基于OSA—CBM的設(shè)備健康管理體系結(jié)構(gòu)研究

吳高杰

摘要：OSA-CBM是一個(gè)指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)CBM系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)框架，能夠推進(jìn)設(shè)備健康管理的實(shí)施。描述了OSA-CBM的層次結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了設(shè)備健康管理的總體架構(gòu)，主要包括基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)、資源管理架構(gòu)、業(yè)務(wù)邏輯架構(gòu)和應(yīng)用表現(xiàn)架構(gòu)；分析了基于OSA-CBM的設(shè)備健康管理業(yè)務(wù)體系。設(shè)備健康管理的總體架構(gòu)和業(yè)務(wù)體系對(duì)實(shí)現(xiàn)科學(xué)的健康管理非常重要。

Abstract： The Open System Architecture for CBM（OSA-CBM） is a standard framework for achieving the system of CBM. It is a basis to carry out equipment health management. This paper describes the framework of OSA-CBM. Based on OSA-CBM， the paper constructs the general architecture of equipment health management. The general architecture mainly includes basic facilities architecture， resources management architecture， operation logic architecture， and application representation architecture. Furthermore， the paper analyses the business system of equipment health management based on OSA-CBM. The general architecture and the business system are important for achieving scientific equipment health management.

關(guān)鍵詞：健康管理；OSA-CBM；系統(tǒng)架構(gòu)；業(yè)務(wù)體系

Key words： health management；OSA-CBM；system architecture；business system

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）01-0075-03

0 引言

隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與維修管理技術(shù)的日益融合，設(shè)備健康管理需要更加主動(dòng)地推進(jìn)信息獲取、互聯(lián)互通和信息應(yīng)用[1]，這直接關(guān)系到企業(yè)管控設(shè)備狀態(tài)和實(shí)施維修決策的能力和水平。設(shè)備健康管理，是通過感知并充分使用狀態(tài)監(jiān)測信息，融合維修、使用和環(huán)境信息，結(jié)合規(guī)范的設(shè)備管理方法和業(yè)務(wù)流程，對(duì)維修活動(dòng)進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃和合理優(yōu)化，對(duì)影響設(shè)備健康狀態(tài)和剩余壽命的技術(shù)、管理和人為因素進(jìn)行全過程控制的活動(dòng)[2，3]。在CBM開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（Open System Architecture for CBM，OSA-CBM）的基礎(chǔ)上，設(shè)備健康管理體系發(fā)生了一些變化，不僅關(guān)注設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和維修，而且強(qiáng)調(diào)智能化和信息化設(shè)備管理。

1 OSA-CBM層次結(jié)構(gòu)

OSA-CBM是一個(gè)指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)CBM系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)框架，由美國海軍出資組建的工業(yè)研究小組進(jìn)行研究和驗(yàn)證，小組成員遍布工業(yè)、商業(yè)和軍事等領(lǐng)域，例如，Boeing，Caterpillar，Rockwell Automation和Rockwell Scientific Company等。另外，美國賓夕法尼亞州的應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室和機(jī)械信息管理開放系統(tǒng)聯(lián)盟（Machinery Information Management Open System Alliance，MIMOSA）也為此做出了貢獻(xiàn)。

OSA-CBM將CBM系統(tǒng)分成七個(gè)層次[3]：

①數(shù)據(jù)獲取層（Data Acquisition Layer）。數(shù)據(jù)獲取層基本上是一個(gè)服務(wù)器，存儲(chǔ)著經(jīng)過校準(zhǔn)的數(shù)字傳感器的數(shù)據(jù)記錄。該層為CBM系統(tǒng)提供了訪問數(shù)字傳感器數(shù)據(jù)的接口。

②數(shù)據(jù)處理層（Data Manipulation Layer）。數(shù)據(jù)處理層的輸出包括過濾后的傳感器數(shù)據(jù)、頻譜、實(shí)際的傳感器信號(hào)和其它CBM特征量。該層接受來自數(shù)據(jù)獲取層或其他信號(hào)處理模塊的信號(hào)和數(shù)據(jù)，使用專門的CBM特征提取算法進(jìn)行單個(gè)或多個(gè)信道的信號(hào)轉(zhuǎn)換。

