基于裝備設計模型構建維護服務信息包的研究

覃仕輝，熊宏志，朱紫晨

（1.常德煙草機械有限責任公司，湖南常德 415000；2.首都航天機械有限公司，北京 100076）

0 引言

在供給側，我國制造業人均增加值大約只有美國和日本的1/20，制造業附加值率只有美國和日本的1/2，78%的機械制造企業服務收入占總營業收入比重不足10%，因此還有很大的提升空間[1]。機械制造企業的改革方向是將制造業“微笑曲線”整體抬升，重視面向客戶的研發設計和產品服務等要素投入，實現向高附加值兩端延展。當前裝備的復雜度不斷提高，裝備的使用壽命越來越長，迫切需要采用專門的維護技術以提高運行維護效率和降低生命周期成本。裝備缺乏全生命周期管理及維護信息不足一直是當前企業面臨的重要困難之一。隨著MBE（MBEModel Based Enterprise，基于模型的企業）在各類機械制造企業的實踐和實施，未來基于模型的技術必然會應用到裝備全生命周期的維護階段。在裝備設計過程中創建的模型和模擬仿真結果可以直接在整個裝備生命周期的維護保障階段使用，給下游用戶和維護支持人員不斷傳遞3D 模型和相關數據，裝備各價值鏈成員將使用真實世界的效果和維護、維修、故障數據來評估裝備的健康水平和使用效能，反饋給裝備制造企業應用于設計改進。

利用“互聯網+”技術，在分析當前維護服務信息現狀及問題的基礎上，有針對性地給出一個基于研發模型構造維護服務信息包的應用框架，支撐裝備制造業的服務化轉型和技術創新。

1 問題概述及發展趨勢

現代裝備呈現機電液一體化特性，智能化程度、生產速度、自動化水平越來越高，成為關鍵機臺或瓶頸工序，因此復雜度、在生產制造中的重要度、對售后服務的需求度也越來越高。而當前在維修服務中還存在如下關鍵問題[2]：

（1）設備相關的圖紙、圖片資料以及技術參數、手冊等資料繁雜、分散，不易快速查閱，影響工作效率。

（2）各種信息相對獨立，無有效關聯，在設備技術管理中形成信息孤島。

（3）備件使用管理品種繁多，無直觀有效的分類手段，造成錯放、錯領。

（4）為提高生產質量和生產效率，應用先進技術對設備進行改造，但對個性化技術及資料的管理存在欠缺。

（5）設備機械結構復雜，新員工維修、拆裝機會較少，實際經驗不足，缺乏相應技術手段支撐，尤其對深度維修缺少技術標準指導。

（6）設備維護、保養、更換所需參考資料不全，對設備技術進行深度了解、掌握和分析，需有完整的電子技術文檔。

（7）老師傅技術難以留存企業，新技工培養沒有自學技術基礎庫平臺。

（8）無有效手段跟蹤備件的運行周期，普遍采用故障后維修，缺乏預見性，影響生產；同時也給備件備品管理和采購帶來難度。

（9）設備全生命周期管理缺乏統一的技術手段和平臺。

從信息共享的技術手段分析，國內絕大多數機械制造企業仍采用紙質手冊，電子版手冊是選項或另行收費。由于大型機械裝備基本上按訂單組織生產，因此紙質文檔中普遍存在信息不精確、針對性不強或版本老舊問題。圖1 為產品維護服務信息包的發展演變趨勢。最早采用較為精準的紙質技術資料隨裝備一同發售，紙質文檔存在的主要問題是信息不能檢索、文檔不能共享、查閱不便，以及資料不能及時更新等弊端；隨后采用電子技術文檔，如廣泛采用的PDF 文件格式的技術資料包。此時文檔的共享問題能夠很好解決，但仍然存在信息不便檢索、相對獨立，無有效關聯的問題。采用IETM（Interactive Electronic Technical Manual，交互式電子技術手冊），能很好地解決技術手冊的查詢、關聯問題，協助故障的快速修復，但存在信息封閉，表現形式單一，且不能根據裝備的使用壽命或故障特征而擴展。由于人工成本不斷上升，當前裝備的使用壽命遠大于操作人員的在崗時間，大型裝備急需一個能夠支撐設備全生命周期的、不斷學習的、與裝備的研發與制造過程相合的、支持人員的培訓、學習與維護等全業務需要的技術服務平臺。而最新的技術發展趨是利用“互聯網+”技術，實現技術服務平臺與裝備制造企業、裝備使用企業在線鏈接與信息共享。綜上所述，在裝備產品供應商向服務供應商轉型的過程中，產品維護信息的發展趨為標準化、智能化、集成化與網絡化。

2 基于設計模型的維護信息生成框架

2.1 采用設計模型的必要性

一般來說，維護服務信息包是在裝備產品下線并交付用戶使用前的環節中生成，由營銷或客戶服務部門基于產品的設計、生產信息整理而成。但本文主張采用裝備的設計模型來生成，主要理由有以下4 點。

