水電站啟閉設(shè)備的全壽命周期數(shù)字化管理系統(tǒng)

黃春犁，胡美玲，趙會城

（華電鄭州機械設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450000）

引言

近年來，隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)以及計算機輔助設(shè)計軟件的快速發(fā)展，企業(yè)在設(shè)計手段和設(shè)計應(yīng)用水平上有了長足的進步。但是，面對激烈的市場競爭、面對客戶不斷變化的需求以及對產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性的要求，企業(yè)不得不從技術(shù)管理、產(chǎn)品創(chuàng)新、服務(wù)升級、信息融合等方面，著手提高企業(yè)的綜合競爭實力。

全壽命周期管理的理念在20世紀(jì)末被提出，目前，國內(nèi)外全壽命周期管理僅應(yīng)用在航空航天、交通運輸業(yè)和電子電器等行業(yè)。通過進行高效、高質(zhì)量的產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)，提供了系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理和產(chǎn)品管理的方法，使整個企業(yè)工作效率提高，大大降低了開發(fā)成本。

水電站的啟閉設(shè)備作為國家重點監(jiān)管的特種設(shè)備之一，是水電站日常開閉閘門、泄洪及事故緊急落門等必不可少的機電設(shè)備。目前，水電站啟閉設(shè)備的管理依然采用傳統(tǒng)的管理方式，主要是針對設(shè)備在役期間的運行維修管理，從設(shè)備可靠性的角度出發(fā)，開展保障設(shè)備穩(wěn)定、可靠運行的運維管理，該方式雖然能暫時保障設(shè)備的穩(wěn)定運行，但安全事故依然頻發(fā)，嚴(yán)重影響水電站的安全生產(chǎn)工作，無法使啟閉設(shè)備從設(shè)計到報廢全過程均得到科學(xué)有效的管理方案。傳統(tǒng)的管理方式忽略了對水電站啟閉設(shè)備前期規(guī)劃設(shè)計、生產(chǎn)制造、現(xiàn)場安裝等其他環(huán)節(jié)的信息搜集與整理，難以做到統(tǒng)一的閉環(huán)管理。

水電站啟閉設(shè)備全壽命周期數(shù)字化管理系統(tǒng)所涉及的水電站啟閉設(shè)備全壽命周期數(shù)字化管理的研究，在國內(nèi)水電站啟閉設(shè)備的設(shè)計制造領(lǐng)域尚屬空白。隨著網(wǎng)絡(luò)通信、人工智能、云服務(wù)平臺、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的迅速發(fā)展，以及企業(yè)本身在發(fā)展過程中的管理瓶頸，水電站啟閉設(shè)備的全壽命周期數(shù)字化管理也必將在該行業(yè)得到廣泛的推廣和應(yīng)用[1]。

1 系統(tǒng)組成

水電站啟閉設(shè)備全壽命周期數(shù)字化管理是指從客戶提出要求到設(shè)備報廢，整個壽命周期過程中的數(shù)字化協(xié)同管理，是圍繞水電站啟閉設(shè)備研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造、安裝移交、設(shè)備運行及維保、設(shè)備報廢進行集成化管理的一種方法。水電站啟閉設(shè)備全壽命周期數(shù)字化管理整體架構(gòu)可分為四個層次：現(xiàn)場設(shè)備層、數(shù)據(jù)層、功能層和用戶層。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 水電站啟閉設(shè)備全壽命周期數(shù)字化管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 現(xiàn)場設(shè)備層

現(xiàn)場設(shè)備層包括啟閉設(shè)備出廠前設(shè)計、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的采集，安裝運行階段高性能傳感器的檢測數(shù)據(jù)，維修記錄與升級改造數(shù)據(jù)采集。結(jié)合遠程監(jiān)測系統(tǒng)，把現(xiàn)場設(shè)備運行的各種參數(shù)、數(shù)據(jù)及狀態(tài)通過現(xiàn)場總線傳輸給數(shù)據(jù)層，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理、分析提供現(xiàn)場數(shù)據(jù)支撐。

3 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層為整個系統(tǒng)提供運行服務(wù)所需的基礎(chǔ)硬件、軟件以及各種數(shù)據(jù)，包括硬件服務(wù)器、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲設(shè)備等。

