設備全生命周期數字化平臺設計與實現

莫洪波，常 琪，熊文紅，薛振澤

（1.國家先進軌道交通裝備創新中心，湖南株洲 412005；2.湖南工業大學 計算機學院，湖南 株洲 412007）

0 引言

智能制造環境下，企業設備日益復雜、傳感器增多、對設備管理要求也越加精細［1-2］。企業設備管理一般存在以下問題：①對設備生命周期缺乏有效的檢、修、查與管理，仍采用基于計劃維修的老舊模式；②設備使用缺乏有效的監管，設備使用、運行透明化程度不高，加大了運行成本；③管理流程不規范，審批手續繁雜。設備管理是企業健康發展、企業組織管理的重要組成部分，為此企業實現一體化的設備監、管、控需求日益強烈［3］。

構建設備數字化、智能化和可視化的全生命周期管理平臺是解決當下設備管理問題，實現設備效能利用最優化的重要舉措。設備全生命周期管理平臺是基于先進的網絡和信息處理技術，如3D 可視化技術、實時監控技術、大數據分析技術等，實現設備運行監視、操作與控制、綜合信息分析與智能預警、運行管理和輔助應用等功能的一體化管理。管理者可通過平臺隨時隨地了解設備生產情況，大幅提高企業設備管理能力［4-5］。

設備管理建設目標應滿足如下需求：①數字化，設備管理全程可追溯。設備全生命周期管理平臺數字化，通過手機、電腦、iPad、大屏等裝置快速、輕松、準確地跟蹤設備的影響因素、過程參數、環境參數等多維狀態類信息，實現設備的各類過程信息全程可追溯和設備運轉透明化；②智能化，設備維護管理主動化。設備全生命周期管理平臺依托先進的數據采集、大數據分析、人工智能等一系列技術，實現設備的運行狀態和生命周期使用壽命統計、預測和預警，為設備維護管理人員提供精確的維修方案選項，實現由經驗性維修到預防性維修轉變；③可視化，設備資產管理簡單化。設備全生命周期管理平臺可視化，通過采用GPS、可視化技術、數字孿生等先進技術手段，直觀、真實、精確地展示設備分布、設備形狀、設備運行狀況，實現設備的快速定位與基礎信息查詢；④標準化，設備資產管理體系化。設備全生命周期管理平臺標準化，深入融合ISO55000、ISO55001、ISO55002、EAM、TPM 等標準理念，建立完善的具有先進管理思想與方法的設備資產管理體系，支持設備管理持續改進與持續發展。

1 系統需求分析

設備全生命周期數字化管理平臺建設功能性需求如下：

（1）設備數據管理。提供信息查詢、異常判斷、用戶權限管理、系統安全防護、報表導出打印、事件記錄管理、設備臺賬記錄、移動設備遠程登錄等功能。

（2）設備數據采集。采集城軌事業部、機車事業部、轉向架事業部生產線設備的實時運行數據，并對數據進行傳輸和存儲處理，建立設備的實時數據庫和歷史數據處理庫。

（3）設備資產分類。建立整個公司的設備層次結構，按事業部、車間和專業分類管理資產，可記錄設備缺陷、設備評級等各類信息。

（4）設備臺賬管理。實現設備臺帳信息新建、錄入、導入和第三方相關系統互聯互通功能。

（5）設備報修管理。實現設備檢修工單和料單的網上審批流轉處理，報修全流程透明管理和跟蹤。

（6）設備報表分析。實現各類設備的統計報表、設備的歷史數據查詢，并通過圖形化的儀表、指針、報警指示燈等直觀展示設備運行狀態。

（7）功能權限管理。實現靈活的功能權限分配，系統可分配功能到部門，也可分配功能權限到用戶。

（8）定保/小修管理。統一管理設備小修，定期維保，變被動維修為主動預防性維護。

（9）備品備件庫。建立設備備品備件庫，實現設備零部件維修、更換、供應商、維修費用等記錄。

（10）集成通信接口。實現多信息化系統互聯互通，打通數據傳遞通道，設備管理更加便捷高效。

2 系統功能設計

根據項目需求和建設目標，設備全生命周期數字化管理平臺功能模塊設計如圖1 所示。

Fig.1 Functional modules of digital management platform for equipment full life cycle圖1 設備全生命周期數字化管理平臺功能模塊

