摘要：介紹了地鐵制造生產(chǎn)管理信息化系統(tǒng)的設計與實施。分析了系統(tǒng)設計原則與目標、系統(tǒng)功能模塊劃分、系統(tǒng)架構(gòu)與數(shù)據(jù)流設計，以及系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性設計。提出了通過5G網(wǎng)絡、邊緣計算、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的透明化和智能化的實施策略。研究得出了地鐵精益數(shù)字制造平臺能夠顯著提升生產(chǎn)效率、優(yōu)化管理流程、提高產(chǎn)品質(zhì)量的結(jié)論，為地鐵制造企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了有力支持。

關(guān)鍵詞：地鐵制造；生產(chǎn)管理；信息化系統(tǒng)；系統(tǒng)設計；實施策略

一、前言

在現(xiàn)代制造業(yè)中，信息化技術(shù)的應用已成為提升企業(yè)競爭力的重要手段。隨著全球制造業(yè)的快速發(fā)展和市場競爭的加劇，制造企業(yè)需要不斷提高生產(chǎn)效率和管理水平，以適應日益復雜的市場環(huán)境和客戶需求。在此背景下，生產(chǎn)管理信息化系統(tǒng)的建設顯得尤為重要[1]。特別是在地鐵制造行業(yè)，涉及的生產(chǎn)環(huán)節(jié)繁多、流程復雜、質(zhì)量要求高，傳統(tǒng)的管理模式已無法滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需求。通過引入先進的信息化技術(shù)，可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的透明化、智能化和高效化，助力企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能制造[2]。

二、地鐵制造生產(chǎn)管理信息化系統(tǒng)設計

（一）系統(tǒng)設計原則與目標

系統(tǒng)設計原則是通過數(shù)據(jù)驅(qū)動實現(xiàn)生產(chǎn)過程的透明化和智能化，確保信息在不同部門和工位之間的流暢傳遞，消除信息孤島，提高協(xié)同效率。采用模塊化設計，保證系統(tǒng)的功能獨立且可靈活組合，同時具有良好的可擴展性，以適應未來的業(yè)務需求和技術(shù)升級。安全性是設計的重要考慮，尤其在5G網(wǎng)絡的應用中，采取措施保護數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩碗[私。通過實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)反饋，及時發(fā)現(xiàn)和處理生產(chǎn)異常，確保生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)結(jié)合軌道行業(yè)總裝制造的特點，利用人機協(xié)同模式，提升生產(chǎn)效率，降低勞動強度。

（二）系統(tǒng)功能模塊劃分

地鐵精益數(shù)字制造平臺的系統(tǒng)功能模塊劃分為多個關(guān)鍵部分。精益數(shù)字制造平臺建設包括數(shù)據(jù)中臺和平臺基礎(chǔ)架構(gòu)建設，以確保數(shù)據(jù)的高效管理和平臺的穩(wěn)定運行。業(yè)務系統(tǒng)優(yōu)化升級涵蓋數(shù)字工藝設計管理、質(zhì)量管理、物流管理、生產(chǎn)管理和制造執(zhí)行系統(tǒng)，通過信息平臺化和流程優(yōu)化提高整體業(yè)務效率[3]。

信息化基礎(chǔ)部署建設涉及主干網(wǎng)絡及5G網(wǎng)絡部署調(diào)試、服務器及操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫軟件以及安全備份硬件及軟件，確保系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行。產(chǎn)線建設包括總裝產(chǎn)線和轉(zhuǎn)向架產(chǎn)線的信息化硬件部署和智能裝備采購，提升產(chǎn)線的自動化和智能化水平?？傃b車間和轉(zhuǎn)向架車間分別建設多個工位，實現(xiàn)高效的流水線作業(yè)。職能部室實施范圍涉及多個部門，通過跨部門的信息協(xié)同提高整體管理效率。

（三）系統(tǒng)架構(gòu)與數(shù)據(jù)流設計

1.總體架構(gòu)設計

地鐵精益數(shù)字制造平臺的總體架構(gòu)設計包括多個層次和模塊，以實現(xiàn)高效、智能的生產(chǎn)和管理流程。管理及決策層涵蓋任務與協(xié)同模塊，支持項目協(xié)同管理、任務分配與跟蹤、協(xié)同辦公和指令下達與反饋，確保各個管理層級之間的信息流暢傳遞，提高決策效率[4]。

