礦山設備維修數(shù)據(jù)集成與管控系統(tǒng)研究

滕曉旭，全厚春，祁金才，孫祎楠，白蘭，王智強

(1.鞍鋼集團礦業(yè)有限公司信息中心， 遼寧 鞍山市 114000；2.沈陽中科奧維科技股份有限公司， 遼寧 沈陽 110179)

0 引言

大型礦用設備的正常運轉(zhuǎn)是礦山企業(yè)安全生產(chǎn)和穩(wěn)定運營的基礎，所以維修信息化管理在礦用設備管理的過程中顯得尤為重要，尤其是在目前普遍集中生產(chǎn)的礦業(yè)模式下。設備的管理方式、管理理念和維修方式隨著礦山企業(yè)規(guī)模的擴大與科技進步出現(xiàn)了極大的變化。事后維修和預防維修是設備維修的兩種主要方式，預防維修又可分為定時維修和狀態(tài)監(jiān)測維修。其中狀態(tài)監(jiān)測維修的應用十分廣泛，已經(jīng)成為礦山設備維護的主要方法，設備維修時機的控制非常重要，根據(jù)設備的技術(shù)狀態(tài)來確定，通過狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷來實現(xiàn)。以設備運行時的動態(tài)信息為依據(jù)，在故障尚未發(fā)生或者將要發(fā)生時做出決策診斷，確定設備的工作狀態(tài)（正常工作（開/停）、將要發(fā)生故障、發(fā)生故障待檢修）。高效、快速、準確的故障診斷及檢測維修可以為礦山企業(yè)延長大型設備的工作壽命，減少不必要的損耗，節(jié)省開支，從生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益兩方面為礦山企業(yè)的安全高效生產(chǎn)、運營奠定基礎[1]。

目前，設備維修管理雖然在不斷地前進，但是由于礦用設備系統(tǒng)由多供應商多系統(tǒng)構(gòu)成，各系統(tǒng)建的數(shù)據(jù)耦合交互受到設備系統(tǒng)平臺的限制，使得設備維修管理數(shù)據(jù)難以集成，造成設備維修過程的數(shù)據(jù)不能通過數(shù)據(jù)間的交互提供及時的維修數(shù)據(jù)查詢，降低了企業(yè)信息化的利用效率。

為了解決這一問題，針對設備維修管理產(chǎn)生的數(shù)據(jù)及多系統(tǒng)特點，需要建立系統(tǒng)性的數(shù)據(jù)維修管理系統(tǒng)，從多方面進行介入，以達到精細化管理要求。通過各系統(tǒng)間進行分布式的數(shù)據(jù)耦合交換，研究共同數(shù)據(jù)總線，對設備主數(shù)據(jù)、用戶主數(shù)據(jù)、缺陷數(shù)據(jù)、備件請購消耗數(shù)據(jù)、維修工程數(shù)據(jù)等進行異構(gòu)跨平臺對接，結(jié)合數(shù)據(jù)網(wǎng)關接入技術(shù)與ETL技術(shù)，實現(xiàn)多平臺的數(shù)據(jù)交互研究。可以進行數(shù)據(jù)的發(fā)布訂閱，消除多系統(tǒng)間引起的數(shù)據(jù)孤島、數(shù)據(jù)不同步等問題，降低企業(yè)信息數(shù)據(jù)利用成本及交互成本，是設備管理技術(shù)研究的基礎。

1 設備維修數(shù)據(jù)共享機制

共享機制是科學數(shù)據(jù)共享中的一種普遍范式，其具有一定的針對性與累積性，必須是適應共享工作并且不斷迭代優(yōu)化的數(shù)據(jù)。不同的質(zhì)量績效、管理方式、權(quán)責關系與驅(qū)動方式是共享機制差異化的體現(xiàn)。這是一種多因素耦合的系統(tǒng)性復雜問題，選擇與識別科學數(shù)據(jù)匹配的數(shù)據(jù)共享機制有助于推進數(shù)據(jù)共享復雜問題的分層化解。