水電站啟閉設(shè)備全壽命周期數(shù)字化管理需結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)，根據(jù)實際情況，建立安全、可靠的數(shù)據(jù)中心，將水電站啟閉設(shè)備相關(guān)設(shè)計數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及管理數(shù)據(jù)進行輸入和存儲，為水電站啟閉設(shè)備的全壽命周期數(shù)字化管理打下堅實的基礎(chǔ)[2-4]。

4 功能層

功能層主要實現(xiàn)水電站啟閉設(shè)備全壽命周期數(shù)字化管理中的各種邏輯分析、數(shù)據(jù)處理以及啟閉設(shè)備在研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)、運維和服務(wù)過程中所需的所有功能。

4.1 專家系統(tǒng)的基本構(gòu)成

啟閉設(shè)備專家系統(tǒng)是使計算機竭盡全力地模擬電氣及機械專家，運用他們的知識與多年積累的實際工程經(jīng)驗，來解決啟閉設(shè)備遇到實際操作問題的一種方法和步驟。因此，專家系統(tǒng)實際上是運用電氣及機械專家的知識和經(jīng)驗，來解決啟閉設(shè)備操作中遇到困難問題的一種計算機程序。該系統(tǒng)是運用專家知識，建立人與機器之間關(guān)系的一門技術(shù)。在啟閉設(shè)備專家系統(tǒng)中，電氣及機械知識起著非常關(guān)鍵的作用。其基本結(jié)構(gòu)由知識庫、知識獲取部分、數(shù)據(jù)庫、推理機、解釋部分和人機接口組成。其中，知識庫、數(shù)據(jù)庫、推理機和人機接口為專家系統(tǒng)必不可少的部分，知識獲取部分和解釋部分為專家系統(tǒng)的期望部分

4.2 水電站啟閉設(shè)備全壽命周期數(shù)字化管理專家系統(tǒng)的設(shè)計

水電站啟閉設(shè)備專家系統(tǒng)控制流程圖如圖2所示。

圖2 水電站啟閉設(shè)備專家系統(tǒng)控制流程圖

5 用戶層

用戶層主要完成水電站啟閉設(shè)備全壽命數(shù)字化管理的人機交互環(huán)節(jié)，用戶通過該環(huán)節(jié)可進行系統(tǒng)管理、輸入數(shù)據(jù)、修改參數(shù)、監(jiān)控設(shè)備運行、查看報表及設(shè)備故障信息等。

水電站啟閉設(shè)備全壽命周期數(shù)字化管理系統(tǒng)客戶端安裝后即可進入客戶端的運行界面。客戶端的運行界面主要是由登錄界面、地圖總覽界面和電站詳情界面組成。登錄界面負(fù)責(zé)驗證登錄者的身份，地圖總覽界面呈現(xiàn)電站位置信息，電站詳情界面對各個電站啟閉設(shè)備的詳細(xì)狀況進行介紹。

5.1 起始登錄界面

為了防止非專業(yè)操作人員對相關(guān)啟閉設(shè)備進行非法查看和操作，保證設(shè)備的安全運行，本軟件加強了對操作權(quán)限的管理，只允許獲得登錄權(quán)限的相關(guān)人員進行使用。

水電站啟閉設(shè)備全壽命周期數(shù)字化管理系統(tǒng)“起始登錄界面”如圖3所示，包含：“賬號”“密碼”“驗證碼”輸入框，“獲取驗證碼”“登錄”“退出”按鈕等。

圖3 起始登陸界面

5.2 地圖總覽界面

通過點擊“起始登錄”界面的“登錄”按鈕，進入“地圖總覽”界面，如圖4所示。

圖4 地圖總覽界面

地圖總覽界面顯示了使用水電站啟閉設(shè)備全壽命周期數(shù)字化管理系統(tǒng)的電站位置信息。通過該界面可以了解到該系統(tǒng)分布的位置信息，當(dāng)使用鼠標(biāo)右鍵單擊地圖時，會彈出“選擇列表”，如下頁圖5所示。通過列表可以選擇即將進入的電站詳情信息界面。使用鼠標(biāo)滾輪可以實現(xiàn)對地圖的放大縮小，詳細(xì)地圖信息可達20級放大。

圖5 選擇列表

在“地圖總覽”界面“右擊”鼠標(biāo)打開“選擇列表”，在“選擇列表”的下拉框中選擇想要觀看的電站。點擊“確定”跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的“電站詳情”界面。點擊“取消”返回“地圖總覽”界面。

