軌道交通車(chē)輛智能化生產(chǎn)與運(yùn)維系統(tǒng)的發(fā)展與探索

張健 張鈺薇 韓振

摘? 要：隨著新一代科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的興起，各個(gè)國(guó)家都制定了符合時(shí)代發(fā)展方向與目標(biāo)的戰(zhàn)略方案?，F(xiàn)如今，鐵路行業(yè)發(fā)展迅速，我國(guó)的高鐵動(dòng)車(chē)組列車(chē)在其中起到了至關(guān)重要的作用。其裝備生產(chǎn)不僅應(yīng)當(dāng)注重高性能、高效率，還應(yīng)注重高安全、低能耗的發(fā)展模式。城市軌道交通車(chē)輛的現(xiàn)代化智能化制造與運(yùn)維體系的構(gòu)建，將改變其生產(chǎn)方式，能夠有效提升我國(guó)的智能制造技術(shù)。

關(guān)鍵詞：智能制造;軌道交通;高鐵動(dòng)車(chē)組;發(fā)展戰(zhàn)略

中圖分類(lèi)號(hào)：U279? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）27-0078-03

Abstract： With the rise of a new generation of scientific and technological revolution and industrial reform， various countries have formulated strategic plans in line with the development direction and objectives of the times. Nowadays， with the rapid development of the railway industry， the high-speed rail EMU trains in China have played a vital role. Its equipment production should pay attention not only to high performance and efficiency， but also to the development mode of high safety and low energy consumption. The construction of modern intelligent manufacturing and operation and maintenance system of urban rail transit vehicles will change its production mode and can effectively improve the intelligent manufacturing technology of our country.

Keywords： intelligent manufacturing; rail transit; high-speed rail EMU; development strategy

1 概述

隨著時(shí)代的快速發(fā)展，不斷朝著智能化的方向邁進(jìn)。中國(guó)特色社會(huì)主義進(jìn)入新時(shí)代，這是我國(guó)發(fā)展的新的歷史方位。我國(guó)經(jīng)濟(jì)已由高速增長(zhǎng)階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，需要加快建設(shè)強(qiáng)國(guó)，加快先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展，推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等和實(shí)體經(jīng)濟(jì)的深度融合。智能制造是中國(guó)制造轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要方向。此外，國(guó)內(nèi)外各國(guó)都逐步制定了一系列智能制造戰(zhàn)略，未來(lái)制造業(yè)的重要發(fā)展趨勢(shì)在于智能制造。一個(gè)國(guó)家的工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展方向及技術(shù)水平，將由城市軌道交通系統(tǒng)的整體情況而影響，這也決定了城市綜合軌道交通智能化體系的構(gòu)建。我國(guó)對(duì)軌道交通的投入也不斷加大，由于城市軌道交通具有速度快、運(yùn)量大、耗能小、占地小等特點(diǎn)，成為解決交通運(yùn)輸中客流量大、交通擁堵、速度慢等問(wèn)題的有效手段，這也是我國(guó)軌道車(chē)輛產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向與機(jī)遇。

近年來(lái)，我國(guó)的鐵路行業(yè)持續(xù)迅速發(fā)展，對(duì)高端裝備制造等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有較為明顯的帶動(dòng)作用。為了保障城市軌道交通系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性與可靠性，不僅要實(shí)現(xiàn)軌道車(chē)輛的智能制造，也要保證其智能運(yùn)維，提升系統(tǒng)效率。

2017年，中車(chē)青島四方車(chē)輛研究所有限公司[1]研制的首臺(tái)高鐵軌道車(chē)輛智能檢修系統(tǒng)亮相南京2017世界智能制造大會(huì);首次實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化檢測(cè)，提高了列車(chē)的故障識(shí)別與檢測(cè)效率。2017年，史紅衛(wèi)等人[2]提出了通過(guò)智能儀器與智能檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)車(chē)間狀態(tài)智能感知與工藝流程控制的方法，并探討了智能儀器與智能檢測(cè)技術(shù)在智能制造系統(tǒng)中新的應(yīng)用模式，同時(shí)結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行了數(shù)字化生產(chǎn)線(xiàn)改造與建設(shè)的創(chuàng)新實(shí)踐，提出了滿(mǎn)足智能制造要求的智能儀器與檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向;通過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐應(yīng)用，該模式可有效促進(jìn)智能制造系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集、智能感知的實(shí)現(xiàn)，能夠提供有效的數(shù)據(jù)資源。2018年，張建聳等人[3]以重卡生產(chǎn)線(xiàn)智能裝配項(xiàng)目為例，介紹了智能制造在重卡生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)踐，并在總裝一現(xiàn)場(chǎng)分部探索“卡車(chē)公司智能制造系統(tǒng)”的開(kāi)發(fā)和實(shí)施，推動(dòng)“卡車(chē)制造”向“卡車(chē)智造”的轉(zhuǎn)變。2019年，Xu WX等人[4]針對(duì)智能制造車(chē)間（IMW）物流動(dòng)態(tài)調(diào)度問(wèn)題，提出了一種基于請(qǐng)求調(diào)度響應(yīng)模式的自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)（AGV）智能物流調(diào)度模型和響應(yīng)方法，并將其與網(wǎng)絡(luò)集成;通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了其在動(dòng)態(tài)同時(shí)調(diào)度問(wèn)題上的優(yōu)越性和有效性。

