設備健康碼管理系統的設計與應用

朱俊、趙文瀾、趙小勇、王蕓 /北京精密機電控制設備研究所

設備健康碼管理是通過采集、分析、利用設備運行狀態的監測信息，融合使用、保養與維修信息，結合設備健康管理理論與分析評價方法，對影響設備健康狀態的主要技術指標、管理要求的落實情況和人為操作等因素進行數據分析與綜合評估，進而出示相應設備健康狀態指示碼（設備健康碼）的管理過程。設備健康碼管理系統是基于設備健康碼的管理需求，通過收集設備使用過程中的關鍵運行參數、日常點檢記錄、保養維護與維修記錄等相關信息，借助設備健康狀態綜合評價算法，評判、顯示設備“綠碼”“黃碼”“紅碼”等健康狀態指示標識的信息化管理平臺。

一、系統總體架構

設備健康碼管理信息系統的主要架構由資源管理層、信息獲取層、信息處理層和應用表示層組成，如圖1所示。

圖1 系統總體架構圖源利用效率

1.資源管理層

資源管理層的主要功能是對影響設備健康狀態的主要參數進行信息的采集、存儲、傳輸、讀取和管理，涵蓋數據庫管理、目錄服務、記錄管理等建設內容。主要管理的信息資源包括設備基礎類信息資源、影響設備安全運行的關鍵參數指標、設備點檢記錄信息、設備保養維護記錄信息、設備維修過程記錄信息五大類。

一是設備基礎信息資源，通過信息獲取層獲取的設備名稱、所在位置、所屬單位等基礎信息記錄構成。二是影響設備安全運行的關鍵參數指標，設備在使用運行過程中采集到的運行時間、關鍵運行參數、重要異常提示信號等設備運行期間的相關信息采集記錄。三是設備點檢記錄信息，針對設備進行的日常外觀檢查點檢確認記錄，定期對設備技術狀況進行的專項檢查和測定的點檢信息記錄。四是設備保養維護記錄信息，對設備按照維保計劃開展的二、三級保養完成情況進行的信息記錄。五是設備維修過程記錄信息，主要包括設備報修記錄、設備維修進度記錄、設備維修完成結果記錄等。

在資源管理層中，信息主要以完成工作內容確認、設備關鍵運行參數監測、維保過程及完成情況記錄等形式進行采集并存儲到數據庫中，或以掃描的圖片與文檔作為輔助留存記錄、存儲至資料庫中。

2.信息獲取層

信息獲取層的主要作用是收集設備和人工錄入的相關信息，并提供與資源管理層、邏輯控制層和應用表示層進行信息交換的相應接口，主要由硬件設備、軟件系統和數據傳輸網絡組成。硬件部分主要包括信息輸入設備（設備傳感器、掃描信息錄入設備、人工手動錄入設備等）和網絡數據采集設備等；軟件部分主要用于信息處理、內容轉換和硬件設備的管理控制等；傳輸網絡部分主要用于數據信息的傳輸。

3.邏輯控制層

設備健康碼管理涉及設備運行狀態監控、維保信息處理、健康狀態評估等業務。邏輯控制層是確保設備健康碼管理系統正常運行的主要架構，為設備健康碼管理各項業務功能、流程、規則、策略提供支撐的關鍵組成部分。涵蓋了控制業務對象以及它們之間的關聯關系，包含了業務對象在業務流程與具體功能中的使用。其需實現對所有影響設備健康狀態的異常信息做出正確分析與判斷，如從信息獲取層獲得設備相關采集信息后，經過比對分析，若超出預設閾值，則出示警示信息。邏輯控制層進行設備健康狀況評估的依據主要依托于設備運行關鍵參數的監控數據，并結合設備點檢、維保及維修情況，通過算法機制評估得出設備健康狀況的評價結果，形成設備健康碼，便于管理人員直觀查看設備的健康狀態信息。

