高速动车组轮对智能生产运行评估规范与评价方法研究

赵宏军，齐春花，康进港

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

（北京机械工业自动化研究所有限公司，北京 100120）

1 高速动车组轮对智能生产运行评估研究的背景和意义

1.1 研究背景

1.1.1 高速铁路快速发展与高质量的要求

高速动车组近年来呈现出高增涨的发展趋势，市场需求旺盛，市场规模迅速扩大，产品技术不断升级，系统集成度提高。轨道交通运营正向网络化和多样化发展，用户对轨道交通装备的安全性、可靠性提出了更高、更苛刻的要求。中国高铁已经站在世界轨道交通装备技术的最前沿，目前产品遍布全球六大洲一百多个国家和地区，占全球市场总量的60%以上，成为中华民族复兴乐章的强劲音符。高铁制造企业必须从“制造”走向“智造”，贯彻落实国家智能制造实施指南，把握智能制造发展的特点和规律，加速企业的智能转型，才能引领轨道交通行业及装备制造业智能化发展。

1.1.2 高速铁路智能制造发展水平评估规范亟待推出

智能制造发展水平评估用来衡量一个行业或企业的智能制造发展水平，通过评估结果的纵向对比，可判定企业智能制造发展水平的深入发展；通过横向对比，判断各行业智能制造发展水平的高低；也可对行业当前的智能制造发展阶段进行定位，为各级政府及行业主管部门提供评估行业智能制造发展水平的工具，为制定智能制造相关政策提供依据。

高速动车组产品是由几十万个零部件组成，是一个融合了机、电、软、硬件多系统的一体化产品，尤其是轮对作为走行部的重要部件，产品智能化程度高。在高速动车组快速发展的形势下，亟需确立行业智能工厂运行与评估体系，为我国高速动车组生产企业提供准确的智能制造水平评估，但目前国内尚未形成一套有效的高铁制造业企业智能制造发展水平评估规范和指标体系。研究建立高速动车组轮对智能生产评价体系，对于建立起一套完整的智能工厂评价体系有着关键作用。

1.2 研究意义

通过研究高速动车组轮对智能生产运行评估规范，制定高速动车组智能工厂轮对生产车间的运行管理评估标准、评价指标体系及操作方法，为评估工作提供技术指导和技术规范支持，进行客观、公正的评价，作为企业持续改善的依据。

研究结果不仅行业主管部门对高速动车组生产企业智能生产的评估，以便及时获知行业的智能制造水平，也适用于高速动车组生产企业开展内部智能制造水平评估与诊断，在同行业开展对标分析，使企业发现智能制造建设历程中的差距和薄弱环节，明确智能制造发展方向和着力点，逐步提升智能制造发展水平。

2 轮对智能生产运行评估设计思想、框架结构

2.1 设计思想

2.1.1 评估涵盖内容

高速动车组企业通过精益制造、信息技术与现代管理融合，实现企业智能管控、组织优化，建成了数据驱动型企业。高铁动车组企业通过开展产品设计标准化、配件来料标准化，物流配送标准化、垂直整合产业链上中下游企业，应用生产管理系统，达到设计生产一体化智能制造，实现高速动车组的整体智能化生产运营。本次评估研究涵盖车间生产过程中的人、机、料、法、环、测等与制造能力相关的各个要素，从制造执行系统功能完整性、管理规范性、效果凸显性三个方面为切入点进行，评估企业制造执行过程中的智能排产、物料管理、数据采集、现场监控、质量控制、设备管理等要素，分析制造车间管理透明化、操作无纸化、全局绩效监控及响应控制及时化、实时数据采集以及集中可视化管控等方面的水平。

2.1.2 适用企业类型

本研究适用于高速动车组生产企业，也可作为其他离散型制造企业的生产车间智能制造水平评估参考。

2.1.3 评估过程要求

评估规范的指标设置面向企业、针对性强，评估过程操作简便，获得数据直接、真实可靠，采用是、否或有、无问答形式或以数据表述，结果引导性强，引领企业通过智能制造，实现创新发展、智能发展和绿色发展。