圖1 產品維護服務信息的發展演變過程

（1）MBS（MBS-Model Based Sustainment，基于模型的維護）是MBE 企業的必要組成部分。機械制造企業工業4.0 的核心是模型數據創建一次并能被后續各業務環節直接使用。模型作為配置的基礎，并在此基礎上開展基于模型的系統工程，包括基于模型的維護[3]。

（2）保證服務信息的精準，并按訂單組織生產或與ETO（ETO-Engineering To Order，按訂單設計）模式對應。ETO 模式要求設計與生產制造幾乎同步開展、逐步分解，且邊設計邊生產，設計變更的情況時有發生。因此，設計模型代表了裝備產品最為精確的信息。

（3）反向促進設計模型的全面、精準。回顧維護服務信息包發展歷程可知，早期信息不能共享和精準發布的原因，除了客觀上受信息技術發展水平所限，主觀上存在企業設計數據管理混亂、三維化率低、設計精準性差等因素。因此，由設計模型生成維護服務信息包的過程，可以作為檢驗設計數據完整性與精準性的一個標尺。

（4）實現模型信息的閉環應用，促進設計水平的提升。MBS的應用目標是在向客戶服務過程中，收集客戶對產品的反饋信息，從而改進產品設計、迭代升級的過程。

2.2 系統框架

基于設計模型的維護服務信息包框架如圖2 所示。產品設計CAD 工具（包括機械設計工具和電氣設計工具）生成的設計數據在企業的PDM 系統中管理，其中最為重要的設計數據是設計模型。采用模型輕量化技術（包括輕量化、脫敏處理），形成輕量化模型庫。基于這些模型，根據維護服務信息的需要，采用相應的制作工具，包括圖冊生成工具、手冊生成工具、動畫制作工具、運維策略編輯工具、交互式圖文工具，采用配置的方法生成與裝備完全一致的數字孿生體。這些數據孿生信息通過互聯網+手段發布到信息管理云平臺，支撐裝備使用企業通過多種形式訪問這些信息，提高裝備的維護效率。

圖2 基于設計模型的維護信息生成框架

3 維護服務信息包的構成

基于裝備設計模型的數字化維修服務信息包，包括以下核心內容：

3.1 提供精準的產品結構及清單

當前裝備的復雜性與客戶對裝備的掌握形成一個緊迫的矛盾，也是影響裝備效能發揮的重要因素。基于裝備的設計模型，提供裝備的機械結構，包括部位、部套、零件的結構關系、數量關系、關鍵屬性，如圖號、材質、更換周期等核心信息。服務信息管理平臺采用“一機一檔”的數據結構管理，支持單個裝備的結構改造、升級和運行信息的統一管理。圖3 為裝備的設計結構與發布的信息對比，展示的維護模型提供精準的產品結構及零件清單。

圖3 維護模型提供了精準的產品結構及零件清單

3.2 提供交互式電子技術手冊

基于裝備設計模型的數字化維修服務信息包，提供結構化交互式電子圖文（IETM）的創建、管理與瀏覽，并支持與模型的交互。裝備制造企業利用輕量化模型與創建的技術手冊進行關聯，在模型更新時自動更新所關聯的手冊，這一點對ETO 模式的大型裝備非常有用。同時，可以定義模型的展示方式，包括裝備組織、爆炸圖、仿真動畫、熱點管理等。系統支持結構化手冊按結構輸出、審批和導出管理（如導出成PDF 格式以便打印需要）。圖4 為設計模型與交互式圖文的關聯關系，并顯示在圖文瀏覽時自動關聯精準的模型查看方式。

圖4 交互式圖文的制作與發布

3.3 實物可視化展現與分析

可視化是數字化的表現形式。在實物產品的技術狀態管理中，通過模型的三維可視化實現實物組件在數字化產品的位置查詢、顯示及維護要素的全方位展示。通過三維可視化能力，利用個性化主動式工作空間，進行維護技術問題的關聯分析，找出最佳排故方案，以及排故方案的驗證等。圖5 為大型裝備產品的可視化模型及可視化維護信息。

圖5 可視化模型

3.4 維護維修的仿真分析

對于精細的機械部件，需要提供一個基于模型的虛擬化制造環境來驗證、仿真和評價維修過程和方法，并采用交互式手段讓維護人員參與其中，研究維修裝拆的可達性、順序的合理性、工裝的合規性以及維護工作的可操作性。采用該技術手段不僅可以預先對維護工作進行演練，還可以評估人體在特定工作環境下的行為表現，如動作時間評估、視野評估、疲勞評估、思維模式評估等，從而定制更加合理的維護策略，或為產品的可維護性設計提供依據。圖6 為一個基于模型的部套拆裝交互式動畫。

圖6 部套拆裝交互式動畫

3.5 精準的備件清單

備件管理是維護工作的重要內容，重要備件的關鍵信息、換件歷史、換件周期更關系到維修工作的成本費用。基于精準的設計模型（BOMBill of Material，物料清單）可以生成專屬的備件清單。圖7 為一個部套的備件清單、備件屬性及備件在部套中的位置。

