工业互联网平台赋能轨道交通行业数字化转型方法论

2021-02-25 07:49:40 中国计算机报 2021年4期

信息化与软件产业研究所

轨道交通行业具有安全性能要求高、集约化管理、供应链系统相对独立、产品种类多、专业化程度高的行业特征,面临资源调配效率低下、车辆运维困难、客户需求不断提高等痛点,亟需加快基于工业互联网平台的数字化转型步伐,提升企业综合实力。中车四方、中车株机、中车浦镇等企业正以车辆远程运维为切入点,加速推动轨道车辆向研发设计数字化、生产制造柔性化、产业链管理一体化、车辆运维智能化等方向转型。基于此,本文深入剖析了轨道交通行业数字化转型趋势、平台应用场景以及业务落地解决方案。

轨道交通行业

数字化转型趋势分析

研发设计从实验验证向平台仿真转变。轨道车辆行业传统研发设计是基于实地实验验证的,每种新的零部件都需要经过大量的实际线路试验检测、数据提取、统计分析来确定它的安全性、可靠性,期间耗费大量的人力、物力、财力,且效率较低。基于工业互联网平台构建虚拟仿真环境,在赛博空间构建轨道车辆数字孪生体,通过工况设置、参数输入等进行虚拟仿真,不断迭代优化,将持续推动产品研发完善,缩短研发周期,降低研发成本。

生产制造从大批量向柔性化转变。近年来,我国轨道车辆行业正处在快速发展时期,国内的需求量猛增、订单量巨大,轨道车辆供应商规模持续扩大、供给能力不断提升。但是,随着市场趋向饱和,地铁等多样性城市轨道交通的兴起,轨道车辆的产业需求逐渐升级,倒逼轨道车辆供应商积极寻求转型,从单纯的车辆制造商逐渐转变为基于车辆制造的服务商,探索车辆制造车间智能化改造,加速向柔性化生产的方式转变。

业务管理从以人为主向精益化转变。轨道车辆行业传统的管理模式以人为主,具有变动性太大、作业管理混乱、管理无法落地且追溯性差等弊端,管理效率较低。基于工业互联网平台对业务流程进行实时把控,有利于打通部门之间、人机之间、设备之间的数据壁垒,实现以节拍式拉动、看板式管理、流水化作业和标准化工位等精益化管理模式,推动生产制造透明化、部门合作协同化、资源调配高效化,节约管理成本、提高管理效率。

设备运维从定时维修向按需维修转变。轨道交通行业的车辆设备安全性能要求高,必须严格保障车辆运行过程中的健康水平。传统的高速铁路车辆运维建立了一套按照里程数维修的制度,每当车辆运行到标准里程数,必须进行健康水平检测,大大增加了运维的时间成本、经济成本。基于工业互联网平台在线采集车辆运行实时数据信息,经过算法统计和模型分析,有利于发现车辆运行过程中的健康状态和存在的问题,安排维修计划,保障车辆运行效率。

工程机械行业工业互联网

平台应用场景及实践

虚拟仿真。轨道交通行业基于工业互联网平台搭建虚拟仿真平台,构建车辆数字孪生体,在线上虚拟空间中进行工况模拟,可以实现研发设计迭代式优化。一是建立仿真模型。通过赛博空间和物理空间的映射,构建车辆系统虚拟模型,用来展示车辆系统实时状态。二是进行工况模拟。设立不同的线路,输入工况参数,进行虚拟空间实验,确定数字孪生体的车辆性能,为物理实体提供参照。三是进行设计优化。依托虚拟仿真得到的大量数据,经过统计分析,可以促进研发设计环节迭代更新。

例如,中车株洲机车使用ESI集团IC.IDO 3D仿真分析平台进行实时优化设计,为客户提供1∶1 3D虚拟样机审查设计并实时传达修改,节省了大量的开发时间和成本。中车四方基于工业互联网平台协同仿真,提升资源利用率和研发仿真验证效率。