2.1 設備報修系統

設備報修過程管控實現對設備維修過程中故障報修、任務指派、任務確認、開始處理、處理完成等5 個階段管控。不同設備報修管控包括初期實現設備、工裝報修功能，并保障平臺擴展性，逐步覆蓋動能、房屋、辦公設備、空調設備等報修功能。

2.2 設備臺賬系統

設備信息管理包含事業部、車間、固定資產號、安裝位置、狀態（在用、閑置、租賃、封存、報廢）、軟件信息（操作系統版本、IP 地址）、特性、重要程度（根據設備加工功能及生產的產品可劃分如焊接類、普通加工設備、精加工設備、關建設備等）、使用班組及責任人、殘值和凈值與金蝶軟件中的數據實現同步等。

設備信息錄入分為：①設備使用單位負責新增設備臺帳、驗收資料等信息錄入、提交、審核；設備管理部負責新增設備臺帳、驗收資料等信息審核、批準。②設備使用單位負責報廢、調撥信息錄入、提交、審核；設備管理部負責報廢、調撥信息審核、批準。數據同步功能主要打通與第三方系統之間的數據接口，實現設備臺賬系統與金蝶財務軟件的數據同步。

2.3 設備監控系統

設備狀態監控主要通過采集設備的各種參數，實時監控設備的運行狀態。采集設備的運行狀態信息，包括設備停機時間、上電時間、待機時間、加工時間等時長信息；采集設備的實時能耗信息，包括電壓、電流、功率、溫度、風壓、能耗等信息采集。另外，系統提供設備數據查詢、分析、顯示、錄入等功能，并可自動計算設備開機率、有效利用率等效能數據，采用各種圖形報表形式展現。通過引入設備資產樹與基礎信息結構設計，并結合先進的GPS 技術，實現設備的快速定位和查詢。

2.4 數據采集系統

針對不同類型的設備采集需求，設計智能傳感器系統、智能數據采集器系統。設計完善的網絡拓撲結構、通訊接口，現場采集的數據實時傳回數據服務器中。設計合理的數據結構，采用新型、高效數據庫實現數據分類快速存儲。

2.5 備品備件系統

備件計劃管理主要完成備品備件的計劃編制，根據備品備件庫存情況、在途情況等對計劃進行審批，審核計劃執行情況。備件消耗管理包括領用、調撥、耗材庫存量、使用單位、使用記錄等，以及耗材出庫操作。

2.6 大數據分析系統

數據分析：通過大數據分析技術，實現數據智能化分析、設備異常自動預警、設備預測性維修。

數據管理：①實現多角色數據管理：小修、報修、定保、點檢等實現信息共享；②實現多部門數據協同管理：裝備工程部、設備使用單位、機電分公司等不同部門錄入數據并同步和共享；③數據能夠手動或定期自動備份，自動創建磁盤快照，能根據需要還原至某一還原點。

