高速動車組輪對智能生產運行評估規范與評價方法研究

趙宏軍，齊春花，康進港

ZHAO Hong-jun,QI Chun-hua,KANG Jin-gang

（北京機械工業自動化研究所有限公司，北京 100120）

1 高速動車組輪對智能生產運行評估研究的背景和意義

1.1 研究背景

1.1.1 高速鐵路快速發展與高質量的要求

高速動車組近年來呈現出高增漲的發展趨勢，市場需求旺盛，市場規模迅速擴大，產品技術不斷升級，系統集成度提高。軌道交通運營正向網絡化和多樣化發展，用戶對軌道交通裝備的安全性、可靠性提出了更高、更苛刻的要求。中國高鐵已經站在世界軌道交通裝備技術的最前沿，目前產品遍布全球六大洲一百多個國家和地區，占全球市場總量的60%以上，成為中華民族復興樂章的強勁音符。高鐵制造企業必須從“制造”走向“智造”，貫徹落實國家智能制造實施指南，把握智能制造發展的特點和規律，加速企業的智能轉型，才能引領軌道交通行業及裝備制造業智能化發展。

1.1.2 高速鐵路智能制造發展水平評估規范亟待推出

智能制造發展水平評估用來衡量一個行業或企業的智能制造發展水平，通過評估結果的縱向對比，可判定企業智能制造發展水平的深入發展；通過橫向對比，判斷各行業智能制造發展水平的高低；也可對行業當前的智能制造發展階段進行定位，為各級政府及行業主管部門提供評估行業智能制造發展水平的工具，為制定智能制造相關政策提供依據。

高速動車組產品是由幾十萬個零部件組成，是一個融合了機、電、軟、硬件多系統的一體化產品，尤其是輪對作為走行部的重要部件，產品智能化程度高。在高速動車組快速發展的形勢下，亟需確立行業智能工廠運行與評估體系，為我國高速動車組生產企業提供準確的智能制造水平評估，但目前國內尚未形成一套有效的高鐵制造業企業智能制造發展水平評估規范和指標體系。研究建立高速動車組輪對智能生產評價體系，對于建立起一套完整的智能工廠評價體系有著關鍵作用。

1.2 研究意義

通過研究高速動車組輪對智能生產運行評估規范，制定高速動車組智能工廠輪對生產車間的運行管理評估標準、評價指標體系及操作方法，為評估工作提供技術指導和技術規范支持，進行客觀、公正的評價，作為企業持續改善的依據。

研究結果不僅行業主管部門對高速動車組生產企業智能生產的評估，以便及時獲知行業的智能制造水平，也適用于高速動車組生產企業開展內部智能制造水平評估與診斷，在同行業開展對標分析，使企業發現智能制造建設歷程中的差距和薄弱環節，明確智能制造發展方向和著力點，逐步提升智能制造發展水平。

2 輪對智能生產運行評估設計思想、框架結構

2.1 設計思想

2.1.1 評估涵蓋內容

高速動車組企業通過精益制造、信息技術與現代管理融合，實現企業智能管控、組織優化，建成了數據驅動型企業。高鐵動車組企業通過開展產品設計標準化、配件來料標準化，物流配送標準化、垂直整合產業鏈上中下游企業，應用生產管理系統，達到設計生產一體化智能制造，實現高速動車組的整體智能化生產運營。本次評估研究涵蓋車間生產過程中的人、機、料、法、環、測等與制造能力相關的各個要素，從制造執行系統功能完整性、管理規范性、效果凸顯性三個方面為切入點進行，評估企業制造執行過程中的智能排產、物料管理、數據采集、現場監控、質量控制、設備管理等要素，分析制造車間管理透明化、操作無紙化、全局績效監控及響應控制及時化、實時數據采集以及集中可視化管控等方面的水平。

2.1.2 適用企業類型

本研究適用于高速動車組生產企業，也可作為其他離散型制造企業的生產車間智能制造水平評估參考。

2.1.3 評估過程要求

評估規范的指標設置面向企業、針對性強，評估過程操作簡便，獲得數據直接、真實可靠，采用是、否或有、無問答形式或以數據表述，結果引導性強，引領企業通過智能制造，實現創新發展、智能發展和綠色發展。