2.2 评估原则

2.2.1 科学性

评估规范内容能够客观反映制造企业车间智能制造的发展情况，通过自我评估为企业指明发展方向。

2.2.2 易操作性

评估规范采用是、否或有、无问答形式或以数据表述，评估指标易于获取，指标体系易于构建，评估数据易于采集，评估方法便捷有效。

2.2.3 实用性

以评估智能制造能力为重点，引导企业深入开展智能制造建设；随着智能制造不断深入发展和实践经验不断丰富，对智能制造评估指标体系进行调整和修订，不断优化和完善以满足新的评估需求。

2.3 评估框架设计

高速动车组轮对的生产活动是智能制造的核心环节。应用自动化、智能化的生产装备和物流装备、传感器、数字采集器、过程控制、制造执行、信息物理系统等组成人机一体化的制造系统，按照产品工艺要求，通过有限能力排产，物料自动配送，状态实时跟踪，优化控制，智能调度，设备运行状态的监控，质量管理与追溯，车间绩效等构成的智能化生产系统实现生产正常进行。

2.4.1 评估框架

本研究以高速动车组轮对生产为实施载体，从智能生产与生产执行系统的功能完整性，管理规范性，效果凸显性三个方面，结合安全生产、能源与环保管理，设定评估指标与采集项。按《国家智能制造标准体系建设指南》中智能制造系统架构为参考模型，从智能制造系统架构的生命周期、系统层级和智能功能三个维度，抽取与车间生产活动相关的4个主要要素：计划与制造执行、智能物流、智能装备、过程质量进行评价。

计划与控制抽取的内容包括基于约束的生产计划排产和优化控制，实现生产过程中的人、机、料、法、环等要素的数据自动采集、实时更新，实现生产作业现场可视化。

智能物流从仓库库存管理和现场物流两个角度对智能物流进行评估。内容包括仓储物流信息系统的应用，使用物流识别技术（条码、二维码、RFID等）对整个仓储物流活动过程进行识别和跟踪，仓储物流配送的自动化及优化控制，仓储物流系统与制造执行系统有效集成。

智能装备从装备智能化程度、装备集成智能化程度和装备管理三个角度抽取。装备智能化程度内容包括数字化装备及柔性制造单元的数字化、智能化程度；装备集成智能化程度包括装备的联网能力，柔性制造单元和柔性生产系统的状态感知、自检测、深度学习、优化调度、优化控制、智能决策能力；装备管理重点评估装备管理的深度，包括装备的维护、故障诊断、知识库的应用等。

过程质量控制抽取内容包括生产过程质量管理、质量追溯、质量分析、质量改进、异常预测等过程。实现质量的在线检测，应用人工智能、大数据技术实现质量自我提升。

2.4.2 评估分级

按照评级框架，根据指标评估及得分并与计划与制造执行、智能物流、智能装备、过程质量要求进行对比，将轮对智能生产的智能制造发展水平与能力评分为五个等级：基础入门、初级智能、中级智能、高级智能、卓越智能。

3 轮对智能生产运行评估研究的主要内容

3.1 轮对智能生产评估指标

轮对智能生产评估指标如下表所示，包括三个一级指标：功能完整、管理规范、运行效果，每个一级指标下有若干个二级指标，各指标如表1所示。

表1 各级指标明细表

3.2 功能完整

轮对生产车间应实施制造执行系统，从作业计划、作业调度、生产执行、生产准备、作业指导、物料管理、现场监控、设备管理、质量管理、效能分析几个功能模块评估功能的完整性。功能完整性是必须达到的要求也是基础入门的要求。设10个二级指标，38个三级指标，38个采集项点，通过是否/有无形式评估。

3.3 管理规范

轮对车间的运行管理在功能的基础上主要评估管理的细度及深度，这是评估运行智能化的关键环节，从作业计划、作业调度、生产执行、生产准备、作业指导、物料管理、现场监控、设备管理、质量管理、人员管理、能源和环境管理、安全生产、效能分析、制度完整性方面进行评估。设14个二级指标，61个三级指标，334个采集项点，