本文在城市軌道交通系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)上，以動(dòng)車(chē)組智能裝配與制造為研究對(duì)象，探索了智能制造在城市軌道交通系統(tǒng)中的重要作用，以及系統(tǒng)的運(yùn)維及優(yōu)化，推動(dòng)城市軌道交通的智能化發(fā)展。軌道交通車(chē)輛智能制造及運(yùn)維系統(tǒng)借助了大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)手段，基于歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及環(huán)境條件，不僅完成車(chē)輛的自動(dòng)化生產(chǎn)，還對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)與故障檢測(cè)，保證了系統(tǒng)的正常運(yùn)行與作用。

2 城市軌道交通的智能化現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》作為指導(dǎo)“十三五”時(shí)期全國(guó)智能制造發(fā)展的綱領(lǐng)性文件，明確了“十三五”期間我國(guó)智能制造發(fā)展的指導(dǎo)思想、目標(biāo)和重點(diǎn)任務(wù)。這是我國(guó)的城市軌道交通的智能化發(fā)展所應(yīng)緊緊圍繞的指導(dǎo)思想與戰(zhàn)略目標(biāo)，必須嚴(yán)格遵守與執(zhí)行。要結(jié)合實(shí)際發(fā)展情況，不斷強(qiáng)化技術(shù)能力與技術(shù)體系、生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)以及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)軌道交通車(chē)輛制造的智能化目標(biāo)。

現(xiàn)如今，可以明確地了解到，我國(guó)軌道交通制造業(yè)生產(chǎn)水平技術(shù)存在較大的差別。我國(guó)的軌道交通車(chē)輛產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了三個(gè)主要階段，包括興起、停滯和快速發(fā)揮。1949年以前，鐵路交通運(yùn)輸車(chē)輛大多依賴(lài)進(jìn)口。在新中國(guó)成立之后，我國(guó)的軌道交通車(chē)輛制造業(yè)開(kāi)始興起，歷經(jīng)仿制、自主設(shè)計(jì)、自主研發(fā)、引進(jìn)消化吸收等階段，實(shí)現(xiàn)了和諧號(hào)高鐵動(dòng)車(chē)組列車(chē)的投入使用以及六次鐵路運(yùn)輸大提速。此外，我國(guó)的城市軌道運(yùn)輸業(yè)、高鐵動(dòng)車(chē)組生產(chǎn)也在智能制造發(fā)展方面呈現(xiàn)出了逐步上升的趨勢(shì)。這些進(jìn)步，提升了我國(guó)鐵路運(yùn)輸?shù)哪芰?，推進(jìn)了鐵路交通的現(xiàn)代化智能化發(fā)展進(jìn)程。城市軌道交通的智能化發(fā)展方向首先是從傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)向精細(xì)型，再由精細(xì)型轉(zhuǎn)向精益型，并向著數(shù)字化智能化方向逐漸過(guò)渡，我國(guó)的生產(chǎn)能力和工藝技術(shù)都已經(jīng)達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。

相較于智能化系統(tǒng)在其他領(lǐng)域的成熟應(yīng)用，在成熟軌道交通車(chē)輛方面，其智能生產(chǎn)與運(yùn)維系統(tǒng)的應(yīng)用還存在諸多欠缺，需要進(jìn)一步優(yōu)化改善和提升。其存在的問(wèn)題包括以下幾個(gè)方面。

第一，基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)能力不強(qiáng)。表現(xiàn)在關(guān)鍵材料、工藝依賴(lài)他人，基礎(chǔ)工藝技術(shù)與能力不夠，平臺(tái)自動(dòng)識(shí)別與主動(dòng)控制靈敏度與準(zhǔn)確度不足。由于軌道交通車(chē)輛在裝配復(fù)雜作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在其獨(dú)有特征與設(shè)計(jì)，需要采用特定的裝配過(guò)程，對(duì)車(chē)輛組件信息實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確且快速的自動(dòng)識(shí)別。數(shù)據(jù)采集時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)種類(lèi)不全;生產(chǎn)制造中存在故障漏報(bào)或虛報(bào)問(wèn)題;在系統(tǒng)運(yùn)維中，車(chē)輛存在過(guò)修或欠修的問(wèn)題。