2.2 評估原則

2.2.1 科學性

評估規范內容能夠客觀反映制造企業車間智能制造的發展情況，通過自我評估為企業指明發展方向。

2.2.2 易操作性

評估規范采用是、否或有、無問答形式或以數據表述，評估指標易于獲取，指標體系易于構建，評估數據易于采集，評估方法便捷有效。

2.2.3 實用性

以評估智能制造能力為重點，引導企業深入開展智能制造建設；隨著智能制造不斷深入發展和實踐經驗不斷豐富，對智能制造評估指標體系進行調整和修訂，不斷優化和完善以滿足新的評估需求。

2.3 評估框架設計

高速動車組輪對的生產活動是智能制造的核心環節。應用自動化、智能化的生產裝備和物流裝備、傳感器、數字采集器、過程控制、制造執行、信息物理系統等組成人機一體化的制造系統，按照產品工藝要求，通過有限能力排產，物料自動配送，狀態實時跟蹤，優化控制，智能調度，設備運行狀態的監控，質量管理與追溯，車間績效等構成的智能化生產系統實現生產正常進行。

2.4.1 評估框架

本研究以高速動車組輪對生產為實施載體，從智能生產與生產執行系統的功能完整性，管理規范性，效果凸顯性三個方面，結合安全生產、能源與環保管理，設定評估指標與采集項。按《國家智能制造標準體系建設指南》中智能制造系統架構為參考模型，從智能制造系統架構的生命周期、系統層級和智能功能三個維度，抽取與車間生產活動相關的4個主要要素：計劃與制造執行、智能物流、智能裝備、過程質量進行評價。

計劃與控制抽取的內容包括基于約束的生產計劃排產和優化控制，實現生產過程中的人、機、料、法、環等要素的數據自動采集、實時更新，實現生產作業現場可視化。

智能物流從倉庫庫存管理和現場物流兩個角度對智能物流進行評估。內容包括倉儲物流信息系統的應用，使用物流識別技術（條碼、二維碼、RFID等）對整個倉儲物流活動過程進行識別和跟蹤，倉儲物流配送的自動化及優化控制，倉儲物流系統與制造執行系統有效集成。

智能裝備從裝備智能化程度、裝備集成智能化程度和裝備管理三個角度抽取。裝備智能化程度內容包括數字化裝備及柔性制造單元的數字化、智能化程度；裝備集成智能化程度包括裝備的聯網能力，柔性制造單元和柔性生產系統的狀態感知、自檢測、深度學習、優化調度、優化控制、智能決策能力；裝備管理重點評估裝備管理的深度，包括裝備的維護、故障診斷、知識庫的應用等。

過程質量控制抽取內容包括生產過程質量管理、質量追溯、質量分析、質量改進、異常預測等過程。實現質量的在線檢測，應用人工智能、大數據技術實現質量自我提升。

2.4.2 評估分級

按照評級框架，根據指標評估及得分并與計劃與制造執行、智能物流、智能裝備、過程質量要求進行對比，將輪對智能生產的智能制造發展水平與能力評分為五個等級：基礎入門、初級智能、中級智能、高級智能、卓越智能。

3 輪對智能生產運行評估研究的主要內容

3.1 輪對智能生產評估指標

輪對智能生產評估指標如下表所示，包括三個一級指標：功能完整、管理規范、運行效果，每個一級指標下有若干個二級指標，各指標如表1所示。

表1 各級指標明細表

3.2 功能完整

輪對生產車間應實施制造執行系統，從作業計劃、作業調度、生產執行、生產準備、作業指導、物料管理、現場監控、設備管理、質量管理、效能分析幾個功能模塊評估功能的完整性。功能完整性是必須達到的要求也是基礎入門的要求。設10個二級指標，38個三級指標，38個采集項點，通過是否/有無形式評估。

3.3 管理規范

輪對車間的運行管理在功能的基礎上主要評估管理的細度及深度，這是評估運行智能化的關鍵環節，從作業計劃、作業調度、生產執行、生產準備、作業指導、物料管理、現場監控、設備管理、質量管理、人員管理、能源和環境管理、安全生產、效能分析、制度完整性方面進行評估。設14個二級指標，61個三級指標，334個采集項點，