生產(chǎn)及運營層包括數(shù)字工藝設計管理、物流管理、質(zhì)量管理和制造執(zhí)行模塊。數(shù)字工藝設計管理模塊負責工藝設計與仿真、工藝驗證和改進，通過工藝文件管理實現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)的標準化和數(shù)字化。物流管理模塊負責物流計劃、入庫與出庫管理、物料配送和庫存管理，通過優(yōu)化物流流程，提高物料的流轉(zhuǎn)效率。質(zhì)量管理模塊采用PDCA閉環(huán)質(zhì)量管理流程，支持質(zhì)量策劃、檢驗、不合格品處理和質(zhì)量追溯，確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定和可追溯性。制造執(zhí)行模塊實現(xiàn)生產(chǎn)計劃、調(diào)度和過程管理，通過實時監(jiān)控生產(chǎn)進度和設備狀態(tài)，優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度，確保生產(chǎn)任務的高效完成。

生產(chǎn)制造層由生產(chǎn)工位及設備模塊和數(shù)據(jù)采集與控制模塊組成。生產(chǎn)工位及設備模塊包括數(shù)控設備、機器人、智能工具和傳感器，通過自動化設備提高生產(chǎn)效率和精度。數(shù)據(jù)采集與控制模塊使用SCADA系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集終端進行現(xiàn)場監(jiān)控與數(shù)據(jù)收集，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和反饋。

數(shù)據(jù)處理與分析層由數(shù)據(jù)中臺模塊負責，進行數(shù)據(jù)的存儲、處理、分析和挖掘。數(shù)據(jù)中臺模塊通過對海量數(shù)據(jù)的處理和分析，提供數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，挖掘數(shù)據(jù)中的潛在價值，為企業(yè)提供深度的數(shù)據(jù)洞察和分析報告，支持企業(yè)的戰(zhàn)略決策。

邊緣設備與物聯(lián)網(wǎng)層包括工業(yè)網(wǎng)關(guān)、邊緣服務器和IoT設備，進行數(shù)據(jù)的初步處理和傳輸。邊緣計算設備通過在現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)的初步處理，減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，提高數(shù)據(jù)處理的實時性和可靠性。同時，IoT設備實現(xiàn)了設備之間的互聯(lián)互通，支持智能設備的協(xié)同工作。

此外，系統(tǒng)還與第三方系統(tǒng)，如ERP、HCM、MES、PLM、CRM和SRM集成，通過這些系統(tǒng)的協(xié)同工作，實現(xiàn)了企業(yè)管理和生產(chǎn)過程的全面數(shù)字化和智能化。ERP系統(tǒng)提供企業(yè)資源規(guī)劃，HCM系統(tǒng)管理人力資源，MES系統(tǒng)控制制造執(zhí)行，PLM系統(tǒng)管理產(chǎn)品生命周期，CRM系統(tǒng)管理客戶關(guān)系，SRM系統(tǒng)管理供應商關(guān)系。通過與這些系統(tǒng)的集成，地鐵精益數(shù)字制造平臺實現(xiàn)了企業(yè)資源的全面整合和優(yōu)化，提高了企業(yè)的整體運營效率，如圖1所示。

2.數(shù)據(jù)流與接口設計

地鐵精益數(shù)字制造平臺的數(shù)據(jù)流設計旨在確保數(shù)據(jù)在各層級和模塊之間的高效傳遞和利用，從而支持生產(chǎn)和管理流程的優(yōu)化。數(shù)據(jù)流主要包括數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、存儲、應用和反饋六個環(huán)節(jié)。

（1）數(shù)據(jù)采集

生產(chǎn)工位和設備通過傳感器、數(shù)控設備、機器人、智能工具和其他IoT設備實時采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設備狀態(tài)數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)。SCADA系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，確保數(shù)據(jù)的準確性和實時性。

（2）數(shù)據(jù)傳輸

邊緣計算設備，如工業(yè)網(wǎng)關(guān)和邊緣服務器，接收來自生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，進行初步處理和過濾，減少數(shù)據(jù)傳輸量和延遲。數(shù)據(jù)通過邊緣計算設備傳輸至數(shù)據(jù)中臺模塊進行集中處理和存儲。

（3）數(shù)據(jù)處理與存儲

數(shù)據(jù)中臺模塊對接收到的數(shù)據(jù)進行清洗、轉(zhuǎn)換和整合，確保數(shù)據(jù)的完整性和一致性。處理后的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，供后續(xù)分析和應用使用。

（4）數(shù)據(jù)分析與應用

數(shù)據(jù)中臺利用數(shù)據(jù)分析工具對存儲的數(shù)據(jù)進行深度分析和挖掘，生成有價值的信息和報告。分析結(jié)果通過數(shù)字工藝設計管理、物流管理、質(zhì)量管理和制造執(zhí)行模塊應用于生產(chǎn)和管理流程優(yōu)化。

（5）數(shù)據(jù)反饋

制造執(zhí)行模塊將分析結(jié)果和實時數(shù)據(jù)反饋給生產(chǎn)工位和設備，指導生產(chǎn)計劃調(diào)整和工藝優(yōu)化。數(shù)據(jù)反饋用于調(diào)整物流管理和質(zhì)量控制策略，確保生產(chǎn)過程的高效和穩(wěn)定。

