設備遠程故障診斷與協同維護管理系統研究

曾嫘

摘要： 設備故障診斷與維護是企業進行日常生產的必備元素。在分析網絡協同思想和設備生命周期理論的基礎上，給出以“設備（設計）制造單位-設備使用單位”為主體，維護知識為基礎，網絡協同為手段的主體脈絡，提出構建管理系統的概念模型和框架，并對設備故障診斷與維護功能進行細化分析，實現了一種遠程故障診斷與系統維護管理系統，為設備遠程故障診斷與維護提供了一種新的方向。

Abstract： Equipment fault diagnosis and maintenance is an essential element in the daily production of enterprises. Based on the analysis of network synergetics and equipment life cycle theory， this paper gives the main frame of "equipment （design） manufacturing unit-equipment user" as the main body， maintenance knowledge as basis and network collaboration as means， and proposes the conceptual model and framework of construction of management system， and carries on detailed analysis of equipment fault diagnosis and maintenance functions to achieve a remote fault diagnosis and system maintenance management system， which provides a new direction for remote fault diagnosis and maintenance of equipment.

關鍵詞： 設備維護;故障診斷;網絡協同;管理信息系統

Key words： equipment maintenance;fault diagnosis;network coordination;management information system

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）07-0065-06

0 引言

設備作為制造企業重要的生產工具，其良好的管理與維護是保證制造企業經營成功的關鍵因素之一。同時，設備維護也是設備供應商（制造商）產品服務的重要組成部分。隨著科學技術的進步和現代工業技術的發展，現代設備日趨大型化和復雜化，維護的復雜度與難度相應增加[1]。傳統的用戶自維護、制造商維護或維護外包等設備維護方式逐漸不能滿足當前的設備維護需求。遠程維護[2-5]、智能維護[6-9]等新的維護模式應需而生。在此基礎上，本文提出基于網絡協同的設備故障診斷與維護管理系統，以一個設備設計制造商和多個設備使用單位為主體，通過網絡協同進行設備維護知識的共享，從而實現橫向上多單位協作、縱向上涵蓋整個設備生命周期的設備維護管理。

1 網絡協同與知識共享

協同的概念是指協調兩個及以上的不同資源或個體，共同一致地完成某一目標的過程或能力[10]。網絡協同，簡單的從字面上理解，就是通過網絡進行的協同。隨著互聯網的普及和發展，以共享為基礎的思想交流和信息交換對我們的生活、學習和工作產生了越來越大的影響。網絡不僅為我們提供了便捷的交易渠道和創作工具，還為我們提供了一個巨大的知識庫[11]。網上有許多資源都是免費的，像開源代碼、BBS、微博、語言學習網站等大都全部或者部分無償提供大家瀏覽和使用。人們在部分網站上無償貢獻著屬于個人的知識產權，同時也免費從網絡上獲取知識和信息。那些有著相同興趣和愛好的人共同創建一個詞條、完善一段代碼或者回答一個問題，他們通過思想交流，形成對社會有用的無形資產。相比于去圖書館翻閱厚重的文獻，年輕人們更愿意在網絡上發布問題或搜尋答案[12]。網絡上的每個人都可能是答案的提供者，那意味著同一個問題可能會得到許多回答，其中或許有的回答是相悖的。那么又該如何確定哪一個答案是正確的或者是所需要的？這正是協同需要解決的問題。因此，從一定程度上講，網絡協同的實質是知識和能力的共享，網絡是交流的工具，而協同是組織的形式。

2 系統框架分析

2.1 系統的概念模型

設備生命周期是指設備從設計到報廢的整個過程，包括設備的規劃選型、設計制造、安裝調試、運行使用、改造升級、報廢處理等眾多內容[13]。本文在網絡協同思想的指導下，以設備生命周期為線索，描述了設備維護知識的產生和使用，構建了如圖1所示的概念模型。