3.4 运行效果

从集成效果、智能效果、运营指标、行业示范性四个方面评估轮对车间智能生产情况，设4个二级指标，38个三级指标，46个采集项点，通过是否/有无或问题勾选形式评估。

3.5 各智能级别描述

基础入门级：使用信息系统对生产计划、仓库、质量数据进行了基本管理。

初级智能：承接物料需求计划，产线作业计划和工序作业计划，实现关键工序质量在线检测。

中级智能：实现有限能力排产，工位自动上下料，实现关键工序生产数据全流程可追溯，建立设备在线状态监测、诊断、报警的统一管理平台。

高级智能：实现车间生产过程数字化建模、优化排产、生产过程的可视化。

卓越智能：在数字化车间的基础上，应用人工智能、大数据技术，优化资源利用，实现车间系统自学习及业务自调整。

4 评估实施

4.1 评估准备

根据评估企业要求，由企业内部或聘请第三方机构，组成评估小组。评估小组根据规范规定的内容，设计评估问卷。评估问卷应符合下列要求：

能反映出被评估的轮对智能生产管理的全部指标，并反映出产品生产特点；

评估问卷应涵盖规范中指标，并可适当增加适合企业自身指标要求。

4.2 评估计划

评估组编制评估计划，确定评估依据、评估对象、评估人，并依据评估问卷要求对轮对车间智能生产进行评估。组织轮对生产涉及的部门和人员，并进行评估过程和评估内容讲解。按评估计划评估，并填写评估记录。

4.3 评估信息收集

评估指标按规范要求全部选取，一级为基础指标，每一基础指标下设二级指标，二级指标下设若干三级指标及采集项点。在实施评估的过程中，通过适当的方法采集评估证据，收集并验证与企业发展智能制造相关的信息。

4.4 评分

将收集的评估证据与评估标准进行对比，进行评估打分。

各级指标评估为100分制。对于是否/有无的指标，选择是/有，即得分，对于选择项，选择相应结果即得相应分数。

下列三项为影响评估结果的关键因素：

被评估对象不具备本规定的基本功能项；

被评估对象评估过程中出现严重问题；

被评估对象指标评定值不能达到最低限度。

4.4.1 单项指标的评分方法

无下级指标的单项指标直接进行评分。

有下级指标的单项指标不进行直接评分，由下级指标汇总得出。

4.4.2 评分汇总方法

二级指标根据评价得分及给定权重计算出各一级指标的评估得分，每一基础指标根据得分及给出的权重，综合计算得出系统评价得得分。

上级指标的得分按如下公式计算得出：

上级指标的得分=Σ（下级指标得分×下级指标权重）

评估的总评分按如下公式计算得出：

评估总评分=Σ（一级指标得分×一级指标权重）

4.5 评估评级

经数据汇总后提取与计划与制造执行、智能物流、智能装备、过程质量相关的指标，按4个指标对应的评估条款对每个指标/项点进行打分评估，并依据每一个指标的给定权重，评价出智能生产的等级。并根据具体评分项的得分差异来判断企业优势以及存在的不足

4.6 评估报告

评估人员或组织依据评估过程，本着实事求是的原则，起草评估公告。评估报告中应包括：

评估的范围和环境；

评估内容；

评估报告及结论（应包括与评估项相关的评估结果有效性的说明）；

改进建议；

其他有关说明。

5 结语

轮对车间智能生产运行管理评估标准、评价指标体系的制定，为评估工作提供技术指导和技术规范支持，对高速动车组轮对生产运行进行客观、公正的评价，并作为企业持续改善的依据。

评估规范对相关企业的评估和企业的自我评估具有指导意义，企业通过评估与自评估诊断，明确企业的发展重点和发展方向，查找薄弱环节和突破口，为企业的发展提供帮助。

随着智能制造发展水平评估不断推广，评估案例的不断增加，智能制造技术的不断发展，将进一步细化评估内容、要求和水平等级，持续完善智能制造发展水平评估指标体系和方法，保证其完整性和适用性。