化工厂的发展制造业相关企业是国家重要的工业部门，其基本职能是为客户提供所需的产品。随着全球制造业的迅速发展，产品生产原材料和制造过程成本不断增加，对于产品制造企业规模化和精细化的要求越来越高，需要生产出性价比更高的产品，从而进一步取得经济效益和社会效益。为了保证整个制造企业能够有条不紊地进行产品生产制造，信息的采集、处理、传递和响应变得非常重要，因此制造企业采用了计算机技术和网络技术来实现整个制造过程的数字化和信息化。数字化起初通 过一些计算机 技术，如：计 算 机 辅 助 设 计（，）、产 品 数 据 管 理（，）、企 业 资 源 计 划（，）等来实现产品的设计，目的是解决从产品设计到产品生产制造之间的“鸿沟”。通过虚拟技术和 设计降低了产品开发成本和设计风险，减少了从产品设计到产品生产制造之间的不确定性，同时有效缩短了产品的交付时间。通过数字化技术对生产过程的模拟和优化，提高生产和制造的效率。随着计算机技术、信息化技术、网络化技术的快速发展，数字信息化和制造自动化已经展现出很强的优越性，数字化的应用已经从工厂的局部小范围扩展到了制造业企业的各个环节，企业的生产组织形式和管理运营模式已经被广义的数字化概念改变。在数字化工厂中除了传统的制造过程的数字化，其他与制造过程相辅相成的工作也被赋予数字化职能进行管理和运作，如人力资源管理、财务系统管理、物料系统管理等。数字化同时可以实现企业核心业务流程和商务活动的管理，在高水平、高阶段的数字化工厂中，小到具体操作，大到战略决策都采用数字化实现。制造业工厂的生产经营活动通过数字化技术对生产全过程进行模型搭建和项目管理。制造业企业通过数字化工厂技术实现管理模式和组织架构等的革新。自 世纪末以来，全球各国比较大的制造企业都通过数字化工厂技术对生产效率和经营效益进行了提高。数字化工厂架构数字化工厂的建设主要通过以下个方面进行构建：产品全生命周期和系统层级。从这个维度实现数字和物理世界的协同管理和信息交互。产品的全生命周期主要是由产品研发设计、工艺规划设计、生产制造过程、服务保障等部分组成，他们相互制约、相互作用、相互影响同时又相互统一。系统层级主要包含设备及资源控制层级、数据库层级、管理层级以及协同层级。从产品全生命周期和系统层级个维度构建的数字化工厂架构示意图如图所示。图数字化制造工厂系统架构图数字化工厂建设的意义数字化工厂通过吸收和引进当今先进技术，结合生产制造企业的自身特点进行自主研发，实现生产制造企业的智能化、集成化、网络化和可视化，通过数字化工厂的建设：（）可以缩短产品制造周期；（）可以减少产品设计成本；（）产品的工艺设计和布局规划可以得以优化；（）生产线效率得以提升；（）施工人员劳动强度可以降低；（）产品质量得到保证。从而 实 现制 造 企业从粗放型管理到精益 管理、从经验主义的管理到科学管理的革新，全面提升了制造企业的竞争力。数字化工厂在高铁车辆制造中的应用展望郭琦产品全生命周期定义产品全生命周期定义产品全生命周期管理（，）是在 基础上发展而来，主要是通过一致的数据访问模型将不同的工程应用数据和商务数据集成，使 中的使用者协同开展工作。其主要核心是在产品整个生命周期运营一系列先进的信息技术，实现企业各个层级和各个阶段的全方位协同。根据图可以看出产品全生命周期应用的范围。图产品全生命周期管理（）内涵和应用范围产品全生命周期管理与数字化工厂之间的关系数字化工厂是在产品全生命周期的基础之上，在产品整个生产过程中通过虚拟的数字环境进行仿真和优化而产生的一种生产组织形式。在数字化工厂中，产品的全生命周期通过数字化进行描述，从而建立起数字化空间。实施 后的优势 的核心思想是产品至上，的目的是进一步完善和优化先进的制造技术，提高产品制造的质量。