③狀態(tài)監(jiān)測層（Condition Monitor Layer）。狀態(tài)監(jiān)測層接受來自數(shù)據(jù)獲取層、數(shù)據(jù)處理層和其它狀態(tài)監(jiān)測層的數(shù)據(jù)，主要作用是將特征值與期望值或運(yùn)行閾值進(jìn)行比較，輸出到狀態(tài)指示器上，也可以根據(jù)事先規(guī)定的閾值發(fā)出警報(bào)。

④健康評(píng)估層（Health Assessment Layer）。健康評(píng)估層接受來自不同的狀態(tài)監(jiān)測器或其它健康評(píng)估模塊的數(shù)據(jù)，當(dāng)被監(jiān)測的系統(tǒng)、子系統(tǒng)或設(shè)備部件退化時(shí)，確定它們是否健康，并對(duì)故障狀態(tài)提出具有一定置信度的建議。

⑤預(yù)測層（Prognostics Layer）。預(yù)測層根據(jù)設(shè)備當(dāng)前的健康狀態(tài)預(yù)測設(shè)備未來的健康狀態(tài)，或估計(jì)在給定計(jì)劃使用剖面下的設(shè)備剩余使用壽命（RUL，Residual Useful Life）。

⑥決策支持層（Decision Support Layer）。決策支持層接受來自健康評(píng)估層和預(yù)測層的數(shù)據(jù)，給出活動(dòng)建議和方案選擇，包括相關(guān)的維修活動(dòng)時(shí)間表。

⑦表達(dá)層（Presentation Layer）。表達(dá)層是顯示健康評(píng)估、預(yù)測評(píng)估或決策支持建議以及報(bào)警的人機(jī)界面，具備報(bào)告異常狀態(tài)將在什么時(shí)間出現(xiàn)的能力。

2 基于OSA-CBM的設(shè)備健康管理架構(gòu)體系

根據(jù)設(shè)備健康管理的要求，基于OSA-CBM的設(shè)備健康管理總體架構(gòu)由資源管理架構(gòu)、業(yè)務(wù)邏輯架構(gòu)、應(yīng)用表現(xiàn)架構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)等組成[3，4，5]。

2.1 基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)

在OSA-CBM的支撐下，基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)把自動(dòng)感知技術(shù)（傳感器、RFID）、監(jiān)測與控制技術(shù)（PLC＼DCS＼SCADAD＼狀態(tài)監(jiān)測）、制造執(zhí)行技術(shù)（MES）集成在一起，直接服務(wù)于資源管理架構(gòu)、應(yīng)用表現(xiàn)架構(gòu)和業(yè)務(wù)邏輯架構(gòu)?；A(chǔ)設(shè)施架構(gòu)提供了支持設(shè)備健康管理系統(tǒng)運(yùn)行的硬件、系統(tǒng)軟件和網(wǎng)絡(luò)，為應(yīng)用表現(xiàn)架構(gòu)提供軟件應(yīng)用系統(tǒng)以及系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的交互界面，還提供輔助決策系統(tǒng)（DSS）、工業(yè)控制系統(tǒng)（CCS）以及數(shù)據(jù)庫、方法庫、知識(shí)庫及外界交換信息的接口。

2.2 資源管理架構(gòu)

設(shè)備健康管理的有形資源包括各級(jí)各類設(shè)備管理力量、設(shè)備維修力量和設(shè)備操作力量，以及檢測設(shè)備、維修設(shè)備、備件等。無形資源包括知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)、方法、技術(shù)等等。在資源管理架構(gòu)中，信息系統(tǒng)一方面將有形資源以數(shù)據(jù)的形式采集、存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，另一方面將無形資源轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)到模型庫、方法庫、標(biāo)準(zhǔn)庫、知識(shí)庫中。資源管理架構(gòu)中主要包括各類結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)信息，以及實(shí)現(xiàn)信息采集、存儲(chǔ)、傳輸、存取和管理的各種資源管理系統(tǒng)，主要有數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、目錄服務(wù)系統(tǒng)、內(nèi)容管理系統(tǒng)等。

