基于電力線載波技術(shù)的軍工科研院所設(shè)備儀器智能化管理研究與應(yīng)用

鄺浩欣，夏黃蓉，李 寶，王 強(qiáng)，史晨歌

(北京航天長征飛行器研究所，北京 100076)

1 研究背景

隨著社會的發(fā)展以及國防建設(shè)投入的不斷增加，軍工科研院所的設(shè)備儀器數(shù)量逐年增多，如何管好、盤活這些資產(chǎn)，成為各單位的重要課題。2011 年國務(wù)院、中央軍委公布了《軍工關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施管理?xiàng)l例》，要求各單位保證軍工關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施的安全、完整和有效使用，并對其占有、使用的軍工關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施的名稱、規(guī)格、性能、狀態(tài)、數(shù)量、權(quán)屬等基本情況作完整記錄；“十九大”報(bào)告中指出要“完善各類國有資產(chǎn)管理體制”“促進(jìn)國有資產(chǎn)保值增值”［1］。國務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于推進(jìn)大型科研儀器及科研基礎(chǔ)設(shè)施開放共享的若干意見》指出：制定大型科研儀器及科研基礎(chǔ)設(shè)施統(tǒng)計(jì)分析制度、建立財(cái)政資金購置的大型科研儀器聯(lián)合評議制度，對推進(jìn)大型科研儀器及科研基礎(chǔ)設(shè)施開放共享進(jìn)行了規(guī)范。國家《“十三五”戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出完善各類國有資產(chǎn)管理體制，以管資本為主加強(qiáng)國有資產(chǎn)監(jiān)管，防止國有資產(chǎn)流失。據(jù)調(diào)研，包括航天科技集團(tuán)在內(nèi)的各集團(tuán)單位均提出了“管住資產(chǎn)、管活資產(chǎn)”的管理目標(biāo)，對固定資產(chǎn)的日常管理、購置計(jì)劃、節(jié)能環(huán)保等方面提出了要求。

各類設(shè)備儀器作為固定資產(chǎn)的重要組成部分，具有數(shù)量多、價(jià)值高、維護(hù)成本大等特點(diǎn)，其精細(xì)化管理的需求更為迫切。通過先進(jìn)的管理手段，實(shí)現(xiàn)設(shè)備儀器的智能管控，提升單位設(shè)備儀器的創(chuàng)效能力，是軍工科研院所能力建設(shè)內(nèi)涵式發(fā)展的必由之路，是軍工能力建設(shè)轉(zhuǎn)型的一個(gè)關(guān)鍵維度，也是提升企業(yè)的核心能力的重要支撐［2］。為解決設(shè)備儀器管理難題，北京航天長征飛行器研究所（以下簡稱研究所）利用先進(jìn)的信息通信技術(shù)和多年積累的管理經(jīng)驗(yàn)［3］，不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和管理模式升級，形成一套廣泛適用于軍工科研院所的設(shè)備儀器智能化、精細(xì)化管理平臺［4］。

2 軍工科研院所設(shè)備儀器管理現(xiàn)存問題

軍工科研院所設(shè)備儀器具有價(jià)值高、專業(yè)性強(qiáng)、投資來源途徑多、更新?lián)Q代速度快等特點(diǎn)，在管理上有別于其他單位。目前的管理難題主要有以下幾個(gè)方面。

2.1 軍工科研院所保密要求嚴(yán)格，設(shè)備儀器信息化管理手段受限

據(jù)調(diào)研，目前國內(nèi)軍工科研院所的設(shè)備儀器管理主要依靠人工模式［5］，要求設(shè)備儀器管理員和使用者手工填寫各類信息，如實(shí)驗(yàn)室維修記錄表、使用情況登記表等。傳統(tǒng)人工記錄往往會出現(xiàn)漏填、錯(cuò)填等問題，在數(shù)據(jù)處理、存儲和查詢方面也存在諸多不便，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性更難以保證。當(dāng)設(shè)備儀器數(shù)量增多時(shí)，人工管理的弊端逐漸顯現(xiàn)，設(shè)備儀器的信息化刻不容緩［6-7］。