1.1 數(shù)據(jù)共享模式

科學數(shù)據(jù)共享模式可以分為宏觀、中觀、微觀3個視角。其中，著重探討共享制度體現(xiàn)在宏觀層，著重關注共享運行組織體現(xiàn)在中觀層，聚焦科學數(shù)據(jù)體現(xiàn)在微觀層。所以，有復雜多樣的科學數(shù)據(jù)共享機制可供選擇，本文對梳理后的科學數(shù)據(jù)共享模式進行了描述。

首先，從科學數(shù)據(jù)來源看，共享可分為“專業(yè)化生產(chǎn)模式、聯(lián)合共建共享機制和數(shù)據(jù)交換模式”。有學者基于查詢接口與完全開放數(shù)據(jù)庫，從技術(shù)應用角度出發(fā)提出其共享模式。另外還包括基于開放網(wǎng)格服務OGSA-DAI數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)集成的共享（見圖1）。共享機制以科學數(shù)據(jù)權(quán)益性質(zhì)為標準，可分為“商業(yè)化和公益性”兩種。

圖1 網(wǎng)格服務架構(gòu)(OGSA-DAI)數(shù)據(jù)集成

其次，科學數(shù)據(jù)共享機制以組織形態(tài)為標準進行分類，可分為商業(yè)化運行模式和事業(yè)性運行模式兩種，國際組織參與、企業(yè)發(fā)展帶動、部門間交換以及政策驅(qū)動4種類型，以及主體（項目）合作共建和地域協(xié)作共建、組織協(xié)作共建、國際共建、政策共建4種方式。

最后在宏觀層面上，協(xié)議工具、政策運動、技術(shù)工具、標準規(guī)范等共享機制的出現(xiàn)與完善得益于政策的推動。在政策推動的共享中，開放獲取倡議提出的金色道路和綠色道路兩種共享機制；從國際組織到國家政府機構(gòu)，從國家政府機構(gòu)到各地方政府部門，一系列開放共享政策倡導全面開放的公益性共享機制，充分發(fā)揮共享機制在共享政策使用中的主導作用[2-4]。

1.2 數(shù)據(jù)共享模式實踐

模式分類并非一成不變，各種分類之間也存在著交叉重疊，共享實踐常常是多種模式運行交叉的綜合體系。例如，典型的服務場景中，大科學計劃、共享機制、資源建設、大科學裝置及系統(tǒng)研發(fā)總是共同推動數(shù)據(jù)全生命周期的共享活動；大型跨國數(shù)據(jù)組織也是最為常見交叉多元的組織形態(tài)。制度導向的共享機制和人才共享機制的實踐就更加需要一系列不同層次的法律法規(guī)、政策、標準規(guī)范與技術(shù)工具協(xié)調(diào)一致，同時針對特定科學數(shù)據(jù)，建立靈活的共享機制制度，使之呈現(xiàn)出特定的組織形態(tài)等。

在不同的科學領域，數(shù)據(jù)的規(guī)模、算法模型與處理方式等存在顯著差異，共享機制的選擇也有很多個性化、特色化的表現(xiàn)。

2 基于ETL的設備維修數(shù)據(jù)集成

Extract-Transform-Load（ETL）是描述將數(shù)據(jù)從最初的來源端輸送至目的地端的全生命周期，經(jīng)過數(shù)據(jù)抽取、轉(zhuǎn)換、裝載的一系列過程，是一種實現(xiàn)將異構(gòu)數(shù)據(jù)源整合到一起，集中式存儲和綜合管理的方法（見圖2）。從多個業(yè)務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源中抽取數(shù)據(jù)、清理、經(jīng)過轉(zhuǎn)換和加載的工作，同時可以對數(shù)據(jù)進行整理和修改，符合數(shù)據(jù)倉庫需求，最終將數(shù)據(jù)從一個系統(tǒng)輸送到統(tǒng)一的、完備的數(shù)據(jù)倉庫中，從而達到數(shù)據(jù)集成的目的[5-8]。

