試驗數據管理系統在船用柴油機可靠性設計中的應用

摘要：在進行船用柴油機的設計與研發過程中，為了提高其可靠性，需要進行許多試驗，因而會生成許多復雜的試驗數據，試驗數據的生成將進一步影響后續的試驗數據，進而推動研究和開發的進行。基于此，從對現階段試驗管理現狀的分析出發，指出其存在的問題，并對試驗數據管理系統（Test Data Management，TDM）從系統功能以及架構進行研究，并對試驗數據管理系統與傳統數據管理模式進行對比，總結了試驗數據管理系統在船用柴油機可靠性設計中的應用效果。以期為船用柴油機研發和設計過程中的試驗數據管理提供幫助與借鑒。

關鍵詞：試驗數據管理；船用柴油機；試驗數據管理系統；分層結構

一、前言

由于運行環境的不同，船用柴油機相較于陸用的柴油機要更為適應顛簸的環境，因此要求船用柴油機在設計和研發時，需要讓其能夠在縱傾15°～25°和橫傾15°～35°的條件下可靠工作、并且具有更高的熱效率、更為容易的啟動方式[1]。因此在所需性能要求下，保證船用柴油機的可靠運行需要進行大量的試驗，通過試驗、測試等將柴油機中存在的故障和隱患暴露出來[2]。同時，在進行可靠性測試時，會生成許多測試資料，隨著測試內容的不斷增加，測試資料的數量也越來越多，常規的測試資料記錄方法已不能適應目前的需要，加之缺少對測試資料的有效管理，使得測試資料很難得到深入的發掘和充分的利用。為解決試驗數據的管理問題，本文對試驗數據管理系統在船用柴油機可靠性設計中的應用進行了研究。

二、試驗數據管理現狀及存在的問題

由于在船用柴油機設計過程中需進行大量各種類型的試驗，且實驗所生成的資料種類較多，分布于各種儀器之中，對實驗資料的處理與使用造成了很大困難。試驗數據管理主要存在以下問題：

（一）試驗的數據較為分散、相對獨立

由船用柴油機試驗中獲取的大量各類相關試驗數據在采集后儲存于不同的計算機、儲存設備和儀器設備中，無統一的管理平臺，導致研究人員難以對試驗數據進行有效統計。與此同時，由于統一管理平臺的缺失，試驗數據難以在各部門之間流動、共享，無法對數據進行及時的匯總和分析，進而導致數據分散嚴重、難以關聯和高效的利用[3]。

（二）試驗流程信息缺乏完整性

在船用柴油機的試驗中，從計劃的制定、設計的進行，到數據的采集和分析工作，每個步驟開展時均是相對獨立的狀態，導致工作人員難以對流程信息進行收集和整理，而這部分流程信息中存在著大量的試驗細節，可以為試驗提供重要的參考，讓工作人員汲取相關改進經驗。試驗流程信息缺乏完整性則會導致對實驗結果的判斷、分析缺乏準確性，進而影響后續試驗結果的可靠性。

（三）試驗信息的管理缺乏標準

不同廠家、型號、年代的各類儀器設備運行時產生的數據格式不同、保存的方式存在差異，導致原始試驗數據的格式雜亂，應用時存在較大阻礙。因此需建立統一的數據標準、規范試驗數據定義、制定試驗信息標準化處理流程[4]。

（四）試驗數據缺乏安全性管理

在船用柴油機設計和測試中，采集的數據往往存儲于不同網絡的計算機或其他設備中。由于一般試驗數據為單機管理，缺乏對于訪問權限的控制，導致試驗及過程數據的安全性降低；同時，儀器設備容易脫離管控、難以追蹤，試驗數據與固定儀器設備的綁定性也會導致信息不能被有效地導出。數據的分散導致關聯性缺失，長時間儲存后會丟失背景、關系信息。試驗數據缺乏完善的備份系統，一旦儲存設備發生故障便會導致數據徹底丟失。

三、試驗數據管理系統

試驗數據管理系統（Test Data Management，TDM）是產品生命周期管理（Product Life-Cycle Management，PLM）中的組成部分，能夠幫助用戶組建一個準確、完整的試驗數據庫，進而管理試驗數據并與其相關過程的有關信息[5]。TDM從本質上講是一種數字化管理技術，主要圍繞試驗業務中的試驗任務管理、試驗流程管理、試驗資源管理，參與從試驗發起到試驗結束時報告生成的信息化管理中，通過對試驗業務的數字化管理構建覆蓋整個船用柴油機可靠性設計試驗全流程管理、全數據管理、全資源管理的綜合管理平臺。