3.關(guān)鍵技術(shù)選型

地鐵精益數(shù)字制造平臺的關(guān)鍵技術(shù)選型旨在確保系統(tǒng)的高效運行、數(shù)據(jù)的實時傳輸和處理，以及各模塊之間的無縫集成。首先，5G網(wǎng)絡技術(shù)覆蓋生產(chǎn)現(xiàn)場，提供大帶寬、多聯(lián)接、低時延的網(wǎng)絡環(huán)境，確保各設備和系統(tǒng)之間的實時通信。邊緣計算設備部署在生產(chǎn)現(xiàn)場，進行數(shù)據(jù)的初步處理和過濾，減少數(shù)據(jù)傳輸延遲，提高數(shù)據(jù)處理的實時性和可靠性。通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）技術(shù)，利用傳感器、數(shù)控設備、機器人和智能工具實時采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)設備之間的互聯(lián)互通。SCADA和PLC控制系統(tǒng)用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，確保數(shù)據(jù)的準確性和實時性。數(shù)據(jù)中臺用于數(shù)據(jù)的存儲、處理、分析和挖掘，提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理和處理平臺，支持各業(yè)務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需求。系統(tǒng)內(nèi)部通過標準API，如RESTful API，進行數(shù)據(jù)交換，生產(chǎn)設備與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間使用工業(yè)協(xié)議，如Modbus、OPC UA，確保系統(tǒng)之間的無縫集成和數(shù)據(jù)的高效傳輸。云計算和大數(shù)據(jù)分析提供強大的計算和存儲能力，支持大規(guī)模數(shù)據(jù)的處理和分析，挖掘數(shù)據(jù)中的潛在價值。數(shù)據(jù)傳輸和存儲過程中使用身份驗證和加密等安全技術(shù)，保護數(shù)據(jù)的安全性和隱私。

（四）系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性設計

網(wǎng)絡安全方面，通過部署防火墻和入侵檢測系統(tǒng)實時監(jiān)控網(wǎng)絡流量，使用VPN和數(shù)據(jù)加密技術(shù)確保數(shù)據(jù)傳輸安全。身份認證與訪問控制采用多因素身份認證機制和嚴格的角色權(quán)限管理，確保只有被授權(quán)人員能夠訪問系統(tǒng)。數(shù)據(jù)安全方面，對存儲和傳輸中的數(shù)據(jù)進行加密處理，并定期進行數(shù)據(jù)備份，制定詳細的數(shù)據(jù)恢復計劃。系統(tǒng)還通過實時監(jiān)控和日志管理，詳細記錄操作日志和用戶訪問日志，定期審計以發(fā)現(xiàn)潛在威脅和漏洞。此外，系統(tǒng)定期更新和漏洞管理，通過漏洞掃描和滲透測試及時修復系統(tǒng)中的潛在漏洞。在穩(wěn)定性設計方面，地鐵精益數(shù)字制造平臺采用了冗余和容錯設計，以確保系統(tǒng)的連續(xù)運行。關(guān)鍵服務器和網(wǎng)絡設備均采用冗余設計，避免單點故障，通過負載均衡技術(shù)分散系統(tǒng)壓力，提高系統(tǒng)的處理能力和響應速度。在系統(tǒng)監(jiān)控方面，通過SCADA系統(tǒng)和其他監(jiān)控工具實時監(jiān)控生產(chǎn)設備和系統(tǒng)的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)和處理異常情況。系統(tǒng)軟件和安全補丁定期更新，確保系統(tǒng)能夠抵御最新的安全威脅。此外，定期進行漏洞掃描和滲透測試，識別并修復系統(tǒng)中的潛在漏洞，提升系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和安全性。這些措施確保了地鐵精益數(shù)字制造平臺在高負載和突發(fā)情況下的穩(wěn)定運行，保護企業(yè)的生產(chǎn)效率和核心利益。

三、地鐵制造生產(chǎn)管理信息化系統(tǒng)的實施

（一）總裝車間

在總裝車間，系統(tǒng)的實施包括建設一條流水線，共17個工位，涵蓋A2301-A2314、ATC23-司機室、ATC23-制動、側(cè)窗粘接等工位。每個工位將配備電子看板，實時展示生產(chǎn)計劃、工位狀態(tài)和異常信息，確保工位操作員能夠即時獲取所需信息，提高操作效率?？傃b車間還將安裝大屏展示系統(tǒng)，用于展示生產(chǎn)計劃的執(zhí)行情況、異常問題的處理進程及趨勢分析等核心業(yè)務數(shù)據(jù)，幫助車間管理者做出快速、準確的決策。此外，通過5G網(wǎng)絡實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸，確保生產(chǎn)數(shù)據(jù)的高效流動和及時反饋。各工位還將配置智能工具和設備，如智能緊固工具和扭矩校驗設備，確保關(guān)鍵部件的安裝質(zhì)量。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，系統(tǒng)可以實時監(jiān)控工位的環(huán)境參數(shù)，如溫濕度，確保生產(chǎn)環(huán)境的適宜性，并提供數(shù)據(jù)支持進行環(huán)境異常追溯。通過這些措施，總裝車間將實現(xiàn)生產(chǎn)過程的高度自動化和信息化，顯著提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