從模型中可以看出，設備的設計、制造、安裝調試階段產生的設備維護知識主要由設計制造單位掌握，而這些知識對使用單位初期的設備使用和維護具有重要作用;在設備使用階段產生的故障及其診斷和解決方案等維護知識主要由設備使用單位掌握，這些知識一方面對所有使用單位是值得借鑒的經驗，另一方面也是設計制造單位進行產品升級和新產品設計的重要參考數據。模型以一個共同的設備維護知識庫將這些設備維護知識進行共享，同時還囊括了設備零部件供應商提供的更為詳盡的設備零件的維護知識和設備專家給出的專業建議等。從設備設計制造單位和設備使用單位兩個角度來看，模型的重點主要可以概括為兩點：基于知識的設備維護和基于故障診斷的數據收集。endprint

2.2 系統的框架模型

根據概念模型，提出如圖2所示的系統框架模型。系統框架描述了系統的邏輯構成及其構成要素間的組成關系，包含支撐、資源、應用和用戶四個層次。

其中，支撐層是系統運行需要的軟硬件環境，包括基礎網絡設施、客戶端配置等。資源層是完成系統功能所需要的數據和知識，包括設計制造單位、使用單位、領域專家提供的知識和經驗所構成的數據庫。應用層是系統的功能層，具有日常維護、故障診斷和系統管理等功能。用戶層提供了各用戶與系統的交互接口，方便用戶獲取和上載設備維護信息;設備專家可以發表自己的建議或者參加遠程會診;設備設計制造單位可以通過數據庫獲取故障信息并進行統計分析等。

3 設備故障診斷方式與維護支持服務研究

為設備使用單位提供故障診斷與維護支持是系統的主要目的之一，也是系統應用層要實現的主要功能。本文提出了三種基于知識的診斷方式和面向設備生命周期的維護支持服務，為使用單位提供故障診斷及解決方案的決策支持，也為設備制造單位收集故障信息。

3.1 三種故障診斷方式

3.1.1 案例檢索

故障診斷的實質是從設備運行過程及其固有行為體現出的大量信息中發現并掌握大量的故障特征模式，從而進行基于知識（故障模式）的決策推理過程[14]。故障案例其實也是一種故障模式，包含了故障的現象、檢測手段、分析方法、解決措施等信息，而案例檢索就是故障模式的提取和匹配。本文提出的案例檢索以關鍵字檢索為主，設備類型樹、設備結構樹和Tag標簽為輔，根據設備故障部位或現象進行相似案例的檢索和參考和復用。將關鍵字、樹節點和Tag標簽作為檢索條件，檢索的過程模型如圖3所示。

首先，將條件按數量分組，并按條件數和條件重要程度排序，條件的重要程度為設備樹節點>Tag>關鍵字。若兩組條件數量相同，順序以重要程度最高的條件降序顯示;若最高條件重要屬性相同則依次比較;若重要程度相當則按照檢索的默認排序顯示。

將每一組條件按照順序進行檢索，每一組檢索結果按照案例熱度進行排序。案例熱度為案例的復用次數與采用次數之和，若和相同，則復用次數高的在前。當所有條件組檢索完畢，將檢索結果依次顯示。

3.1.2 問題發布

Web2.0概念及技術的發展對知識的傳播模式產生了巨大影響。Web2.0最重要的兩個特點是以用戶為中心和交互性。不同于Web1.0中單純的信息接收者，在Web2.0中，用戶不僅可以根據喜好和需要定制信息，還可以自己創造并發布內容，這意味著用戶擁有更多自主權利和參與機會。網絡協同正是Web2.0的產物，而問答社區則是Web2.0的典型應用之一。在基于網絡協同的設備維護管理系統中，構建一個基于維護知識的問答社區，不僅能夠實現設備故障診斷，還能方便用戶進行經驗與知識的交流。

問答社區的用戶主要由設備的設計單位、制造單位、使用單位、零部件供應商中的相關人員以及領域專家等構成;社區的知識主要由話題、問題和回復評論構成;活動主要有問題檢索、問題發布、問題回復、話題關注、經驗分享等。

3.1.3 在線診斷

當設備出現故障時，企業最希望的是可以憑借自身能力診斷并排除故障;若是自身不能解決的，企業最希望的是維護人員盡快上門。然而由于人員、地域、成本等的限制，即時上門服務是很難實現的。但是通過網絡獲取即時的遠程診斷交互相對來說就容易許多。如圖4所示是在線診斷任務的工作模型，其重點在于遠程任務的分配和診斷資源的調節。