設(shè)備儀器廣泛分布于各單位的辦公、試驗(yàn)等場所，想要實(shí)時(shí)、全面地獲取設(shè)備儀器信息，就要在科研辦公區(qū)域建立設(shè)備儀器物聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、傳輸及處理［8-11］。其中數(shù)據(jù)的傳輸方式是網(wǎng)絡(luò)建立的瓶頸。目前數(shù)據(jù)傳輸可以分為有線和無線兩種方式。有線方式主要采用以太網(wǎng)、光纖等介質(zhì)傳輸信息，需要在單位整個(gè)科研、辦公區(qū)域新建專用網(wǎng)絡(luò)，施工復(fù)雜、成本較高；無線方式主要通過WiFi、藍(lán)牙、移動數(shù)據(jù)通信等介質(zhì)傳輸信息。雖然能夠有效降低成本，但是不符合軍工科研院所的保密管理要求，無法在軍工單位實(shí)施［12］。

2.2 設(shè)備儀器重復(fù)購置現(xiàn)象多，利用率偏低，采購決策缺乏依據(jù)

各單位、部門、型號科研隊(duì)伍在設(shè)備儀器信息互聯(lián)互通上的局限，導(dǎo)致在申報(bào)設(shè)備儀器特別是通用設(shè)備儀器時(shí)依然容易產(chǎn)生“小而全”的設(shè)備購置模式，設(shè)備儀器盲目購置、重復(fù)購置的現(xiàn)象層出不窮。設(shè)備的重復(fù)購置使得資本和資源的整體配置不合理，設(shè)備儀器的整體利用率較低，甚至出現(xiàn)大量閑置現(xiàn)象，進(jìn)而影響了軍工科研院所整體的效率和效益［13-15］。由于設(shè)備儀器管理部門缺乏有效的手段獲知設(shè)備儀器的實(shí)際使用情況，在采購決策時(shí)缺乏科學(xué)依據(jù)，仍難以避免重復(fù)購置問題［16］。

2.3 軍工科研院所難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備儀器成本精細(xì)化管理，核算缺乏支撐數(shù)據(jù)

按照財(cái)政部新近印發(fā)的《國防科研試制費(fèi)管理辦法》（財(cái)防［2019］18 號文第十二條）的要求，“燃料動力費(fèi)根據(jù)批準(zhǔn)的研制內(nèi)容明確的產(chǎn)品和部件數(shù)量、試驗(yàn)次數(shù)以及消耗標(biāo)準(zhǔn)和價(jià)格計(jì)列，不包括單位日常運(yùn)行所發(fā)生的間接同類費(fèi)用。”多數(shù)軍工科研院所的燃料動力費(fèi)中，電費(fèi)占據(jù)了較高比重，但由于缺乏直接計(jì)量手段，智能在間接費(fèi)用中列支。目前的管理手段無法直接體現(xiàn)項(xiàng)目研制過程中的電能消耗的計(jì)價(jià)，難以滿足獨(dú)立計(jì)算的要求。根據(jù)新發(fā)布的18 號文要求，軍方審價(jià)將不再接受原方法分?jǐn)傆?jì)入的燃料動力費(fèi)。

此外，對于不同單位或型號項(xiàng)目共享的設(shè)備儀器，由于缺乏統(tǒng)計(jì)手段，也無法精細(xì)核算和分?jǐn)偲滟徶觅M(fèi)、折舊費(fèi)和響應(yīng)的人工成本［17-18］。此類問題將直接影響各單位開展實(shí)驗(yàn)室經(jīng)濟(jì)建設(shè)工作，阻礙設(shè)備儀器的共享共用和效益的提升。

2.4 管理部門資產(chǎn)盤點(diǎn)難度大，“管住盤活”困難重重

首先，設(shè)備種類和數(shù)量繁多，出入庫的手工登帳相當(dāng)費(fèi)時(shí)；其次，設(shè)備在年終盤點(diǎn)時(shí)常出現(xiàn)遺失或與賬上不符等問題；三是往往在設(shè)備故障后才查找維保信息，進(jìn)行維保工作，耽誤了試驗(yàn)進(jìn)度；四是由于設(shè)備使用人員的調(diào)動導(dǎo)致盤點(diǎn)時(shí)的混亂；五是設(shè)備在長期使用過程中產(chǎn)生大量管理記錄和數(shù)據(jù)，這對查找、更新和維護(hù)設(shè)備管理信息帶來了不少的困難。

3 采用電力線載波通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備儀器智能化管理的方案研究

北京航天長征飛行器研究所針對上述軍工科研院所普遍面臨的設(shè)備儀器管理難題，尋找管理突破口，進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，研發(fā)了基于電力線載波通信的設(shè)備儀器智能管理系統(tǒng)。系統(tǒng)采用電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，既不需重新布線，又滿足了軍工科研院所的保密管理需求，具有施工方便、使用靈活、成本低廉的優(yōu)勢，有較強(qiáng)的推廣意義。