圖2 ETL數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)抽取。首先要確定從操作型系統(tǒng)中選取部分數(shù)據(jù)裝載到數(shù)據(jù)倉庫中，選取的數(shù)據(jù)一定要對決策支持有意義。數(shù)據(jù)抽取要根據(jù)數(shù)據(jù)倉庫中，維度表和事實表的定義、數(shù)據(jù)源的定義、抽取規(guī)則的定義對異構(gòu)數(shù)據(jù)源（HTML文件、文本文檔、各類數(shù)據(jù)庫等）進行檢索，使用規(guī)定的國家標準，選擇合乎條件并且對終端有價值的數(shù)據(jù)，為把各類數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)倉庫做準備工作。

（2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)抽取工作完成后，對抽取到的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，按照目標數(shù)據(jù)源中數(shù)據(jù)模型的標準定義將各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)倉庫中的統(tǒng)一標準。由于直接從異構(gòu)數(shù)據(jù)源系統(tǒng)中抽取出來的數(shù)據(jù)都是未經(jīng)過加工的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)存在非標準中英文縮寫詞、習慣性詞語、噪聲數(shù)據(jù)、重復記錄、數(shù)據(jù)缺失不完整、命名格式、字段屬性等問題，不能直接應用于數(shù)據(jù)倉庫，因此要實施各種轉(zhuǎn)換策略，執(zhí)行各種轉(zhuǎn)換方法進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

（3）數(shù)據(jù)清理。一般情況下，許多大型的數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)倉庫中存在缺失值、異常值等異常樣本數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)的存在會導致數(shù)據(jù)輸出不可靠，直接影響對數(shù)據(jù)的查詢、分析及企業(yè)決策的制定，因此需要對這些數(shù)據(jù)進行處理。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工作中包括數(shù)據(jù)清理的過程，主要是通過刪除異常樣本、填充缺失的數(shù)據(jù)，光滑噪聲并糾正數(shù)據(jù)中的不一致，校對不完整的數(shù)據(jù)，其目標是保證數(shù)據(jù)的正確性。

3 設備維修系統(tǒng)研發(fā)

3.1 維修系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

軟件體系結(jié)構(gòu)用來解決總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計的問題，以及描述說明方面的某些問題，是軟件設計過程中一個重要組成部分，在計算過程中，軟件體系結(jié)構(gòu)的重要程度在算法設計和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設計之上。包括全局組織與總體控制、通訊協(xié)議、數(shù)據(jù)存取、同步、設計構(gòu)件功能定義、設計元素的功能分配、物理分布、設計元素的復合、物理合成、設計方案的選擇等。

軟件體系結(jié)構(gòu)是軟件系統(tǒng)的高級抽象，主要體現(xiàn)在行為、屬性和結(jié)構(gòu)等方面，其為設計決策提供一些基本原理。軟件體系結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成，包括拓撲和組織結(jié)構(gòu)，軟件體系結(jié)構(gòu)不僅能反應系統(tǒng)的需求，并且能顯示構(gòu)成軟件系統(tǒng)的元素之間的對應關系。軟件體系結(jié)構(gòu)指的是構(gòu)成系統(tǒng)的元素、元素的集成模式、元素之間的相互作用及各種模式的完整性約束組成[9-10]。

3.2 維修系統(tǒng)功能模塊劃分及數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

針對大型礦業(yè)設備而言，設備智能維修維護管控系統(tǒng)非常重要，按照國家的標準和設計的基本要求，可以將系統(tǒng)劃分為維修維護管理系統(tǒng)、預算定額管理系統(tǒng)、供應商系統(tǒng)、微信公眾號系統(tǒng)。

根據(jù)維修系統(tǒng)功能的劃分，大型礦業(yè)設備智能維修管控系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要分為4個部分：維修工程數(shù)據(jù)、預算數(shù)據(jù)、供應商數(shù)據(jù)以及微信公眾號數(shù)據(jù)。

3.3 維修費用算法流程

建設工程造價對于某項建設工程項目而言，該建設項目（工程項目）一般由以下幾部分組成， 包括有計劃地進行固定資產(chǎn)再生產(chǎn)、形成相應的無形資產(chǎn)以及鋪底流動資金的一次性費用，即工程建設所花費的全部費用（見圖3）。由設備及工具器具購置費、建筑安裝工程費和工程建設其他費用組成[11]。

