基于健康管理的高校實驗室設備管理體系

孟兆磊，李寧寧，嚴 露

(北京科技大學 東凌經濟管理學院，北京 100083)

健康管理的概念起源于人類醫療。后來，由健康管理衍生出故障預測與健康管理(prognostic and health management，PHM)技術。PHM首先應用在軍用裝備中，隨后在航天飛行器、飛機、核反應堆等復雜系統和裝備中獲得應用，如今在電子、汽車、船舶等很多工業領域也越來越受到重視[1-2]。這里的健康管理指的是根據診斷/預測信息、可用維修資源和使用要求，對維修活動做出適當決策的過程，是基于上述系統設備的維修維護成本愈發高昂而發展起來的。

目前高校實驗室配置了大量精密、高端設備，設備復雜程度不斷提高，隨之而來的是維修維護成本的提高。將PHM理念應用到高校設備管理很有必要。

1 高校實驗室管理問題分析

1.1 管理制度不健全，落實不到位

一些高校實驗室的設備管理制度不健全，設備使用者和管理者的管理維護意識不強[3]。當制度不完善，缺乏合理、必要的獎罰激勵制度時，實驗室工作人員的積極性就不能被充分調動起來，即使待遇優厚，有些管理人員還是缺乏設備管理維護意識。對實驗室設備疏于管理，將使設備耗損嚴重、使用壽命降低。

1.2 設備維修維護時機不合理，成本過高

高校實驗室設備多是出現故障后才維修，雖然這樣能最大限度地利用設備零部件的壽命，但是這種方法最好僅限于不重要的設備。對于重要設備來說，這種維修方式將會使設備故障更多、維修時間更長、維修用度更高，很不經濟。在單純的預防維修中，如果抓不住合適的時機而使維修維護活動過早進行，同樣也不經濟。但是，僅憑主觀判斷確實很難決定最佳的維修時機，這是目前設備管理中亟待解決的合理時機問題。

1.3 設備購置不合理，利用率低

由于高校對學生實踐能力和創新能力培養的重視程度普遍提高，對實驗室設備的建設力度也在加大。但是由于各實驗室相互獨立，共享程度低，不同實驗室在對同一設備有需求的情況下重復購置，造成巨大浪費。另外，重復購置可能導致部分設備無法物盡其用，甚至被閑置[4]。實驗室建設缺乏長遠規劃和統籌安排，也會導致實驗室設備效用不高甚至資產的閑置。在實驗教學改革進展緩慢、實驗室開放程度不高的高校，設備閑置的問題更為嚴重。

2 引入健康管理后的實驗室設備管理體系

隨著計算機技術的發展，系統管理的思想越來越成熟。將PHM技術引入實驗室設備管理，可很好地解決目前高校實驗室設備管理不適應實驗室發展的狀況，提高實驗室運行效率。此外，將實驗室設備的日常管理過程系統化也是實驗室高效運作的必要條件。

2.1 實驗室設備日常管理系統

為提高實驗室設備管理效能，我校引入實驗室設備日常管理系統，并配以規范的管理制度，完全符合實際需要并具有可操作性。在日常的設備管理過程中，管理員做好分內工作，對設備的購置、使用、外借進行監督管理，嚴格執行規章制度，堅決維護制度的嚴肅性和有效性。使用者也要自覺遵守實驗室制度，共建和諧的研究氛圍。

高校實驗室設備管理系統的用戶分為普通用戶和管理員用戶。普通用戶包括教師和學生，系統為這些用戶提供的功能主要包括：對設備使用、租借的查詢服務，修改個人信息。系統為管理員用戶提供的功能包括：對實驗室設備入庫、驗收、出庫、租借、報廢等進行管理，對設備進行查詢以及對普通用戶進行管理[5]。

2.2 設備健康管理系統

不同的設備有不同的最佳維修周期，適合不同的維修方式，例如不重要的設備可以事后維修，關鍵性設備應該預防維修。只有在正確的時間、選擇適當方式對設備進行維修保養，才能得到最經濟、最好的效果，而在設備管理工作中不分輕重的故障維修的方法應該改變。