4.應用表示層

應用表示層通過人機交互等方式，將資源管理層、信息獲取層、邏輯控制層有機結合，并以圖表、圖文等形式向用戶展示各類信息和流程處理結果的結構部分。應用表示層是設備健康碼管理系統各項數據、信息流、應用對象以及數據交換界面的綜合描述，需清楚地表述各種界面中的數據以及數據在各流程間的交互情況，為管理人員清晰地展示設備當前健康狀態的評價結果（設備健康碼），并以不同顏色的健康碼表征設備當前的健康狀態，同時能夠查詢和顯示設備以往健康狀態歷史記錄等情況。

二、設備健康狀態評價方法

設備健康狀態評價的核心在于合理確定每一個評價指標以及計算評估的模型。一是確定評價對象的健康狀態影響因素并組成評價指標集。二是根據評價指標對健康狀態的影響程度大小形成評語集。三是按每一個評價指標單獨評判影響程度并匯總形成評估集。四是根據所有指標綜合加權進行評判得出評價結果。

1.設備健康狀態評價基本流程

設備健康狀態評價基本流程如圖2所示。確定評價對象，針對該對象建立評價指標集和評語集，通過評估算法計算評價指標對設備健康狀態的影響程度，并根據各個指標的權重，由權重集和評估集綜合計算最終的評價結果。

圖2 設備健康狀態評價基本流程

2.設備健康狀態劣化度的設定

通過對劣化程度的分析、研究和量化，可以估算出設備當前的健康狀態。設備健康狀態評價算法可以利用劣化度表征各評價指標因素相對于評語集的隸屬關系，并以扣減劣化度分值的方式計算得出評價定量結果。

當設備健康評估狀態較差時，健康評價數值接近其極小值，此時從設備健康指數總數中扣減的劣化度分值趨近于最大值100；當設備正常工作，運行狀態良好時，健康評價指數總數扣減分值接近于極小值，即其劣化程度趨近于最小值0。因此，設備健康指數的總分值為100，可扣減的劣化度分值取值范圍為0～100。

3.設備健康碼管理系統的軟件架構

根據被評估設備在運行過程中采集相關技術參數的難易程度，以及設備維護人員對設備點檢與維保的主觀認知限制性等人為因素，需對設備健康碼的管理構建軟件框架，如圖3所示。

圖3 設備健康碼管理系統軟件框架

通過傳感器或設備采樣數據傳輸接口采集并接收設備的運行狀態信息，經過信號處理與特征提取后，傳送到設備健康管理信息數據庫。系統可調用CBM工具包中的計算模型（灰色預測模型、比例風險模型、卡爾曼濾波模型等）對采集到的設備信息進行健康狀態分析，并將分析結果傳遞至設備健康碼生成控制軟件模塊，用于將評估得出的設備健康狀態評價結果轉化生成對應的設備健康碼。

企業用戶通過移動終端、固定展示終端或系統預留接口獲取設備健康碼的相關信息。其中，設備健康管理數據庫是本系統的基礎核心數據庫，用于存儲大量的設備運行狀態監測信息、維護保養記錄信息以及設備自身的產品檔案信息等。

4.設備健康碼的生成

設備健康碼的生成，是利用在線監測關鍵參數技術數據以及人工錄入確認的設備維保記錄數據獲得的設備運行狀態數據，經過定期的健康狀態評估，分析設備健康狀態的劣化度。當設備處于正常良好運營狀態時，設備健康碼顯示為綠色。當設備出現劣化跡象時，通過評價當前設備處于何種程度的健康劣化狀態，以紅色或黃色健康碼的形式向相關設備的使用人員、維修人員及管理人員進行報警，便于相關人員根據設備健康評估結果及時進行設備維護處理。

應用設備健康碼管理系統將改變當前企業難以開展設備健康狀態信息化管理的現狀，改變設備健康檔案數據信息的存儲與查閱方式，實現設備健康狀態信息自動評價顯示，進而有效提高設備的安全運行監管水平，提前預警降低故障發生風險，提升設備持續穩定運行時間，確保科研生產設備運行的安全性、連續性與可靠性。