3.2 維護支持服務分析

3.2.1 設備檔案

建立設備的通用手冊和設備專屬檔案。前者是設備作為產品的說明書的電子化，包括設備的基本信息（出廠編號、出廠時間、設備類型、設備型號等），設計制造信息（設備結構、零部件供應商等），設備維護信息（常見故障原因及措施、保養建議等），以文字、圖片、視頻等多種方式呈現，方便查閱，也更直觀易懂。后者則是記錄每一次故障信息，包括故障時間、故障現象、故障原因、故障部位、診斷結果、解決方案、反饋評價等。通用手冊在設備使用初期是重要的參考和指導，而專屬檔案的記錄則用于管理設備健康狀態的綜合信息，包括使用年限、故障次數、故障頻率、與同種其他設備狀態的比較、預計使用年限等。

3.2.2 定向信息

設備使用單位在通過維護管理系統獲取故障診斷幫助的同時，上傳了設備的故障數據。設備的設計制造單位獲得這些數據，通過統計分析、數據挖掘等得到的信息一方面用于其新設備的研發制造，另一方面則及時更新故障案例庫和維護知識庫，以更好的提供維護支持服務。而更好的服務當然不僅僅是默默地更新數據，對于一些重要的信息應該予以更新提示或是單獨發布，甚至是有針對性的對相關用戶進行提示。對于單個用戶根據設備的故障記錄、設備當前狀態綜合信息等提供定制的設備維護建議，定期設備維護提醒等服務。

3.2.3 設備故障診斷與維護功能結構endprint

4 系統實現

4.1 系統業務流程分析

結合系統的目標和需求，可以分析出整個系統的業務流程。首先系統由設計制造單位進行初始化，由系統管理員進行系統管理和維護;其他用戶，包括設計制造單位中的其他人員、設備使用單位、零部件供應單位和領域專家等人員，通過注冊成為系統用戶，成為不同角色并獲得相應權限;系統的基礎數據，如用戶、設備類型、設備臺賬等由系統管理員進行管理。（圖6）

4.2 系統設計

在對系統的業務流程進行梳理的基礎上，將整個系統設計為七個大的功能模塊，分別是系統管理、基礎數據管理、賬號管理、設備管理、案例管理、在線診斷和知識社區，每個模塊下包含若干子模塊。系統的功能結構如圖7所示。

4.3 系統實現

4.3.1 系統實現中的關鍵問題

①角色與權限。

協同管理系統有來自設備使用單位、設計制造單位和兩者之外的三類用戶，其中每一類中又有更細化的分工，對于不同分工的用戶，系統應該給予相應的權限，并限制訪問其工作之外的內容。

基于角色的訪問控制（Role-Based Access Control，RBAC）是目前公認的解決統一資源訪問控制的有效方法。基本的RBAC模型如圖8所示，它定義了RBAC最基本的5個元素：用戶、角色、目標、操作和許可，還包括其他一些元素：如用戶角色分配、角色許可分配以及會話。

②定向信息推送與獲取。

設備使用單位的設備管理人員通常更關心或者只關心其正在使用設備的相關信息。本系統為每一臺設備賦予編號，并關聯其類型、使用單位、設備結構、零部件供應商等信息。當某類設備的相關信息有更新時，系統將此更新消息推送給每一個使用該類型設備的單位，以便于其及時獲取設備維護信息。

③信譽與激勵功能。

協同管理系統是一個非實名制的多用戶系統，用戶的使用是出于自身的需求。在問答社區的問題回復者一方面是使用單位和受雇于使用單位的領域專家，一方面是各單位人員的自發性參與。為了保證系統的活躍度和信息上載的可信度，系統采用用戶等級、信譽值、貢獻值等數值信息來量化用戶信譽，并配以相應的獎勵措施，從而達到用戶激勵的效果。用戶等級根據用戶的角色、在線時長以及貢獻值等計算，信譽值與用戶在知識社區參與的回復或評論的投票結果掛鉤，貢獻值則與用戶上載數據（采用案例、發布問題、發布經驗、參與評論等）的數量相關。