（一）系統功能

TDM主要由負責業務和數據傳輸的網絡系統、試驗業務數據庫系統、存儲及安全等基礎信息軟件、硬件組成，其中網絡系統包含傳輸協議、終端顯示等，數據庫系統包括數據的標準、試驗的規范要求等，儲存及安全系統則主要包括數據的儲存格式標準、歷史數據的儲存以及權限的設置等[6]。

TDM功能架構主要功能包括：試驗任務的管理、試驗資源的管理、試驗流程的管理、試驗報告的管理等，以及作為不同角色如試驗委托者、試驗管理者、試驗輔助者的門戶。

1.試驗任務管理功能

試驗任務管理功能的核心是對任務的管理、對試驗狀態的監視、對系統軟件的配置以及在前臺對用戶進行顯示。其中任務管理的主要運作方式是接受試驗規劃和管理系統下達的關于開展試驗任務的有關資源調度信息，并基于此，對根據信息的相關配置要求進行統籌分配，在試驗開展命令下達的同時，對數據管理、儲存軟件下達資源調度任務，使其收集各類試驗數據。

例如，在船用柴油機可靠性試驗的負荷特性試驗中，利用任務管理功能可現實對測試所需的設備進行調節，使試驗樣品在試驗中滿足相應的轉速規范并擬定測量點等，與此同時下達資源調度命令采集柴油機的進氣狀態、扭矩、燃料消耗量等，并根據TDM中的試驗數據管理功能，對數據進行管理、轉化、關聯，將管理處理后的數據展示給前臺的操作人員[7]。通過對試驗狀態的監視和前臺展示，可以將有利于試驗參數的情況與主要部件的監控情況進行對比，有利于相關人員在現場及時地進行分析，盡早地發現試驗存在的問題，并且，在整個試驗過程中，有關的管理人員可根據項目的內容，隨時、遠程的判斷試驗的進行是否正常，在不影響試驗按序進行的基礎上，發布相關的調整、變更信息。

2.試驗資源管理功能

試驗資源管理功能主要是對實驗人員以及對試驗所需的臺架設備、試驗原料、損耗物資通過建立相應的數據庫進行管理。在人員管理中，通過將船用柴油機試驗開發人員的信息錄入庫中，根據各崗位的職責，對開發人員的能力進行統計，并購根據對試驗任務的統計，將開發人員按照合理的數量、能力安排到不同的試驗開發任務之中。設備管理則是建立包括儀器設備、計量器具、臺架測功機[8]等的設備數據庫，對設備的基本信息以及動態信息例如校準、維修、使用、故障等進行隨時記錄，以便后續的查閱。除此之外，還通過建立試驗物質數據庫，對試驗所需的物資的類型、型號、存放信息等進行記錄，并且通過物資出入庫的過程，實現物資數據的動態更新，通過試驗資源的管理，使相關人員明確資源的使用情況，提供一定的提醒和告警功能。

3.試驗數據管理功能

試驗數據管理用于管理所有與試驗相關的數據信息。在試驗的過程中存在大量的結構化、非結構化數據，主要包括試驗的原始數據、過程有關的數據、異常數據和文檔報告、多媒體數據等的錄入。在數據錄入后，對數據中存在的非結構化數據應用算法[9]容器和腳本，利用公式編輯器自行將格式進行統一處理，使其形成可以用二維表進行表征的規則、完整的結構數據，通過結構化數據的儲存以便后續的編輯要求。并將數據分類保存，以結構樹的形式進行體現，以便業務人員對于數據的靈活查看，并可以結合系統的權限設置，按照用戶的權限等級有選擇性的提供相應數據，保證數據的安全。并將試驗所收集的數據信息，自動儲存于數據庫，完善數據知識。

4.試驗流程管理功能

試驗過程中的操作很多，需要不同部門、不同人員分工合作，對試驗流程進行實時監測，了解試驗的進度和流程是否符合規定，并且需要有足夠的時間進行規劃和審批。可借由過程控制的函數，對有關的過程進行界定，使相關人員按程序完成各種工作，并完成對實驗過程的統計追蹤或修正。它還能與PLM整合，從而實現工程管理的一個關鍵環節。

5.其他功能

在上述功能的基礎上，還提供一定的數據處理分析功能，可通過系統自帶的部分分析手段，對錄入試驗數據管理系統中的數據進行處理后分析，例如對原始數據進行回放，將試驗數據繪制成相應的曲線，并實現對曲線的裁剪、編輯、拷貝等，或者對數據的采樣率進行變換等。還可以自行設計所需報告的排版格式或者業務人員自行編輯數據導出所需的格式，通過數據庫中數據字段與模板需要顯示數據的位置，建立相關的鏈接，最終生成報告。