3.4 運行效果

從集成效果、智能效果、運營指標、行業示范性四個方面評估輪對車間智能生產情況，設4個二級指標，38個三級指標，46個采集項點，通過是否/有無或問題勾選形式評估。

3.5 各智能級別描述

基礎入門級：使用信息系統對生產計劃、倉庫、質量數據進行了基本管理。

初級智能：承接物料需求計劃，產線作業計劃和工序作業計劃，實現關鍵工序質量在線檢測。

中級智能：實現有限能力排產，工位自動上下料，實現關鍵工序生產數據全流程可追溯，建立設備在線狀態監測、診斷、報警的統一管理平臺。

高級智能：實現車間生產過程數字化建模、優化排產、生產過程的可視化。

卓越智能：在數字化車間的基礎上，應用人工智能、大數據技術，優化資源利用，實現車間系統自學習及業務自調整。

4 評估實施

4.1 評估準備

根據評估企業要求，由企業內部或聘請第三方機構，組成評估小組。評估小組根據規范規定的內容，設計評估問卷。評估問卷應符合下列要求：

能反映出被評估的輪對智能生產管理的全部指標，并反映出產品生產特點；

評估問卷應涵蓋規范中指標，并可適當增加適合企業自身指標要求。

4.2 評估計劃

評估組編制評估計劃，確定評估依據、評估對象、評估人，并依據評估問卷要求對輪對車間智能生產進行評估。組織輪對生產涉及的部門和人員，并進行評估過程和評估內容講解。按評估計劃評估，并填寫評估記錄。

4.3 評估信息收集

評估指標按規范要求全部選取，一級為基礎指標，每一基礎指標下設二級指標，二級指標下設若干三級指標及采集項點。在實施評估的過程中，通過適當的方法采集評估證據，收集并驗證與企業發展智能制造相關的信息。

4.4 評分

將收集的評估證據與評估標準進行對比，進行評估打分。

各級指標評估為100分制。對于是否/有無的指標，選擇是/有，即得分，對于選擇項，選擇相應結果即得相應分數。

下列三項為影響評估結果的關鍵因素：

被評估對象不具備本規定的基本功能項；

被評估對象評估過程中出現嚴重問題；

被評估對象指標評定值不能達到最低限度。

4.4.1 單項指標的評分方法

無下級指標的單項指標直接進行評分。

有下級指標的單項指標不進行直接評分，由下級指標匯總得出。

4.4.2 評分匯總方法

二級指標根據評價得分及給定權重計算出各一級指標的評估得分，每一基礎指標根據得分及給出的權重，綜合計算得出系統評價得得分。

上級指標的得分按如下公式計算得出：

上級指標的得分=Σ（下級指標得分×下級指標權重）

評估的總評分按如下公式計算得出：

評估總評分=Σ（一級指標得分×一級指標權重）

4.5 評估評級

經數據匯總后提取與計劃與制造執行、智能物流、智能裝備、過程質量相關的指標，按4個指標對應的評估條款對每個指標/項點進行打分評估，并依據每一個指標的給定權重，評價出智能生產的等級。并根據具體評分項的得分差異來判斷企業優勢以及存在的不足

4.6 評估報告

評估人員或組織依據評估過程，本著實事求是的原則，起草評估公告。評估報告中應包括：

評估的范圍和環境；

評估內容；

評估報告及結論（應包括與評估項相關的評估結果有效性的說明）；

改進建議；

其他有關說明。

5 結語

輪對車間智能生產運行管理評估標準、評價指標體系的制定，為評估工作提供技術指導和技術規范支持，對高速動車組輪對生產運行進行客觀、公正的評價，并作為企業持續改善的依據。

評估規范對相關企業的評估和企業的自我評估具有指導意義，企業通過評估與自評估診斷，明確企業的發展重點和發展方向，查找薄弱環節和突破口，為企業的發展提供幫助。

隨著智能制造發展水平評估不斷推廣，評估案例的不斷增加，智能制造技術的不斷發展，將進一步細化評估內容、要求和水平等級，持續完善智能制造發展水平評估指標體系和方法，保證其完整性和適用性。