2.3 業(yè)務(wù)邏輯架構(gòu)

設(shè)備健康管理涉及狀態(tài)監(jiān)控、健康評(píng)估、維修決策支持、規(guī)劃及控制等許多業(yè)務(wù)，這些業(yè)務(wù)之間又存在一定的邏輯關(guān)系。業(yè)務(wù)邏輯架構(gòu)是描述驅(qū)動(dòng)設(shè)備健康管理活動(dòng)的主要業(yè)務(wù)架構(gòu)，由設(shè)備健康管理各種業(yè)務(wù)的功能、流程、規(guī)則、策略等組成。業(yè)務(wù)邏輯架構(gòu)也包含描述業(yè)務(wù)對(duì)象以及它們之間的關(guān)系，包含這些業(yè)務(wù)對(duì)象在業(yè)務(wù)流程和業(yè)務(wù)功能中的使用。

2.4 應(yīng)用表現(xiàn)架構(gòu)

通過人機(jī)交互等方式，應(yīng)用表現(xiàn)架構(gòu)將業(yè)務(wù)邏輯架構(gòu)和資源管理架構(gòu)緊密結(jié)合在一起，并以圖形、多媒體等豐富的形式向用戶展現(xiàn)信息處理的結(jié)果。應(yīng)用表現(xiàn)架構(gòu)是各項(xiàng)數(shù)據(jù)、信息流、信息對(duì)象以及數(shù)據(jù)交換界面的綜合描述，清楚地表述了在各種應(yīng)用中的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)在各應(yīng)用間的交互。應(yīng)用表現(xiàn)架構(gòu)能夠展現(xiàn)：確定的信息需求、信息的采集與處理、為管理人員提供信息及結(jié)果、各種圖形的顯現(xiàn)。

3 基于OSA-CBM的設(shè)備健康管理業(yè)務(wù)體系

在OSA-CBM的支撐下，一個(gè)完整的設(shè)備健康管理業(yè)務(wù)體系包括[1，6]：以全員全程為主線的健康管理基礎(chǔ)體系、以閉環(huán)管理為保證的日常維護(hù)保養(yǎng)體系、以壽命預(yù)測為核心的設(shè)備運(yùn)行預(yù)警體系和以狀態(tài)維修為主導(dǎo)的多元維修管理體系，如圖1所示。

3.1 健康管理基礎(chǔ)體系

設(shè)備健康管理基礎(chǔ)體系以全員全程為主線，需要從僅僅依靠專家或維修人員轉(zhuǎn)變?yōu)槿珕T關(guān)注設(shè)備健康、促進(jìn)設(shè)備健康；從偏重某個(gè)環(huán)節(jié)管理轉(zhuǎn)變?yōu)樽⒅厝^程管理。全員即強(qiáng)調(diào)全體人員（特別是設(shè)備管理人員、維修人員和使用人員）共同參與，互相協(xié)作，各負(fù)其責(zé)。全員健康管理，不是將設(shè)備管理責(zé)任平均化，而是以設(shè)備健康為中心，全體人員協(xié)調(diào)配合確保設(shè)備健康狀態(tài)良好。當(dāng)然，全員健康管理以專門從事該項(xiàng)業(yè)務(wù)的人員為主，設(shè)備使用人員或操作人員為輔。全程即要求設(shè)備健康管理貫穿從接裝到退役報(bào)廢為止的整個(gè)過程。如果將外延進(jìn)一步擴(kuò)大，還應(yīng)該考慮設(shè)備的“優(yōu)生優(yōu)育”，即在設(shè)備的設(shè)計(jì)研制階段就將影響設(shè)備健康的因素考慮在內(nèi)。全程健康管理應(yīng)根據(jù)企業(yè)和設(shè)備的特點(diǎn)，進(jìn)行個(gè)性化、科學(xué)化和制度化管理。