第二， 共性技術(shù)研發(fā)能力欠缺。表現(xiàn)在仿真平臺(tái)作用不到位上，缺乏統(tǒng)一的產(chǎn)品協(xié)同研發(fā)和仿真驗(yàn)證，平臺(tái)包括車(chē)輛機(jī)械系統(tǒng)仿真平臺(tái)，噪聲分析與診斷，車(chē)身耐受度研究平臺(tái)，牽引、制動(dòng)、信號(hào)與功率集成仿真平臺(tái)等。此外，需要培訓(xùn)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)，建立通信網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)，開(kāi)展無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究，形成相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)研發(fā)、測(cè)試環(huán)節(jié)。

第三，關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)能力不足。關(guān)于列車(chē)生命周期，其在自主安全防護(hù)方面的研究仍然不夠。復(fù)雜環(huán)境下的軌道交通系統(tǒng)的故障分析與預(yù)判、安全控制與保障系統(tǒng)技術(shù)研究不足，城市軌道交通系統(tǒng)的智能化安防保障和運(yùn)維一體化技術(shù)亟待構(gòu)建和優(yōu)化完善。此外，產(chǎn)品智能感知系統(tǒng)的相關(guān)研究不夠深入，軌道交通能源利用模式綠色化程度不夠，完備的列車(chē)控制的互聯(lián)互通系統(tǒng)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。

第四，實(shí)際產(chǎn)品平臺(tái)建設(shè)不夠到位。目前還沒(méi)有完成相關(guān)體系的平臺(tái)化設(shè)計(jì)，該平臺(tái)具有標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、全流程管理的特點(diǎn)，能夠?qū)Ξa(chǎn)品進(jìn)行全周期的信息數(shù)據(jù)采集與分析、測(cè)試、共享，可實(shí)現(xiàn)同設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、服務(wù)相銜接的一體化鏈條，促進(jìn)城市軌道交通系統(tǒng)的現(xiàn)代化智能化發(fā)展。

由于政策的無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)和重復(fù)建設(shè)、產(chǎn)業(yè)配套能力不足、產(chǎn)品質(zhì)量種類(lèi)不足、產(chǎn)品生產(chǎn)運(yùn)維智能化平臺(tái)建設(shè)不足、研發(fā)能力不足等問(wèn)題，我國(guó)城市軌道交通車(chē)輛產(chǎn)業(yè)存在戰(zhàn)略升級(jí)的瓶頸，這是迫待解決的問(wèn)題。

3 智能制造與運(yùn)維的系統(tǒng)構(gòu)架與發(fā)展思路探索

我國(guó)的城市軌道車(chē)輛系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)當(dāng)圍繞“推動(dòng)原始創(chuàng)新、引領(lǐng)綠色智能、創(chuàng)新發(fā)展模式、拓展國(guó)際空間”的發(fā)展思路，以建設(shè)先進(jìn)的研發(fā)體系為目標(biāo)，基于智能制造、網(wǎng)絡(luò)信息化等現(xiàn)代化技術(shù)，結(jié)合自身實(shí)際情況，全面推進(jìn)模式轉(zhuǎn)變。針對(duì)城市軌道交通車(chē)輛智能制造與運(yùn)維系統(tǒng)現(xiàn)狀和不足，本文研究的系統(tǒng)構(gòu)架包括了一些新的功能，即車(chē)輛相關(guān)組配件的實(shí)時(shí)在線(xiàn)智能監(jiān)控、數(shù)據(jù)信息的傳輸、采集與分析、智能檢測(cè)故障、車(chē)輛及關(guān)鍵組件壽命預(yù)測(cè)以及各類(lèi)輔助安全、管理等功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自我學(xué)習(xí)、自我修正。

通過(guò)在生產(chǎn)線(xiàn)中添加多種復(fù)合傳感器，如溫度、濕度、壓力、振動(dòng)、加速度等傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝配過(guò)程。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括車(chē)輛的自動(dòng)識(shí)別、設(shè)備自動(dòng)控制、加工數(shù)據(jù)采集與分析、仿真、管理、車(chē)輛狀態(tài)檢測(cè)等部分構(gòu)成，并與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通。從而實(shí)現(xiàn)車(chē)輛識(shí)別自動(dòng)化、設(shè)備控制智能化、質(zhì)量控制實(shí)時(shí)化、過(guò)程管理透明化、制造過(guò)程少人化、故障檢測(cè)運(yùn)維自主化、在線(xiàn)學(xué)習(xí)自主化。