3.1 技術(shù)方案

系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1 所示。通過增加小型設(shè)備PLC 適配器、大型設(shè)備PLC 采集器以及監(jiān)測設(shè)備儀器的工作時(shí)間、電壓、電流、功率等參數(shù)，通過電力線載波技術(shù)將數(shù)據(jù)信息上傳到PLC 集中器，再通過專用以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)到管理平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理。系統(tǒng)掌握設(shè)備儀器的使用信息后，可自動計(jì)算出利用率、能耗等數(shù)據(jù)，按管理者的需求進(jìn)行對比分析，為設(shè)備儀器管理提供數(shù)據(jù)支撐。

在軟件平臺的設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)采用基于SOA 的多層架構(gòu)，在前端展現(xiàn)上采用B/S 模式，服務(wù)組件層采用J2EE 模式，充分發(fā)揮Java 語言的優(yōu)勢，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、易擴(kuò)展性、安全性以及低耦合性。

圖1 設(shè)備儀器智能管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.2 管理方案

為解決上述管理難題，系統(tǒng)充分利用獲取的設(shè)備儀器使用數(shù)據(jù)，提出以下管理方案。

（1）優(yōu)化資源配置，支撐采購決策。系統(tǒng)通過對管理范圍內(nèi)設(shè)備儀器的監(jiān)測，掌握了各類設(shè)備的利用率數(shù)據(jù)并進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)設(shè)備使用緊張部門/項(xiàng)目以及設(shè)備閑置較多的部門/項(xiàng)目，及時(shí)指導(dǎo)管理人員進(jìn)行跨部門/項(xiàng)目的設(shè)備儀器流轉(zhuǎn)，從而減少盲目購置、重復(fù)購置行為，可幫助優(yōu)化資源配置。如圖2 所示，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目2 只有1 臺示波器，利用率達(dá)到89%，項(xiàng)目3 擁有4 臺示波器，平均利用率只有21%，設(shè)備管理部門可以將項(xiàng)目3 的示波器調(diào)配給項(xiàng)目2 使用，在數(shù)據(jù)的支撐下實(shí)現(xiàn)跨單位/部門/項(xiàng)目的資源流轉(zhuǎn)，提升整體效益。對高耗能低利用率的資產(chǎn)，資產(chǎn)報(bào)廢申請中可加入利用率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，將對資產(chǎn)實(shí)際使用價(jià)值進(jìn)行準(zhǔn)確估量，對處置決策起到重要作用。

此外，系統(tǒng)通過智能計(jì)算，統(tǒng)計(jì)出各種類型設(shè)備的利用率以及不同品牌/型號利用率。管理者在采購決策時(shí)可參考這些利用率數(shù)據(jù)，將有限的資金投入到真正需要的項(xiàng)目上，提升資金投入效益比。在今后的固定資產(chǎn)決策中，對數(shù)據(jù)分析的依賴程度將會加強(qiáng)，固定資產(chǎn)增加、減少、狀態(tài)變更，都需要利用率、耗電量數(shù)據(jù)作為支撐，固定資產(chǎn)智能管理系統(tǒng)將從數(shù)據(jù)維度扮演決策助手的角色。如圖3所示，溫箱的平均利用率較轉(zhuǎn)臺和示波器高，可考慮增加采購，通過查看不同品牌溫箱利用率，找到更受歡迎的品牌/型號，指導(dǎo)采購方向。

（2）挖掘資源潛力，提升綜合利用率。系統(tǒng)的日、周、月利用率統(tǒng)計(jì)功能可準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)出設(shè)備儀器的具體使用情況，并通過趨勢圖等方式直觀展現(xiàn)給管理者。管理者可通過系統(tǒng)獲得利用率高峰、低谷規(guī)律，增加閑暇時(shí)段任務(wù)分配，充分挖掘試驗(yàn)資源潛力，提高軍工科研院所的綜合利用率水平（見圖4）。