协同制造。基于工业互联网全要素、全产业链、全价值链连接能力,打通人与机器之间、机器与机器之间、产线与产线之间的信息壁壘,实现生产过程最大化的协同平衡。一是人机协同。基于工业互联网平台,对机器设备进行远程监测、指挥、维护,实现人机协同作业。二是设备协同。基于平台采集生产过程数据信息,通过大数据分析优化,对生产线进行智能化改造,实现生产设备最优布局,让设备发挥最大效能。三是产线协同。基于平台数据的计算分析、智能决策,统一调配生产要素,推动跨产线协同制造。

例如,中车株机基于轨道交通行业工业互联网平台,建设转向架智能制造车间,实现人员、AGV设备、物料、产线全部数字化对接,解决了智能制造产线之间的协作问题。11条子生产线可达到最大化的协同平衡,转向架的构架、车轮和车轴3条生产线之间的相互等待时间基本为零。同时,基于平台开展柔性化生产,使小批量试制与大批量投产同步进行,推动人员成本减少50%,生产效率提升30.1%。

产业链管理。轨道交通作为一个综合性产业,其产业链十分丰富,基于工业互联网平台实现产业链的有效管理,将促进轨道交通行业资源配置优化、服务能力提升。一是供应链管理。建立供应商关系维护、对接、交流平台,严密把控市场动向,确保零部件高效供应,保障生产维修需求。二是制造链管理。加强生产制造过程的实时监测、数据采集、智能分析,提高生产车间的洞察力。三是服务链管理。建立客户对接平台,积极交流,根据客户不断升级的需求推出个性化产品,提高企业服务能力,塑造综合竞争力。

例如,中车信息技术有限公司结合中国中车供应链产业升级需求,优化整合中车电商平台和中车供应链采购管理资源,建设“中车购”供应链电子商务协同平台,加强供应链管理。截止到2017年7月,平台交易总规模超过640亿元,合格供应商用户总数超过2万家。

设备健康管理。基于工业互联网平台对轨道车辆设备进行深刻洞察、设备故障精准预测、事故风险有效评估,按需安排维修计划。一是状态监测。通过传感器等感知设备,采集车辆运行过程中的状态数据,实时进行状态监测,确保车辆安全运行。二是建模仿真。利用虚拟仿真平台,进行不同工况的状态模拟,从而不断优化车辆性能。三是大数据分析。结合工作日志、历史故障、运行轨迹、实时位置等海量数据进行挖掘分析,判断可能出现故障的时间和部位,实现预测性维护。

例如,中车株机使用先进的联网技术、传感器技术,搭建数据采集和分析平台。及时了解机车的健康参数,确保车辆在安全可控的状态下运行。中车四方和国信会视合作,基于工业互联网平台建设了轨道交通装备智能运维平台,实现列车状态数据的实时采集和处理。对列车状态进行监控和故障快速告警,降低列车运维成本,保障列车的健康安全运行。

推进应用场景落地的着力点

进行生产车间改造,提高生产效率。一是依托工业互联网平台,对车间全要素进行连接,实现生产数据可视化、生产过程透明化的制造全过程动态管控。二是基于大数据分析,对生产车间资源进行智能化调配,实现产线协同,提高生产资源利用率。三是基于工业互联网平台,结合5G、人工智能、大数据等新一代信息技术,对车间进行智能化改造,提高生产制造数字化水平。

开发智能业务系统,增强管理水平。一是生产安全管理,对生产车间进行实时监测,对历史数据进行统计分析,对应参照,排查安全隐患,提供安全报警服务。二是质量管理,利用传感器、摄像头等设备,对各工序进行质量数据采集,进行数据分析,完善不合格品处理、质量分析、售后质量信息处置等工作,三是业务管理,开发基于平台的一体化管理系统,打通供应商、服务商、经销商等合作伙伴间的信息壁垒,提高管理效率,降低管理成本。

提供车辆远程运维,确保运行安全。一是建立实时状态感知系统,利用各种传感器探测、采集车辆运行过程中的参数信息,将收集的数据进行有效转换和传输。二是建立车辆实时监控系统,结合数字孪生技术,直接展示线上所有运行列车的速度、状态、运营等参数,有效提升车辆的统筹、调度、管理效率。三是建立故障预警系统,依据历史数据建立各参数变化与故障损伤的概率模型,结合当前车辆运行参数,进行健康状态判断、趋势分析与异常情况自动报警,降低运维成本。