5.3 電站詳情界面

電站詳情界面顯示了目標(biāo)水電站啟閉設(shè)備的詳細(xì)狀況信息，界面由五部分組成，分別為標(biāo)志欄、導(dǎo)航欄、側(cè)邊欄、標(biāo)簽欄和主界面。該界面如圖6所示。

圖6 電站詳情界面

在側(cè)邊欄界面可以打開想要瀏覽的信息頁面，導(dǎo)航欄則展示了該頁面標(biāo)簽的級目錄級別，當(dāng)頁面打開后也可以通過標(biāo)簽欄切換已打開界面信息。另外，在導(dǎo)航欄的尾端也設(shè)置了返回“地圖總覽”界面的按鈕，可以用于返回上一級重新選擇電站。當(dāng)點擊側(cè)邊欄的“梨園水電站”后，即可展開側(cè)邊欄二級目錄，二級目錄包含設(shè)備采購管理、設(shè)備設(shè)計管理、設(shè)備制造管理、設(shè)備安裝調(diào)試管理、設(shè)備運行狀態(tài)、設(shè)備運維管理、設(shè)備報廢管理和系統(tǒng)管理等8項內(nèi)容。

6 系統(tǒng)功能

6.1 設(shè)備基礎(chǔ)信息管理

設(shè)備基礎(chǔ)信息管理主要實現(xiàn)在設(shè)備設(shè)計、制造和安裝過程中產(chǎn)生的相關(guān)交互信息的錄入、查詢、修改及分析等功能，包括設(shè)計前期提出的相關(guān)技術(shù)要求以及與業(yè)主溝通的往來函件、設(shè)計過程中輸出的相關(guān)設(shè)計圖紙、生產(chǎn)過程中各個零部件的生產(chǎn)及組裝工藝流程、設(shè)備現(xiàn)場施工過程中安全施工、進度及質(zhì)量保障的管理等，實現(xiàn)各個環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的一致性，保障設(shè)備在設(shè)計、制造、安裝過程中不留安全隱患，同時也大大提高了項目執(zhí)行的效率。

6.2 設(shè)備運行狀態(tài)管理

設(shè)備運行狀態(tài)管理主要通過設(shè)備現(xiàn)地控制系統(tǒng)以及遠程監(jiān)測系統(tǒng)，實時采集設(shè)備待機、運行過程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)，對采集的數(shù)據(jù)進行存儲、分類、量化和分析，建立設(shè)備運行狀態(tài)模型及數(shù)據(jù)庫，根據(jù)模型最終確定設(shè)備運行狀態(tài)，對操作人員給出實時故障報警信息以及日常操作指導(dǎo)意見，同時對設(shè)備進行故障預(yù)測輸出，保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。

6.3 設(shè)備維護保養(yǎng)管理

設(shè)備維護保養(yǎng)管理包含設(shè)備日常的維護保養(yǎng)管理、特種設(shè)備定期檢驗管理以及設(shè)備的報廢回收管理等。通過設(shè)備運行狀態(tài)模式以及采集的故障報警數(shù)據(jù)，建立設(shè)備故障模型，通過對所有項目常用設(shè)備一定時期內(nèi)的所有故障進行統(tǒng)計、分析，根據(jù)故障發(fā)生的概率給用戶提供設(shè)備健康評估報告、預(yù)測性故障報警、特種設(shè)備定期檢驗提醒、壽命預(yù)警及報廢回收提醒等服務(wù)，同時，提出日常維護保養(yǎng)意見，供操作人員參考。

6.4 遠程診斷功能

通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，在遠程管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析，不僅提高設(shè)計與制造能力，還能幫助設(shè)備用戶實現(xiàn)預(yù)測性維保。

7 結(jié)論

該研究通過數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，建立有關(guān)水電站啟閉設(shè)備工藝規(guī)程的數(shù)據(jù)庫，使水電站啟閉設(shè)備在設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)、運維和服務(wù)等方面進行全面提升，實現(xiàn)產(chǎn)品全過程一體化數(shù)據(jù)環(huán)境，并與遠程監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)水電站啟閉設(shè)備的全壽命周期的數(shù)字化管理。理論上，各個電站可通用，考慮到各個電站的設(shè)備種類及參數(shù)存在部分差異，在設(shè)備參數(shù)上還需要根據(jù)實際情況進行調(diào)整。