（3）精確核算成本，實(shí)現(xiàn)降本增效。系統(tǒng)可監(jiān)測設(shè)備儀器的用電信息，從而實(shí)現(xiàn)能耗分析，準(zhǔn)確計(jì)算燃料動力費(fèi)。從此各設(shè)備儀器可按單位/部門/型號項(xiàng)目進(jìn)行成本核算，系統(tǒng)提升了各單位精細(xì)化管理水平，有效支撐了報(bào)價(jià)及項(xiàng)目獨(dú)立核算。通過測算各個(gè)試驗(yàn)設(shè)施的使用活力和頻率周期，對評估試驗(yàn)室獨(dú)立核算有了第一手的直接數(shù)據(jù)支撐，可進(jìn)一步建立大型試驗(yàn)設(shè)施績效管理評價(jià)，通過試驗(yàn)投入產(chǎn)出測算試驗(yàn)效益，從而加速各試驗(yàn)室獨(dú)立核算的進(jìn)程。

此外，系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)未知或不必要的能耗點(diǎn)，提醒管理者考慮提升設(shè)備能耗等級，更換更節(jié)能設(shè)備，或者通過行政規(guī)范等手段降低電能消耗。對于高強(qiáng)度的試驗(yàn)設(shè)備開機(jī)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行甄別，判斷是否屬于必要的高強(qiáng)度試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)，在保證產(chǎn)品測試完成質(zhì)量的前提下，探索可以降低試驗(yàn)次數(shù)的途徑。在日常辦公能耗方面，通過月度監(jiān)測與能耗類別對比，分析耗能因素與規(guī)律并與內(nèi)部管理措施相結(jié)合，可采取與全所職工進(jìn)行耗能共享的方式，培養(yǎng)所職工節(jié)能意識，引導(dǎo)向降本增效思維轉(zhuǎn)變。通過以上管理方式實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、降本增效，為單位帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。

（4）智能定位盤點(diǎn)，提升管理能力。系統(tǒng)可自動識別設(shè)備儀器所在樓宇并上報(bào)。系統(tǒng)對長時(shí)間未上線設(shè)備進(jìn)行自動預(yù)警，提醒管理員關(guān)注該設(shè)備情況，從而實(shí)現(xiàn)智能定位、盤點(diǎn)，有效減少設(shè)備儀器盤點(diǎn)工作量，實(shí)現(xiàn)設(shè)備儀器管理的“智能化、便捷化、精細(xì)化”。

圖2 優(yōu)化資源配置方案示意圖

圖3 支撐采購決策方案示意圖

圖4 挖掘資源潛力方案示意圖

4 設(shè)備儀器智能化管理系統(tǒng)的應(yīng)用效果

目前系統(tǒng)已在研究所及院內(nèi)其他單位上線試運(yùn)行，自2018 年9 月起，已監(jiān)測大型設(shè)備19 臺，包含5 臺套振動臺，小型儀器63 臺，能耗監(jiān)測點(diǎn)40 個(gè)。

4.1 大型設(shè)備監(jiān)測效果

研究所大型設(shè)備利用率情況見表1，通過年利用率數(shù)值，可將設(shè)備分為三類。

（1）利用率較高類（紅色標(biāo)記）：包括高變溫速率溫度試驗(yàn)箱和頻率參數(shù)測試系統(tǒng)，年利用率均超過100%，說明設(shè)備的試驗(yàn)任務(wù)較為繁重，資源緊張，建議考慮繼續(xù)增加投資建設(shè)；

（2）利用率合理類（綠色標(biāo)記）：包括低溫測試系統(tǒng)、動力測試系統(tǒng)、高低溫試驗(yàn)箱3 個(gè)設(shè)備，利用率在50%～100%之間，利用較為合理，建議維持現(xiàn)狀；

（3）利用率較低類（黃色標(biāo)記）：包括環(huán)境測試系統(tǒng)A、溫箱、振動測試臺等5 個(gè)設(shè)備，年利用率在50%以下，其中參數(shù)測試系統(tǒng)C、材料性能測試設(shè)備利用率較低，不足10%，建議開放這些試驗(yàn)設(shè)備資源，承接更多任務(wù)，充分發(fā)揮這些設(shè)備的價(jià)值；

（4）建設(shè)維修類：包括3 臺處在建設(shè)或維修狀態(tài)的設(shè)備以及1 臺剛安裝監(jiān)測單元的設(shè)備，這4 臺設(shè)備利用率數(shù)據(jù)不具參考性，在此不做分析。

