電力機車智慧調(diào)試系統(tǒng)設計分析

丁春嶸 DING Chun-rong

（國能鐵路裝備有限責任公司，滄州 061113）

0 引言

機車檢修調(diào)試環(huán)節(jié)是確認檢修機車出廠質(zhì)量，保障機車日常安全穩(wěn)定運營的重要環(huán)節(jié)。檢修機車組裝完成后，進入調(diào)試車間進行調(diào)試和整備作業(yè)，各項試驗正常并經(jīng)檢驗合格后滿足出廠交付條件。然而當前國內(nèi)機車整車調(diào)試行業(yè)普遍存在信息化嚴重滯后、過度依賴人員經(jīng)驗、自動化測試缺失、調(diào)試數(shù)據(jù)積累貧乏的現(xiàn)象。

為解決機車調(diào)試效率、質(zhì)量要求的日益提升與機車調(diào)試工藝原始落后現(xiàn)狀之間的矛盾，機車調(diào)試亟待通過信息化、互聯(lián)化、智能化技術，升級現(xiàn)有系統(tǒng)。在生產(chǎn)制造業(yè)發(fā)展的大趨勢下，充分借鑒先進經(jīng)驗，把生產(chǎn)調(diào)試與數(shù)字化、信息化、智能化進行深度融合發(fā)展，是提高電力機車調(diào)試工藝水平、保障生產(chǎn)質(zhì)量、提高調(diào)試效益的關鍵技術手段。

1 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)通過信息化、互聯(lián)化、智能化技術，在數(shù)字化車間建設的前提下，利用物聯(lián)網(wǎng)技術和設備監(jiān)控技術加強信息管理和服務，對調(diào)試中的人、機、料、法、環(huán)、測六大要素進行全面升級和貫通，提高調(diào)試過程的可控性和自動化率，清楚掌控調(diào)試流程，推動電力機車調(diào)試方式從傳統(tǒng)向智慧的轉(zhuǎn)變。電力機車智慧調(diào)試系統(tǒng)六要素優(yōu)化改造思路如圖1 所示。

圖1 智慧調(diào)試系統(tǒng)六要素

“人”方面：通過手持平板執(zhí)行終端，在線接入調(diào)試系統(tǒng)，實現(xiàn)作業(yè)過程全數(shù)字化記錄歸檔，提供作業(yè)輔助及培訓管理功能；通過機器視覺技術，實現(xiàn)人員行為規(guī)范及作業(yè)安全監(jiān)測，保障作業(yè)安全，提供作業(yè)質(zhì)量。最終，實現(xiàn)人在環(huán)管理的目標。

“機”方面：利用無線物聯(lián)技術，升級改造現(xiàn)有檢測調(diào)試平臺，同時增加智能檢測設備，利用非接觸測量技術，實現(xiàn)檢修調(diào)試全面數(shù)字化，結(jié)果判斷自動化，提高調(diào)試效率和準確率。

“料”方面：利用物聯(lián)網(wǎng)技術及信息化技術，實現(xiàn)調(diào)試環(huán)節(jié)物料供應狀態(tài)監(jiān)控，自動分析和記錄物料供應運轉(zhuǎn)過程，對物料問題及時預警，提升調(diào)試環(huán)節(jié)整體效率。

“法”方面：利用自動化測試、機器學習及邊云協(xié)調(diào)等技術，實現(xiàn)調(diào)試及判定自動化，工單電子化，測試管理集中化。通過積累調(diào)試過程完整數(shù)據(jù)，為調(diào)試數(shù)據(jù)深度挖掘、調(diào)試過程優(yōu)化等提供數(shù)據(jù)支撐，最大化調(diào)試數(shù)據(jù)資產(chǎn)價值。

“環(huán)”方面：通過改造調(diào)試廠房，建立數(shù)字化調(diào)試車間，并建立集中完善的調(diào)試信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)調(diào)試人員、調(diào)試設備、調(diào)試任務、調(diào)試結(jié)果的在“環(huán)”管理，打破原有數(shù)據(jù)孤島。

“測”方面：基于邊緣改造及無線連接技術，實現(xiàn)測試工具在環(huán)管理，測試數(shù)據(jù)自動反饋，測試結(jié)果自動判斷。降低人員因素對測量結(jié)果準確性的影響。

系統(tǒng)建設實施后，將打破原有數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象，實現(xiàn)智能調(diào)試六要素互聯(lián)互通，形成“自發(fā)的”信息流與反饋閉環(huán)：

“法”-＞“人”：由于實現(xiàn)了調(diào)試數(shù)字化、自動化與信息化，降低了調(diào)試技術難度，調(diào)試數(shù)據(jù)得以積累。基于調(diào)試數(shù)據(jù)分析，可實行“預控式”管理，開展基于數(shù)據(jù)挖掘的工藝流程優(yōu)化。通過對人員數(shù)據(jù)分析挖掘，實現(xiàn)人員技能、績效準確評估，制定培訓提升方案。