圖3 維修費用組成

設備、工器具購置費是指按照項目設計文件要求和國家標準的規(guī)定，建設單位購置或自制的達到固定資產(chǎn)標準的設備和新擴建項目配置的首套工器具及生產(chǎn)所需的費用。它由設備、工器具原價和包括設備成套公司服務費在內(nèi)的運雜費組成[11]。

建筑安裝工程費是指建設期內(nèi)建設單位直接支付給從事建筑安裝工程施工單位的建筑工程費、設備購置費及安裝工程費，包括用于建筑物的建造及有關的準備工作、機械輔助設施的搭設、拆除及清理等工程的投資；用于需要安裝設備的運輸、裝卸、安置、裝配工程的投資。它是以貨幣價值形式表現(xiàn)的建筑安裝工程的價值。

工程建設其他費包括暫列金額、暫估價、計日工等各項費用，由項目投資方支付的費用，費用發(fā)生與否未知，為保證工程項目順利完成、發(fā)揮作用以及交付使用而產(chǎn)生的費用。

對于基本建設工程費用，機械設備、生產(chǎn)生活所需的工具器具的購置費用的確定相對比較簡單；工程建設其他費用可以根據(jù)國家或地方主管部門的規(guī)定以及類似相關工程進行估算，或根據(jù)施工現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)以及參考資料進行計算，方法比較簡單。但是，建筑及設備安裝工程費用的計算是一件較為復雜的工作，其作為基本建設工程費用的主要組成部分，精確計算更加重要。因此，必須對建設工程項目深入了解，實地考察，用科學的方法對建筑安裝工程費用進行統(tǒng)計、分解、分析，細化各項數(shù)據(jù)，才能更加準確地找出活勞動和物化勞動消耗的基本因素，然后對各構(gòu)造要素進行精確計算，先確定基本構(gòu)造要素的工料消耗量，計算其價值，然后匯總各構(gòu)造要素的價值，可求出建筑及設備安裝工程費用，再通過進一步的計算，求出基本建設工程費用。

3.4 系統(tǒng)應用實例

系統(tǒng)強調(diào)以用戶為中心的設計原則，采用BootStrap框架進行前臺開發(fā)，保證界面一致性。大型礦用設備維修計劃管理系統(tǒng)主要包括：年計劃編審、月計劃編審、招標處理、合同編制上報等功能。大型礦用設備維修預算系統(tǒng)主要功能頁面包括定額冊、定額材料、取費樹、取費項、材料批次、材料價格、預算定額編制等。

為了便于管理人員操作，同時開發(fā)了手機端管理系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 手機端管理系統(tǒng)

4 結(jié)論

針對礦用設備維修過程、跨平臺維修數(shù)據(jù)信息共享及協(xié)同管理困難、維修數(shù)據(jù)缺乏管理結(jié)構(gòu)體系等問題，本文提出了大型設備數(shù)據(jù)共享機制及數(shù)據(jù)集成方法，結(jié)合數(shù)據(jù)網(wǎng)關接入技術(shù)與ETL技術(shù)，解決了諸多實際問題并取得如下成果。

（1）提出復雜系統(tǒng)性問題的解決途徑，科學識別數(shù)據(jù)的特征，選擇與之匹配的數(shù)據(jù)共享機制，進而將數(shù)據(jù)共享的復雜問題分層化解；

（2）應用 ETL方法實現(xiàn)了異構(gòu)數(shù)據(jù)源的整合，集中式存儲和綜合管理，從多個業(yè)務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源中抽取數(shù)據(jù)、清理、經(jīng)過轉(zhuǎn)換和加載的工作，最終將數(shù)據(jù)從一個系統(tǒng)輸送到統(tǒng)一的、完備的數(shù)據(jù)倉庫中，從而達到維修數(shù)據(jù)集成的目的；

（3）建立了完整的設備維修管理體系，下設維修計劃管理系統(tǒng)、預算定額管理系統(tǒng)、供應商系統(tǒng)和微信公眾號系統(tǒng)4個功能模塊系統(tǒng)，并設計了以工程造價規(guī)劃為基礎的維修費用算法流程。