以頻率參數(shù)測試系統(tǒng)為例分析其燃料動力費(fèi)核算情況，具體數(shù)據(jù)如表2 所示。統(tǒng)計(jì)出各項(xiàng)目使用該系統(tǒng)的時(shí)間和相應(yīng)的能耗后，可進(jìn)一步精確統(tǒng)計(jì)出各項(xiàng)目燃料動力費(fèi)，為向軍方報(bào)價(jià)和全面成本核算提供了數(shù)據(jù)支撐。

振動臺利用率排名見表3，其中35T（噸）振動臺日利用率曲線見圖5。

根據(jù)表3 和圖4 中數(shù)據(jù)可以看出，10T（噸）振動臺利用率較高，35T（噸）振動臺利用率最低。3臺UD 均為9T（噸）振動臺，功能相同，其中NUD利用率最高，用電量最低，具有成本優(yōu)勢。

根據(jù)振動臺監(jiān)測數(shù)據(jù)，提出如下建議：

（1）在9T（噸）振動臺中，NUD 具有明顯成本優(yōu)勢，如果需添置購買，優(yōu)先考慮NUD；

（2）35T（噸）振動臺閑置時(shí)間較多，大多數(shù)時(shí)間利用率不超過30%，建議為其多承攬任務(wù)。

圖5 35T（噸）振動臺日利用率趨勢圖

表1 研究所大型設(shè)備利用率排名表

表2 頻率參數(shù)測試系統(tǒng)能耗分布表

表3 振動臺利用率排名

4.2 小型設(shè)備監(jiān)測效果

對于監(jiān)測的小型儀器，按類型統(tǒng)計(jì)的年利率如表4。

表4 小型設(shè)備利用率統(tǒng)計(jì)表

各類設(shè)備的部門利用如圖6 所示。

其中，信號源在全所的利用率為10.93%，總利用率較低，其中部門1 只有一臺信號源，利用率較高，達(dá)到87%，資源較緊張；其他部門利用率較低。建議在沒有新需求的情況下，不再采購添置，可回收其他部門的部分儀器，調(diào)配給部門1 使用。

示波器在全所的利用率為8.37%，總利用率較低，各部門利用率均未超過50%。建議在沒有新需求的情況下，不再采購添置。

網(wǎng)絡(luò)分析儀在全所的利用率為6.90%，總利用率較低，各部門利用率均未超過50%。建議在沒有新需求的情況下，不再采購添置。

頻譜分析儀在全所的利用率為10.97%，總利用率較低，其中部門1 只有一臺，利用率較高，達(dá)到93%，資源較緊張；其他部門利用率較低。建議在沒有新需求的情況下，不再采購添置，可回收其他部門的部分儀器，調(diào)配給部門1 使用。

圖6 各類設(shè)備部門利用率展示圖

5 基于電力線載波技術(shù)的設(shè)備儀器智能化管理的創(chuàng)新點(diǎn)及技術(shù)進(jìn)步點(diǎn)

5.1 實(shí)現(xiàn)設(shè)備儀器全壽命周期監(jiān)測和管理

系統(tǒng)可導(dǎo)入設(shè)備儀器編號、名稱、型號、廠家、原值、凈值、類屬等參數(shù)，并對設(shè)備儀器使用情況進(jìn)行全時(shí)段監(jiān)測，通過分析設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)設(shè)備利用率、預(yù)約排期、設(shè)備離線管理、統(tǒng)計(jì)能耗信息、設(shè)備故障監(jiān)測等功能，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備儀器全壽命周期的監(jiān)測和管理。

5.2 實(shí)現(xiàn)有效數(shù)據(jù)傳輸與備份存儲

系統(tǒng)采用先進(jìn)的冗余設(shè)計(jì)，對設(shè)備儀器使用數(shù)據(jù)進(jìn)行備份存儲，確保設(shè)備外出使用時(shí)仍能進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)設(shè)備回到單位，即可實(shí)現(xiàn)缺失有效數(shù)據(jù)的自動傳輸與獲取。

5.3 基于電力線的物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)保密管控與低成本化布設(shè)

系統(tǒng)創(chuàng)新地將電力線載波技術(shù)應(yīng)用于設(shè)備儀器管理場景，研發(fā)可廣泛適用于各類大型設(shè)備和小型儀器的監(jiān)測產(chǎn)品，通過建筑內(nèi)原有電力線進(jìn)行通信，滿足了軍工科研院所的保密管理需求，且具有無需重新布線、即插即用、通信速率高、數(shù)據(jù)可靠等優(yōu)勢。