通过 的实施，可以更加有效的监控产品的生命周期，通过协调各个环节可以提高产品生产效率、降低生产成本、缩短产品生产制造时间和提升企业制造的竞争力。高铁车辆制造厂数字化实现高铁车辆制造厂数字化实现过程中，信息控制系统是基础，体系结构是支撑，应用架构是关键，构建模型是核心，最终通过高铁车辆数字化工厂实现企业资源配合的最优配置和运作。高铁车辆制造厂数字化特征高铁车辆制造厂通过有效的利用和管理数字化信息流来进行产品设计和制造，实现内部所有成员之间协同工作和资源共享，提高整个流程的生产效率和服务效率。高铁车辆的设计研发和生产制造是一项负责的工程，一列高速动车组共有 多万个零件和由 余个独立的系统构成，特点就是零部件数量多、设计工艺流程精密复杂、生产制造到售后服务周期长，从而导致在高速动车组全生命周期内会有庞大的信息流和数据流。高铁车辆制造的这种特点在数字化工厂的建设应用中具有得天独厚的优势。高铁的数字化工厂主要有以下过程：数字化设计研发、数字化工艺制造、数字化管理运营、数字化售后服务。高铁车辆制造厂数字化工厂架构高铁车辆制造厂数字化工厂主要是围绕高铁车辆的制造为核心，通过传统的信息化平台进行大数据管理和大数据分析，实现高铁车辆制造厂的数字化工厂建设。高铁车辆制造厂数字化运营管理高铁车辆制造厂通过数字化构建卓越的运营体系，真正实现企业数字化的运营管理，变成卓越的运营管理体系。高铁车辆制造厂数字化设计与仿真高铁车辆制造厂设计研发通过数字化平台进行仿真和优化、进行全三维应用和实现无图化制造。通过数字化设计研发缩短生产周期、降低实物验证成本。高铁车辆制造厂应用结构数字化高铁车辆制造厂是一个深化了数字化内涵的企业，生产经营活动具有信息化、数字化和网络化的特点。与传统的车辆制造厂相比，高铁车辆制造厂已完成了初级阶段的微观数字化。高铁车辆制造厂生产过程数字化数字化的高铁制造工艺设计、工艺规划和产品数据及信息可直接参与车辆制造生产过程，依靠数据化信息进行生产，使整个生产工序成为一个高度协同的整体，通过先进的网络技术快速及时地获取生产所需信息。高铁车辆制造厂质量管理数字化高铁车辆制造厂质量管理是非常重要的环节，通过将车辆数据进行监控保存，可以有效地把控产品生产质量，出现问题和故障时可以对问题进行快速定位和精准分析，有助于质量损失的降低，实现了质量管理、分析、跟踪、定位和控制的标准化。第 卷第期 年月结语高铁车辆制造厂数字化工厂贯穿整个高铁制造，如设计、工艺、运营、检修、报废的全过程等，它是多个系统的协同和整合。随着无线网络技术、机器视觉技术和先进传感器技术在高铁制造业中的应用和发展，建设和发展智能化、数字化的高铁制造工厂将是未来高铁制造业发展的重要趋势。参考文献：庄天天 数字化工厂及其关键技术研究 河南科技，（）：，（）：李平，邵赛，薛蕊，等国外铁路数字化与智能化发展趋势研究中国铁路，（）：，（）：王金庆 数字化工厂及其关键技术研究 南京航空航天大学 缪炳荣，张卫华，刘建新，等工业下智能铁路前沿技术问题综述交通运输工程学报，（）：，（）：梁建英，刘韶庆，范庆龙，等大数据在我国高速动车组运维中的应用 控制与信息技术，（）：，（）：王同军 中国智能高铁发展战略研究 中国铁路，（）：，（）：王刚基于全寿命周期的高铁项目风险管理研究青岛理工大学 牛道安智能高铁联调联试技术创新与展望中国铁路，（）：，（）：韩雪高速列车制造作业成本管理研究北京交通大学 蔡丽娟，蔡佳丽，罗富娟机械设计制造的数字化与智能化发展 时代汽车，（）：，（）：广 告 索 引柳州科路测量仪器有限责任公司封二成都主导科技有限责任公司前插青岛城市轨道交通科技有限公司前插中车山东机车车辆有限公司前插中车青岛四方车辆研究所有限公司后插株洲中车天力锻业有限公司后插、南京启越机电设备有限公司后插北京市城南橡塑技术研究所封三哈尔滨市科佳通用机电股份有限公司封四