圖7 備件清單及備件屬性

3.6 維護知識管理

基于精準的服務信息，可以定義裝備各個部位的維護策略、故障樹、維護經驗等內容。同時，每個部位的重要程度、失效后果、維護手段、風險等級等要素信息，對裝備的高效使用至關重要。而這些信息來源于裝備設計與研發團隊中的相關專家經驗。

3.7 現場維護支持和多終端展示

在維護人員需要時，能夠及時獲取、快速查詢和有針對性指導工作，維護服務信息包需要在裝備現場、移動終端、管理終端上分別展示。建立基于共享云平臺的信息推送機制，實現與裝備部套線下線上的互動模式。圖8 為采用移動終端掃描關鍵部位的二維碼，即可獲取該部位的模型信息、服務信息。

3.8 裝備全生命周期信息的集成

維護服務信息包含2 個維度的數據，分別為靜態數據和動態數據，其中靜態數據包含裝備結構、文檔資料、維護策略以及培訓資料，動態數據裝備運行狀態數據和裝備運維中的保養、潤滑、點檢、維修、換件信息等。靜態數據在初始化完成后同步到云端部署的數據庫中，方便離線使用。動態數據從裝備使用現場采集后，會在裝備終端平臺的本地數據庫中保存一份，方便現場使用，然后采取在線或離線的同步策略將數據同步到云端平臺。

圖8 移動終端訪問關鍵部位服務信息

4 關鍵技術

4.1 模型輕量化的集成與處理技術

輕量化處理的模型數據可實現在產品生命周期各階段的實時共享和可視化。采用ISO 14306 標準所規定的三維可視化文件格式[4]，集成設計工具、PLM 平臺以及其他模型處理工具，實現三維產品數據的即時、無縫傳遞，促進各業務環節和數據的有效協同。

4.2 基于大型裝備數字孿生體的服務信息管理

服務信息的核心是基于數字孿生體的增值服務及價值傳遞。數字孿生體是基于云平臺的一套描述裝備全部特征的數字模型。對大型裝備來說，包括設備設計信息、制造信息、維護手冊及文檔、使用信息等在內的全生命周期數字模型，稱為技術數據包（TDP）。

4.3 交互式圖文制作與共享

交互式圖文（IETM）在國防裝備上得到廣泛應用，但在民用裝備上還鮮有報道。基于GB/T 24463 和GJB 6600 的規范要求，處理模型、交互式對象、數據集成和信息展示[5]。

4.4 基于MBS 的TDP 維護現場

維護現場是具有多種形式的展示界面，包括機臺終端的觸摸界面、工業PDA，還包括個人移動電子產品和各類管理終端，因此展示方式各異、操作平臺各異、操作模式各異。各類技術數據對像，尤其是三維可視化數據、IETM 數據的跨平臺展示和操作的一致性是本文的技術創新點。

4.5 工業大數據的處理技術

項目必須解決從現場到云端的一系列大數據問題，包括大數據的傳輸、存貯、分析、安全等。

4.6 敏感數據的安全防護體系

采取基于角色的訪問控制（RBAC）+登錄令牌的雙重保障，防止數據泄露。對于比較重要的數據，比如一機一檔中的文檔資料、視頻信息等采取秘鑰加密技術。對于模型數據等敏感數據，一方面采用脫敏設計，另一方面采用可信的方式進行信息訪問。

5 應用效果

常德煙草機械有限責任公司是國家大二型企業，主要生產高度自動化煙草設備。近年來，企業瞄準國際同行先進水平，開展智能產品、智能制造和智能服務轉型。在新推出的全數字化和高度智能化的煙機產品中，利用本文描述的技術路線，構建“云、管、端”一體化煙機智能管理平臺，實現了煙機全生命周期管理和服務信息的主動推送。圖9 為云平臺（服務平臺）、基于Internet 的安全傳輸管道、各類終端平臺（機臺終端、現場移動終端、PC 管理終端）的煙機智能管理平臺應用架構。

系統穩定運行在各裝備應用企業，維護服務信息包的應用效果：①在新機型的修改和升級過程中，推出的TDP 保持與實物機型的一致性；②為裝備的定點維護、維修和大修，提供有針對性的信息包；③為新裝備的現場維修和保養提供了三維可視化指導；④提供有競爭力的采購備件方案；⑤基于運行數據開展預測和狀態檢修，并采用模型數據可視化展現；⑥為客戶的人員培訓提供素材。

圖9 “云、管、端”一體化煙機智能管理平臺

6 結語

設計一種以設計數據為源頭，以裝備的數字孿生體為核心，針對維護服務的信息包構建框架，并開發相應的軟件平臺，應用于大型機型裝備制造企業。與傳統模式相比，應用服務信息管理系統后，會映射出一個產品的“數字孿生體”，在賣一個實體產品的同時，隨帶一個跟產品零部件一一對應的數字模型，真正實現一機一檔。出廠的產品有可追溯性，可以對產品進行跟蹤服務，進行全壽命周期管理，為企業高速發展提供可靠的技術裝備保障。