“機”-＞“環(huán)”：由于升級邊緣智能，設備狀態(tài)數(shù)據(jù)及檢測結(jié)果數(shù)據(jù)可實時進入管理系統(tǒng)，形成數(shù)據(jù)資產(chǎn)，為后續(xù)數(shù)據(jù)挖掘提供支撐。

“環(huán)”-＞“機”：基于數(shù)據(jù)積累形成的數(shù)據(jù)資產(chǎn)，實現(xiàn)對設備的健康評估，自動形成設備維保建議，保障調(diào)試質(zhì)量。

“測”-＞“人”：由于實現(xiàn)邊緣智能與即時互聯(lián)，測試結(jié)果可實時反饋到人，輔助人進行直觀的快速決策。

“測”-＞“機”：由于調(diào)試設備實現(xiàn)了泛在互聯(lián)管理，測試數(shù)據(jù)得以積累。系統(tǒng)可基于積累數(shù)據(jù)分析，挖掘測試設備優(yōu)化方案，實現(xiàn)測試工藝流程的優(yōu)化，最終形成調(diào)試效率螺旋上升通路。

方案通過無線技術、邊緣計算、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、數(shù)字孿生、及大數(shù)據(jù)等智能賦能技術，對電力機車智慧調(diào)試系統(tǒng)六大制造要素進行升級貫通，在各要素之間形成了自發(fā)的信息流與物流反饋，持續(xù)積累數(shù)據(jù)資產(chǎn)，進行數(shù)據(jù)挖掘優(yōu)化，推動調(diào)試系統(tǒng)實現(xiàn)從“人智”（靠人執(zhí)行決策）到“輔智”（機器自動執(zhí)行/輔助決策）跨越轉(zhuǎn)變。

2 系統(tǒng)框架設計

根據(jù)電力機車調(diào)試工作場景不同，電力機車智慧調(diào)試系統(tǒng)可分為調(diào)試后臺系統(tǒng)和調(diào)試現(xiàn)場系統(tǒng)，系統(tǒng)框架如圖2 所示。

圖2 智慧調(diào)試系統(tǒng)框架

調(diào)試后臺系統(tǒng)按照工作主要職能可以進一步劃分為兩個子系統(tǒng)：智慧調(diào)試管理系統(tǒng)和智慧調(diào)試分析系統(tǒng)。智慧調(diào)試管理系統(tǒng)主要以企業(yè)大數(shù)據(jù)中心+調(diào)試業(yè)務平臺軟件的形態(tài)呈現(xiàn)，對外可對接企業(yè)的ERP、MES、LIMS 等既有系統(tǒng)，同時也是整個智慧調(diào)試系統(tǒng)主要的人機交互接口，即管理人員、調(diào)試人員可分別使用計算機終端或者手持式移動終端與智慧調(diào)試系統(tǒng)進行交互，獲取自身關注的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析結(jié)果，或者記錄上傳調(diào)試生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的海量真實數(shù)據(jù)。在全量數(shù)據(jù)互通的基礎上結(jié)合智慧調(diào)試分析系統(tǒng)對各類數(shù)據(jù)分析挖掘的結(jié)果，可以達到電力機車調(diào)試工作全周期智慧監(jiān)控的目標。智慧分析系統(tǒng)主要以運行在獨立部署服務器上的算法服務軟件形式呈現(xiàn)，可以靈活接入/移出調(diào)試后臺系統(tǒng)整體框架結(jié)構，方便隨時對系統(tǒng)進行在線升級維護。智慧分析系統(tǒng)和智慧管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模塊深度對接；可以通過智慧管理系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)訪問接口，獲取電力機車調(diào)試工作中各個環(huán)節(jié)產(chǎn)生的生產(chǎn)調(diào)試數(shù)據(jù)。智慧分析系統(tǒng)通過各類數(shù)據(jù)挖掘算法、智能化算法，將對生產(chǎn)調(diào)試數(shù)據(jù)從不同維度進行分析統(tǒng)計的結(jié)果反饋回流到智慧管理系統(tǒng)中，并可根據(jù)業(yè)務需求進行持久化存儲，為生產(chǎn)調(diào)試數(shù)字化、管理監(jiān)控智能化提供支撐。

調(diào)試現(xiàn)場系統(tǒng)主要由電力機車調(diào)試工作現(xiàn)場需要用到的各類智能化、非智能化設備工裝以及相配套的基礎網(wǎng)絡服務系統(tǒng)組成，包括邊緣計算網(wǎng)關、調(diào)試服務器、無線AP 點、智能化調(diào)試試驗臺、各類傳感器數(shù)采裝置、自動化網(wǎng)絡調(diào)試設備、智能調(diào)試工裝和手持式移動作業(yè)終端等。為滿足動態(tài)調(diào)試需求，保證機車在線上運行時也有相應的網(wǎng)絡環(huán)境來保障移動作業(yè)終端和自動網(wǎng)絡調(diào)試裝置等智能化調(diào)試工裝的正常工作，調(diào)試服務器不僅在車間內(nèi)部進行定點部署，還可以按照便攜式的形式進行配置，方便在機車上搭建調(diào)試網(wǎng)絡。便攜式調(diào)試服務器有在線和離線兩種不同的工作模式，但對于經(jīng)由便攜式調(diào)試服務器接入到智慧調(diào)試系統(tǒng)的終端設備而言幾乎感受不到兩種工作模式的差異，從而實現(xiàn)各種工況下調(diào)試試驗流程的統(tǒng)一。