預防性維修：根據設備生命周期，采用多重標準周期性預警并制訂合理可行的設備及備品維修、維護、更換計劃，保證設備性能的高度穩定，延長設備使用壽命。

動態信息歸集：實現設備維修歷史、狀態歷史、變動歷史、使用歷史、維修成本、備件消耗歷史、故障歷史、設備評價等信息的自動歸集。

數據展示：通過圖形、表格、動畫等豐富的元素展現設備運行狀態、故障預警處理、分析報表等，幫助監控人員進行遠程故障診斷和分析。

3 系統功能實現

根據項目需求、建設目標和設計原則，設備遠程監控與維修大數據平臺總體技術架構如圖2 所示。

（1）設備層。各生產線的數據機床、普通機床、機器人、物流設備、工裝組成設備層，為邊緣層提供直接的數據基礎。

（2）邊緣層。提供數據采集、網絡拓撲和數據預處理能力，該層主要由各種傳感器、有線網絡、無線網絡、邊緣數據采集終端、數模轉換元件和相關軟件組成。

（3）IasS 層。提供基于云計算架構的海量數據存儲、基礎計算和數據管理等服務。

（4）PaaS 層。主要由數據存儲服務、業務流程引擎和人工智能引擎組成，Kafka 流式數據引擎存儲設備啟停消息數據［6-7］，MySQL 作為通用數據庫與緩存系統，Hbase 作為大數據分析數據庫［8］，Vert.x 作為網絡通信開發框架。

（5）SaaS 層。根據業務需求，定制開發各種應用系統或移動APP。兼容桌面和移動端響應HTML5 頁面，使用標準Websocket 接口在前后端之間進行信息傳遞，以便于后期開發擴展應用。

Fig.2 Overall technical architecture圖2 總體技術架構

3.1 網絡拓撲方案

設備信息采集分為軟件采集和硬件采集兩類，網絡拓撲設計如圖3 所示。

（1）軟件采集。針對西門子設備，將西門子PCU-50 嵌入式計算機直接與公司現有以太網絡連接，運動數據通過物聯網數據引擎處理和轉發；針對Fanuc 控制器的機床數據，使用FANUC FACOS1/2 軟件導出數據至物聯網數據引擎。

（2）硬件采集。需要在每臺設備上部署一臺數據采集終端，對設備上每個數據采集點部署需要的傳感器。單臺設備的傳感器數據通過數據采集終端連接到公司以太網，由物聯網數據引擎處理和轉發。

Fig.3 Device acquisition network topology design圖3 設備采集網絡拓撲設計

3.2 大數據平臺方案

基于J2EE 技術構建大數據存儲框架，根據實際需求使用3 種不同數據系統以Vert.x 技術連接，實現高性能、非阻塞通信，如圖4 所示。

（1）對于車間生產設備產生的實時運行信息，使用以Kafka 平臺為核心的物聯網引擎進行高速處理和轉發。

（2）HBase 數據庫為平臺的主數據庫，用于平臺所有核心數據存儲。

（3）MySQL 數據庫與Activiti 業務流程引擎連接，用于處理設備管理臺帳、角色信息、報修信息等企業業務流程信息。MySQL 數據庫中部分信息，如設備的維護保養頻率等會抽取到HBase 數據庫中用于進一步的數據分析。HBase 作為大數據分析數據庫，被基于Sklearn-kit 和Ten?sorflow 技術的機器學習和人工智能大數據分析模型使用［10］。利用機器學習算法科學分析機器的運行狀態并科學地預測維保周期和故障率［11］。

Fig.4 Big data storage framework design圖4 大數據存儲框架設計

3.3 設備管理系統

3.3.1 系統描述

設備管理系統核心功能為采集設備信息和監控設備狀態，分為數據采集、數據分析和數據查詢3 部分。

（1）數據采集。數據采集方式分為網卡采集、硬件采集、質量報告采集3 種，采集頻率為3s（根據系統實際運行情況調整采集頻率）。

網卡軟件采集內容：設備運行模式、加工狀態、執行的程序號、主軸轉速、進給速度、主軸負荷、主軸倍率、進給倍率、設備報警信息。

硬件采集內容：采用加裝傳感器、數據采集器的方式采集設備實時狀態數據。

設備實時狀態信息：設備開關機狀態、設備運行狀態、設備待機、主軸負載等。

特殊設備采集方式：上傳實驗或檢驗等設備的質量報告，定制開發客戶端軟件，將現場設備生成的報告自動上傳至服務器指定目錄。

（2）數據分析。實時監控設備運行狀態，通過采集設備的各種參數分析出停機狀態、待機狀態、運行狀態。實時采集設備停機時間、上電時間、待機時間、加工時間等時長信息。設備實時能耗數據采集包括電壓、電流、功率、溫度、風壓、能耗等信息采集。