（二）轉(zhuǎn)向架車間

在轉(zhuǎn)向架車間，系統(tǒng)的實施包括建設4個關(guān)鍵工位，分別是C2201（掛件組裝）、C2202（落輪）、C2203（靜載制動檢測）、C2003（軸承軸箱組裝）。轉(zhuǎn)向架車間作業(yè)平臺圖如圖2所示。每個工位將配備智能工具管理箱，確保工具的有序管理和高效使用。通過部署RFID技術(shù)，對轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品進行定位和跟蹤，實現(xiàn)生產(chǎn)過程中產(chǎn)品位置的實時監(jiān)控和管理，確保生產(chǎn)的準確性和可追溯性。此外，轉(zhuǎn)向架車間還將安裝溫濕度變送器，用于監(jiān)控作業(yè)環(huán)境，確保生產(chǎn)環(huán)境的穩(wěn)定性，并在環(huán)境參數(shù)異常時提供報警和數(shù)據(jù)記錄。智能緊固裝置和智能檢測設備的應用將顯著提升裝配質(zhì)量和效率，減少人工操作的差錯。例如，通過智能緊固裝置確保緊固件的扭矩準確性，通過智能檢測設備進行關(guān)鍵部件的尺寸和質(zhì)量檢測，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化和智能化。通過這些措施，轉(zhuǎn)向架車間將實現(xiàn)生產(chǎn)管理的精細化和智能化，提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

（三）機械組裝車間

在機械組裝場景中，系統(tǒng)實施采用多人單工位作業(yè)形式，通過精益數(shù)字平臺的數(shù)據(jù)聚合，驅(qū)動工位生產(chǎn)相關(guān)業(yè)務。智能緊固裝置用于關(guān)鍵重要緊固作業(yè)的有效管控，確保產(chǎn)品質(zhì)量。例如，在A2301-A2314各臺位配置智能擰緊扳手和智能扭矩校驗臺，提升作業(yè)效率和質(zhì)量穩(wěn)定性。系統(tǒng)還將應用機器人進行自動化涂膠，提高作業(yè)效率，保證特殊過程的工作質(zhì)量，減少人員作業(yè)量。這種作業(yè)模式確保每個工位能夠高效運轉(zhuǎn)，并且各工位之間可以通過數(shù)據(jù)共享實現(xiàn)無縫協(xié)作。智能緊固裝置的應用確保了緊固件安裝的精確性和一致性，顯著提升了關(guān)鍵部件的裝配質(zhì)量。例如，系統(tǒng)將在每個緊固作業(yè)點配置智能擰緊扳手，結(jié)合操作系統(tǒng)、芯片和控制器，實現(xiàn)緊固過程的全自動化和數(shù)據(jù)記錄，確保每個緊固點的扭矩參數(shù)符合標準要求。緊固作業(yè)圖如圖3所示。

機械組裝過程中還將引入智能扭矩校驗臺，定期校驗緊固工具的精度，確保工具在使用過程中的可靠性。自動化涂膠設備的應用將進一步提高作業(yè)效率和質(zhì)量穩(wěn)定性，機器人通過預設的路徑和參數(shù)進行精確涂膠，確保涂膠的一致性和質(zhì)量，同時減少人工操作的差錯和勞動強度。關(guān)鍵工序作業(yè)過程還將進行影像留存，通過攝像頭實時記錄每個操作步驟，確保每個操作環(huán)節(jié)的可追溯性和質(zhì)量保證。通過這些措施，機械組裝場景將實現(xiàn)高度自動化和智能化，顯著提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

四、結(jié)語

綜上所述，地鐵精益數(shù)字制造平臺能夠有效提升地鐵制造企業(yè)的生產(chǎn)效率，優(yōu)化管理流程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，為企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了有力支持。通過這些措施，地鐵制造企業(yè)能夠更好地適應市場需求，提升核心競爭力，推動智能制造和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的實現(xiàn)。未來，隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展和應用的深入，地鐵制造生產(chǎn)管理信息化系統(tǒng)將不斷完善和優(yōu)化，進一步提升企業(yè)的生產(chǎn)管理水平和綜合競爭力。

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作者單位：中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司

責任編輯：王穎振、鄭凱津