3 層次結(jié)構設計

智慧調(diào)試系統(tǒng)可按照三層架構進行設計，分為狀態(tài)感知層、數(shù)據(jù)管理層、應用層，如圖3 所示。

圖3 智慧調(diào)試系統(tǒng)功能框架

各層提供功能包括：①狀態(tài)感知層：提供車體監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測以及車間安防監(jiān)測數(shù)據(jù)實時采集及上報。采集車載網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，獲取機車通信設備狀態(tài)信息，根據(jù)協(xié)議解析機車設備相關信號信息，為調(diào)試工藝執(zhí)行判斷提供數(shù)據(jù)支撐；②數(shù)據(jù)管理層：提供采集數(shù)據(jù)解析、基礎數(shù)據(jù)和分析主題數(shù)據(jù)存儲功能，提供數(shù)據(jù)可視化查詢接口，根據(jù)設定規(guī)則引擎進行數(shù)據(jù)挖掘分析，提供挖掘分析數(shù)據(jù)查詢接口；提供數(shù)據(jù)治理和數(shù)據(jù)備份功能，為業(yè)務功能提供基礎元數(shù)據(jù)，并對接入設備進行質(zhì)量管控，保障數(shù)據(jù)安全；③應用層按照功能層級可分為數(shù)據(jù)分析層和業(yè)務界面層。各層包括功能如下：數(shù)據(jù)分析層功能：規(guī)程優(yōu)化分析、規(guī)程執(zhí)行分析、調(diào)試條件分析、工藝優(yōu)化分析、計劃優(yōu)化建議、作業(yè)沖突檢測、自動排程分析、自動派單分析、庫存分析、知識推送、工單異常分析、故障診斷引擎、車輛狀態(tài)評估、檢查項點評估、調(diào)試項點分析、機車質(zhì)量分析、調(diào)試行為分析、人員績效分析、技能等級分析、安全生產(chǎn)分析、基礎指標分析、不見狀態(tài)預測等等。

業(yè)務界面層提供功能如下：設備管理：支持功能包括工藝設備管理、巡檢測量管理、消防設備管理功能；監(jiān)督管理：支持功能包括技術管理、安全管理、質(zhì)量管理功能；故障管理：支持功能包括故障查詢、故障過濾、故障推送、歷史故障管理功能；質(zhì)量管理：支持功能包括機車質(zhì)量評估、電子調(diào)試履歷、自動報告生成功能；故障報警：支持功能包括故障診斷、故障預警功能；段場作業(yè)輔助管理：支持功能包括車輛調(diào)度管理、工作計劃、值班排班、職工管理、績效管理、培訓管理、生產(chǎn)月報、備品備件管理功能；調(diào)試計劃自動排程：支持功能包括機車規(guī)程管理、機車小時計劃功能；在線監(jiān)測：支持功能包括多車/車庫監(jiān)測、單車監(jiān)測、子系統(tǒng)監(jiān)測、集成展示、數(shù)字地圖功能；調(diào)試作業(yè)：支持功能包括移動作業(yè)、流程管理、工藝管理、調(diào)試數(shù)據(jù)管理功能；決策支持：支持功能包括報表統(tǒng)計、故障分析、指標分析、自助分析功能；專家知識：支持功能包括智能推送、智能檢索、應急支持、文檔管理功能。

4 整套系統(tǒng)歸納

整套系統(tǒng)可以歸納分為三大板塊和十六大子系統(tǒng)。三大板塊分為智慧管理、智慧檢測、智慧分析，智慧管理系統(tǒng)包括調(diào)試過程管理、調(diào)試工藝管理、調(diào)試資產(chǎn)管理、調(diào)試人力管理、全量數(shù)據(jù)管理、車間監(jiān)控管理以及配套硬件，智慧檢測設備包括物聯(lián)檢測設備集群、車輛綜合診斷系統(tǒng)、視覺檢測測量系統(tǒng)以及AGV 巡檢檢測系統(tǒng)，智慧分析系統(tǒng)包括設備數(shù)字孿生、調(diào)試質(zhì)量評價、過程挖掘提升、資產(chǎn)應用優(yōu)化、人力應用優(yōu)化、作業(yè)風險預警，具體如圖4 所示。

圖4 智慧調(diào)試系統(tǒng)功能框架

5 總結(jié)

目前此套系統(tǒng)已成功應用在公司生產(chǎn)的電力機車調(diào)試流程中，比傳統(tǒng)機車調(diào)試在錯誤率上有很大降低，人工生產(chǎn)效率有進一步的提升，為公司未來在數(shù)字化方向轉(zhuǎn)型發(fā)展又向前邁進一步。