視情維修的開放體系結構(OSA-CBM)綜合了國防軍事、航空航天以及工業各領域中應用的不同類型的PHM系統的共同設計思想以及應用技術和方法(見圖1)[6-7]。該體系結構對于要建立的高校實驗室健康管理系統同樣有指導意義。

圖1 視情維修的開放體系結構圖

在開放體系結構中，故障預測是根據采集的數據來評估設備未來的健康狀況，包括預測設備的剩余壽命,自動推理決策產生更換、維修等建議，以便在系統發生故障前的適宜時機采取維修措施。這兩部分是PHM系統的顯著特征，應該在高校實驗室設備健康管理系統中得以保留和體現。基于以上結構建立的實驗室設備健康管理系統,應該至少具有圖2所示的功能。

3 討論與建議

3.1 實現設備管理的制度化和規范化

首先應建立健全設備管理的各項規章制度，規范的設備日常管理制度是實現實驗室設備良好管理的前提條件。這些管理規章制度要對設備的使用、維護維修及管理形成一個明確的制度約束，并啟動內部控制制度，對實驗室設備管理制度執行情況進行實時監督[8]。此外，培養管理員和設備使用者對設備的主觀保護意識同樣能促進管理工作的制度化及規范化。

3.2 實現設備健康管理

基于健康管理技術構建的高校設備管理體系可以彌補設備管理過程中維修維護時機不當、成本過高的缺陷。該體系不分設備的等級、主次，將全部設備的維護維修過程固定在一個框架中，既避免了主觀判斷維修方式可能出現的紕漏，也避免了全部預防維修成本高、效率低的劣勢，并可以實現數據采集、狀態監測、故障診斷、壽命預測、自動推理決策等五大功能。

圖2 設備健康管理系統的主要功能模塊

3.2.1 數據采集與分析

設備狀態信息應是多層次、多方面和動態的,系統通過傳感器和設備數據接口采集并傳輸設備的狀態信息，對數據進行處理，使之可用于狀態監測、健康評估和故障診斷。

3.2.2 狀態監測與健康評估

將來自傳感器并經過處理的數據與預定的失效判定依據進行比較來監測設備當前的狀態，分析設備的性能衰退趨勢，做出健康評估報告。當設備出現劣化征兆時，向設備管理人員分級報警[9]。

3.2.3 故障診斷

如果設備的劣化不能及時、準確地診斷，也就無法進行有效的狀態維修。故障診斷基于各種健康狀態的歷史數據、工作狀態以及維修歷史數據等，采用多種分析方法(如相關分析與功率譜分析、倍頻程分析、階比分析、時間序列分析、模態分析、時頻分析等)將采集的數據進行分析處理,查出故障點或劣化點。

3.2.4 壽命預測

設備維修部門可以通過各種預測模型(例如灰色預測模型、比例風險模型、卡爾曼濾波模型、人工神經網絡等)預測設備或部件的剩余使用壽命，在設備嚴重停機事故發生之前,利用有效的預測功能可以保證有足夠的時間制訂和實施維修計劃。

3.2.5 自動推理決策

該功能接受來自狀態監測與健康評估、壽命預測等部分的數據，產生最佳的維修方式建議，盡量在被監測設備發生故障之前采取相應措施。為了貫徹健康管理理念，維修活動應該包括維修計劃制訂、維修備件采購、維修任務調度、維修資源分配和維修策略優化等，將每一個環節細化和規范化，實現健康管理。

3.3 實現設備優化配置

在高校實驗室建設中，為了提高設備利用率，強化設備資源的合理分配，使有限的設備資源得到充分的利用，實驗室設備的優化配置勢在必行[10]。搞好設備資源配置工作,關鍵在于積極探索，建立適應市場經濟的體制和高校改革特點的設備管理運行機制[11]；深化實驗室管理體制改革，防止設備的不合理配置和重復購置；加強設備資源配置工作的宏觀管理，通過詳細的調查和可行性研究，編制好設備配置規劃；建立閑置設備管理機構,及時調整設備資源的存量結構[12]。

4 結束語

健康管理的重要性引起了越來越多的關注，將其應用在高校實驗室設備管理中，將大大降低設備維修維護成本，尋找到最佳的維修維護時機，避免設備突發故障，大大提高實驗室設備使用效率，形成一個良好運行的實驗室設備管理體系，保障實驗教學和科學研究的順利進行。

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