4.3.2 系統實現

系統以java為開發語言，以MyEclipse10為開發工具，采用Oracle11g作為數據庫進行了原型系統的開發與實現。系統包含系統管理、基礎數據管理、賬號管理、設備管理、案例管理、在線診斷和知識社區七大模塊，下設若干子模塊。

圖9是以案例檢索為例的系統典型界面。案例檢索界面，界面左邊是設備樹瀏覽結構和結構樹快速定位搜索框，界面右邊從上而下分別是Tag標簽群、關鍵字檢索框和檢索結果;圖10是問題發布界面，用戶可以選擇【提問】或是【寫文章】，前者是發布新問題，后者是直接發布經驗文章，兩者界面相似，圖中為問題發布界面;圖11是在線診斷審核界面，維護專員在此界面可查看待審核、已審核、已通過和已駁回的在線診斷請求，在待審核請求界面中可以進行請求瀏覽、查看詳情、通過或駁回請求等操作。

5 結束語

設備故障診斷與維護對設備的使用單位和制造單位十分重要，本文以網絡協同思想和設備生命周期理論為指導，提出構建一個基于網絡協同的設備故障診斷與維護管理系統，通過網絡，使設備維護相關的設備生命周期不同階段的各單位進行維護知識的交流與共享，從而提高設備維護的效率和質量。

參考文獻：

[1]郭建文，于德介，劉堅，許楚鑾.基于知識網格的設備維護聯盟知識共享模型[J].計算機集成制造系統，2010，01：47-56.

[2]Taie M A， Moawad E M， Diab M， et al. Remote Diagnosis， Maintenance and Prognosis for Advanced Driver Assistance Systems Using Machine Learning Algorithms[J]. SAE International Journal of Passenger Cars - Electronic and Electrical Systems， 2016， 9（1）.

[3]Jiang Q， Jia M. Study on Remote Maintenance and Fault Diagnosis for Electromechanical Product Service System[J]. Machine Tool & Hydraulics， 2015.

[4]熊肖磊，周杰，周奇才，等.現代鐵路物流裝備故障診斷與遠程維護技術[J].制造業自動化，2013（11）：119-122.

[5]蔣全勝，賈民平.面向機電產品服務系統的遠程維護與故障診斷研究[J].機床與液壓，2015，43（13）：181-184.

[6]Yunusa-Kaltungo A， Sinha J K， Nembhard A D. A novel fault diagnosis technique for enhancing maintenance and reliability of rotating machines[J]. Structural Health Monitoring， 2015， 14（6）：231-262.

[7]Verbert K， Babuka R， De Schutter B. Bayesian and DempsterShafer reasoning for knowledge-based fault diagnosisA comparative study[J]. Engineering Applications of Artificial Intelligence， 2017， 60：136-150.

[8]Liu J， Dong Y F， Li Y， et al. Composite Fault Diagnosis and Intelligent Maintenance Based on Data Driven[J]. Key Engineering Materials， 2016， 693：1357-1360.

[9]劉志剛.基于CAD仿真的煤礦機械設備故障診斷與維護[J].煤礦開采，2013，18.

[10]杜棟.協同、協同管理與協同管理系統[J].現代管理科學，2008，02：92-94.

[11]（美）查爾斯·李德彼特與257位作者合著曠野，商超，楊艷紅譯.網絡協同：258位作者與您共同思考網絡的未來[M].北京：知識產權出版社，2011，4.

[12]成蕾，蘭亞明.當代青年學習方式變革的現狀、影響與引導研究[J].中國青年研究，2016（6）：109-113.

[13]S. Takataa， F. Kirnurab， F.J.A.M. van Houtenc， E. Westkamperd， M. Shpitalnie， D. Ceglarekf and J. Leeg. Maintenance： Changing Role in Life CycleManagement[J].CIRP Annals- Manufacturing Technology，2004， 53（2）：643-655.

[14]韓彥嶺.面向復雜設備的遠程智能診斷技術及其應用研究[D].endprint