3.2 日常維護(hù)保養(yǎng)體系

設(shè)備日常維護(hù)保養(yǎng)體系以閉環(huán)管理為保證，是基于各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)信息庫的閉環(huán)管理，將點(diǎn)檢的主體行為向前與設(shè)備清掃相連接，向后與設(shè)備自主與維護(hù)相連接，形成徹底的一體化自主維護(hù)閉環(huán)；自主維護(hù)閉環(huán)從“記錄分析”節(jié)點(diǎn)導(dǎo)出，傳遞到專業(yè)的“診斷”和“修理”，形成專業(yè)維護(hù)閉環(huán)；專業(yè)維護(hù)閉環(huán)從“診斷”節(jié)點(diǎn)導(dǎo)出，引申出“他機(jī)類比點(diǎn)檢”和“主動(dòng)維護(hù)”，又形成“預(yù)防維修”閉環(huán)。以閉環(huán)管理為保證的日常維護(hù)保養(yǎng)體系均有相應(yīng)的基準(zhǔn)作為行為依據(jù)，同時(shí)有管理流程作為執(zhí)行的邏輯順序保證。

3.3 設(shè)備運(yùn)行預(yù)警體系

設(shè)備運(yùn)行預(yù)警體系以壽命預(yù)測為核心，設(shè)備剩余壽命預(yù)測與維修決策建立在狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、歷史工況數(shù)據(jù)和試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)綜合分析的基礎(chǔ)上。通過剩余壽命預(yù)測，可保證設(shè)備在某一任務(wù)期間不出現(xiàn)故障，避免重大事故發(fā)生；通過建立設(shè)備的維修決策優(yōu)化模型，可使維修人員在多個(gè)約束條件下確定最佳維修策略，既可控制定期維修中的“早修”，又可防止“失修”，同時(shí)減少維修任務(wù)，降低維修成本，延長設(shè)備的使用壽命。企業(yè)引入狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的最終目的是根據(jù)獲得的狀態(tài)信息建立數(shù)學(xué)模型，以預(yù)測設(shè)備的剩余壽命，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行維修決策，以支持維修人員對(duì)設(shè)備維修問題作出快速?zèng)Q策，節(jié)省大量人工分析與計(jì)算時(shí)間，擺脫對(duì)維修經(jīng)驗(yàn)的完全依賴性。

3.4 多元維修管理體系

設(shè)備多元維修管理體系以狀態(tài)維修為主導(dǎo)，以定期維修、事后維修等維修保障模式為補(bǔ)充。隨著狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，企業(yè)逐步引入基于狀態(tài)的維修方式，利用狀態(tài)監(jiān)測和診斷技術(shù)獲取設(shè)備的狀態(tài)和故障信息，以判斷設(shè)備異常，預(yù)測故障發(fā)展趨勢(shì)，并在故障發(fā)生前，根據(jù)設(shè)備狀態(tài)決定是否對(duì)其進(jìn)行維修。將企業(yè)的主要維修類型與維修管理方式，有機(jī)結(jié)合在一起就形成了一個(gè)多元的維修管理體系，在這個(gè)體系中我們需要大力推行先進(jìn)科學(xué)的狀態(tài)維修方式，為實(shí)現(xiàn)設(shè)備健康管理向著規(guī)范化、科學(xué)化和智能化方向發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

OSA-CBM為實(shí)現(xiàn)設(shè)備健康管理系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的支撐。企業(yè)借助設(shè)備健康管理系統(tǒng)能夠加強(qiáng)設(shè)備管控，實(shí)時(shí)掌握設(shè)備健康狀態(tài)，全面跟蹤記錄設(shè)備維護(hù)維修過程；能夠?yàn)樵O(shè)備管理提供準(zhǔn)確及時(shí)的信息分析；能夠?qū)崿F(xiàn)備件庫存預(yù)警機(jī)制，降低備件庫存及其備件成本；能夠優(yōu)化設(shè)備維修活動(dòng)、加強(qiáng)輔助維修決策。

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