（3）數據查詢與展示。數據展示包含權限管理，核心展示內容包括電子地圖展示、分時段類別數據展示、報表生成與導出、運行狀態與實時現場監控、圖表數據展示，按時間狀態精確到分鐘。

3.3.2 系統數據流向

設備管理系統數據流向如圖5 所示。

Fig.5 Data flow of equipment management system圖5 設備管理系統數據流向

（1）硬件采集設備?？紤]到工業環境干擾較多，盡量使用自帶模擬數字轉換功能的數字輸出傳感器，有效避免模擬信號在傳輸過程中的失真，保障采集數據的準確穩定。數字信號由傳感器發出，經過帶有以太網接口的數據采集器，利用公司現有的有線網絡傳輸至公司服務器，由Kafka 物聯網數據引擎處理，向整個系統的不同模塊發送數據，原始數據在HBase 大數據平臺中保存。

（2）軟件采集設備。軟件數據采集以搭載嵌入式Win?dows 操作系統的西門子PCU-50 工業計算機為主。數據由嵌入式Windows 操作系統上搭載的應用程序發出，經有線以太網絡在Kafka 物聯網引擎重新整理，分解提取后發到數據需求方，并由HBase 數據庫存儲［12］。

（3）特殊數據設備。對于部分使用質量文檔上傳方式提供數據的設備，同樣通過公司有線網絡將數據發送至處理引擎，分解提取有效信息后發送至所有需求數據的平臺，并提交至數據庫保存。

3.4 設備臺賬系統

（1）在用設備管理。在用和借出設備的狀態管理，記錄設備轉移、調撥和配置變動的動態信息。

（2）備件管理。包括領用、調撥、升級設備，可跟蹤到備件在某一具體設備上的使用情況，備件的庫存量、使用記錄等，以及備件出庫操作。

（3）耗材管理。包括領用、調撥，耗材的庫存量，使用單位、使用記錄等，以及耗材出庫操作。

（4）捐贈、丟失、報廢管理。對設備管理中不經常出現的一些情況進行管理，如捐贈、丟失、報廢等進行管理，并計算或統計捐贈、丟失、報廢等設備的估計值或成本。對過了使用年限、無維修價值或無法修復等原因需要報廢的設備通過“固定資產報廢審批”流程做設備銷帳處理。

（5）設備折舊管理。根據設備的使用年限對設備進行折舊計算處理，預測設備報廢時間及技術改造后設備增值統計。包括折舊處理、技改管理和報廢預測，這是設備管理系統核心功能點之一。

（6）支行驗貨管理。支行收到設備后，對收到的設備與系統中的信息進行核對，確認所收設備與出庫設備相符。

3.5 數據同步方案

根據能否獲得現有臺帳系統接口，數據同步分為兩套方案：

方案1：若能獲得現有臺帳接口，使用Vert.x 通過Ser?verSocket 與原有JBoss Wildfire 服務器連接，實現原生數據同步，該方案性能及自動化程度高。

方案2：若無法獲得現有臺帳系統接口，使用python win32 API 模擬鼠標和鍵盤操作進行輸入；使用tesseract 組件以OCR 識別技術獲取屏幕內容實現輸出，內容的導入和導出需要經過人為校驗和確認，自動化程度偏低，作為備選方案。

4 結語

本文采用基于J2Eede 大數據存儲框架和Vert.x 技術實現設備全生命周期數字化管理，為設備的運行狀態和生命周期使用壽命的統計、預測和預警提供了便利的平臺，同時也為設備維護管理人員提供精確維修方案選項，實現由經驗性維修到預防性維修的轉變。