（二）分層式系統功能架構

在船用柴油機可靠性試驗中，TDM系統通過分層式結構實現系統的結構化、整體化功能，其功能架構主要分為五層，分別為網絡環境層、數據庫層、平臺層、應用層以及界面/接口層，如圖1。

其中網絡環境層的主要作用是構建一個統一的實驗網絡，并且是一個獨立于外部網絡環境的局域網，通過與船用柴油機可靠性試驗中所有相關的IT終端進行接入與匯總，并建立相應的防火墻、殺毒軟件等安全防護措施，實現試驗局域網的的安全，保證試驗數據的安全。

數據庫層則是通過Oracle數據庫[10]將所有與船用柴油機可靠性試驗有關的數據進行匯總與整理，從而構建數據信息庫，服務于TDM整體的數據調動。與此同時還建立電子文件倉庫，利用電子文件倉庫對各種電子文件進行管理，包括將電子文件存放于相應的專屬存儲區內，或者將某一個專用的儲存區內電子文件進行取出，在此基礎上，對電子文件的存放與取出過程產生的數據信息進行記錄。

平臺層在TDM中起到系統運行的支撐作用，不僅包括方便使用Oracle數據庫進行二維數據表進行表征的結構化數據，而且包含對結構化數據高速存儲的應用需求、數據備份需求、數據共享的需求以及數據容災需求；同時還包括了無法用二維表表征的結構不規則、不完全的非結構化數據，以及TDM在船用柴油機可靠性試驗應用所需的流程引擎、查詢引擎等。

應用層則是TDM的主要業務功能層，包含了TDM在船用柴油機可靠性試驗應用所需的各類功能，例如試驗任務管理功能、試驗資源管理功能、試驗數據管理功能、試驗流程管理功能等。

而界面/結構層則是通過基于角色/權限的Web用戶界面體現了試驗任務管理功能的中前臺對用戶進行顯示的功能，并且利用開放接口Rest API與其他Web Service接口，以及數據分析所需工具集成結口、算法擴展的結口，實現了與其他工具、系統的聯動與集成。

四、試驗數據管理系統與傳統管理模式對比

以本文作者所在公司的柴油機實驗室為例，該實驗室進行的試驗主要包括船用柴油機整機試驗、單缸機試驗以及相關零部件的試驗為主。根據以往進行的試驗，按照試驗項目的具體情況與試驗要求，將實驗室對于試驗數據管理的功能需求分為六部分，并將原使用的數據管理模式與應用試驗數據管理系統的應用效果進行對比。各模式功能對比如表1。

通過對船用柴油機可靠性開發與設計的數據管理，采用試驗數據管理系統，實現了對于柴油機測試中對轉子信息、裝機信息、測試信息等多種數據詳細的、無紙化記錄功能。并且通過試驗數據管理系統中儲存的數據文件和日志文件，實現了對數據庫修改、調用的記錄，并可以自動管理事物處理的記錄，避免了因出現異常故障導致的數據丟失等情況，可根據相應的記錄對數據庫中的數據進行有效的恢復。通過試驗數據的自動記錄、存儲，以及高效查詢等功能降低了人工記錄、儲存時因失誤造成的數據準確性下降、丟失等風險，并通過數據實時顯示的功能，可幫助試驗人員對試驗結果進行提前的預判，降低了因多次重復試驗帶來的人力與物力的消耗，一定程度上降低了試驗的試錯成本。并且隨著系統的應用，數據庫中會儲存大量的、詳細的試驗數據，數據的不斷積累和完備，可以為船用柴油機可靠性開發與設計提供一定的指導和促進作用。在此基礎上，還可以通過歷史的故障數據，為柴油機的故障與診斷提供信息的支撐，利用故障原因和機理數據建立相應的故障診斷系統，進而提高船用的柴油機可靠性。

五、結語

在船用柴油機可靠性設計中設計大量的試驗，通過試驗獲取的數據可為提高柴油機的可靠性提供信息支持，提升船用柴油機的使用效果與質量。因此對于數據的管理至關重要。通過試驗數據管理系統的應用可實現對試驗數據的全流程管理、試驗中所有涉及相關資源的全資源管理以及全數據管理。通過試驗數據管理系統的應用，可以改善船用柴油機可靠性設計數據管理現狀中存在的試驗數據較為分散且相對獨立、試驗流程信息缺乏完整性、試驗信息的管理缺乏標準、試驗數據缺乏安全性管理等問題。實現對試驗數據中有關數據的集中管理，將試驗中的設備、分析軟件等進行集成，將試驗和分析數據貫穿于整個船用柴油機可靠性設計和研發之中，并通過試驗數據管理系統持續積累試驗經驗，為后續先進技術和分析手段的引入和傳遞提供便利，進而提高使用企業的自主創新能力。

參考文獻

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