4 城市軌道車(chē)輛智能化系統(tǒng)的應(yīng)用展望

為了深入了解與探索軌道交通車(chē)輛的發(fā)展方向與應(yīng)用前景，不斷向現(xiàn)代化智能化的最終目標(biāo)靠攏，根據(jù)軌道交通車(chē)輛的發(fā)展方向的幾個(gè)類(lèi)型，可分別對(duì)其特征進(jìn)行分析與定義。

傳統(tǒng)型系統(tǒng)在生產(chǎn)制造過(guò)程中，具有獨(dú)立運(yùn)行的數(shù)據(jù)作業(yè)設(shè)備及其運(yùn)作單元，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電子技術(shù)數(shù)據(jù)功能以及自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)管理與基本的財(cái)務(wù)、辦公。精細(xì)型系統(tǒng)在生產(chǎn)制造過(guò)程中，初步實(shí)現(xiàn)設(shè)備的互聯(lián)網(wǎng)互通，具有一定的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息體系與構(gòu)架;能夠?qū)崿F(xiàn)三維技術(shù)及其數(shù)學(xué)建模，具有相關(guān)軟件服務(wù)、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)系統(tǒng);并且在生產(chǎn)流程方面，可實(shí)現(xiàn)流暢的銜接與貫通。精益型系統(tǒng)在生產(chǎn)制造的過(guò)程中，已經(jīng)具備了較為完善的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息同設(shè)備的互聯(lián)網(wǎng)互通體系;可流暢實(shí)現(xiàn)三維技術(shù)、完成具有生命周期的虛擬仿真的任務(wù);構(gòu)建了設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)信息實(shí)時(shí)互通平臺(tái);其各方面的業(yè)務(wù)流程管理也較為完善。數(shù)字化系統(tǒng)在生產(chǎn)制造過(guò)程中，其設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字信息可實(shí)現(xiàn)全方位的應(yīng)用，生產(chǎn)流程中采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可控，可及時(shí)收集數(shù)據(jù)，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)功能較為完備;虛擬化生命周期生產(chǎn)制造達(dá)到數(shù)字化生產(chǎn)階段，可實(shí)現(xiàn)落地;生產(chǎn)制造管理流程以及各方面實(shí)現(xiàn)可視化、安全監(jiān)控。而智能化系統(tǒng)在生產(chǎn)制造過(guò)程中，其設(shè)備具有完善的自我感知、自我分析、自我學(xué)習(xí)與決策等功能的智能集成運(yùn)用;在技術(shù)上具有大數(shù)據(jù)的采集、整理與分析、智能感知與計(jì)算、處理能力;其云端網(wǎng)絡(luò)可與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)流暢銜接運(yùn)行，協(xié)調(diào)控制管理系統(tǒng)平臺(tái)具有自控管理、學(xué)習(xí)調(diào)節(jié)、多鏈條交叉管理等現(xiàn)代化智能化能力。

城市軌道車(chē)輛智能化系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展與應(yīng)用趨勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面，包括企業(yè)重組聯(lián)盟兼并加快、產(chǎn)業(yè)鏈配置日益全球化、技術(shù)“歸核化”趨勢(shì)明顯和組配件銷(xiāo)售、售后服務(wù)比重增大。企業(yè)重組聯(lián)盟兼并的目的在于降低風(fēng)險(xiǎn)與成本，結(jié)盟的形式不僅促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新，而且提高了生產(chǎn)能力以及生產(chǎn)效率。產(chǎn)業(yè)鏈配置全球化的意義在于應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的市場(chǎng)環(huán)境，不同地區(qū)需要不同的配置。而技術(shù)“歸核化”，即技術(shù)在智能制造中占據(jù)核心地位，集中自身優(yōu)勢(shì)專(zhuān)注于核心技術(shù)的開(kāi)發(fā)，提高了生產(chǎn)制造的靈活性。組配件的銷(xiāo)售及其售后服務(wù)是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的下游部分，但這種增值活動(dòng)同樣至關(guān)重要，面對(duì)競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)環(huán)境，服務(wù)業(yè)的重要性的提升是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)城市軌道交通車(chē)輛的智能化制造與運(yùn)維系統(tǒng)不斷發(fā)展更迭，改革與創(chuàng)新刻不容緩。制定并建立良好的軌道交通車(chē)輛智能化體系的設(shè)計(jì)規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn)，要提高制造效率、降低能耗、提升產(chǎn)品質(zhì)量、完善整個(gè)制造技術(shù)體系，才能更好地、可持續(xù)地推動(dòng)其現(xiàn)代化智能化發(fā)展實(shí)體落地。首先，需要制定智能制造發(fā)展計(jì)劃;其次，執(zhí)行智能制造計(jì)劃，并在執(zhí)行過(guò)程中不斷優(yōu)化調(diào)整;最后，要采用科學(xué)、合理、現(xiàn)代的方法模式與結(jié)構(gòu)，不斷深化智能制造發(fā)展方向與目標(biāo)。

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