特種設備制造物聯(lián)及全生命周期管理技術(shù)與應用架構(gòu)研究

李 娟，劉麗梅，郭新鵬，尹作重，杜 峻

LI Juan1, LIU Li-mei1, GUO Xin-peng1, YIN Zuo-zhong2, DU Jun2

（1.山東省射頻識別應用工程技術(shù)研究中心有限公司，濟南 250014；2.北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

0 引言

特種設備是指對人身和財產(chǎn)安全有較大危險性的鍋爐、壓力容器（含氣瓶）、壓力管道、電梯、起重機械、客運索道、大型游樂設施、場（廠）內(nèi)專用機動車輛[1]。其中鍋爐、壓力容器（含氣瓶）、壓力管道為承壓類特種設備；電梯、起重機械、客運索道、大型游樂設施、場（廠）內(nèi)專用機動車輛為機電類特種設備。特種設備廣泛應用于石油、化工、電力、機械、冶金、船舶、交通、輕工、建材和醫(yī)藥等傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域和航天航空等現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域以及人們的日常生活，在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中發(fā)揮著重要的基礎性作用。

圖1 特種設備制造物聯(lián)與全生命周期管理技術(shù)架構(gòu)

根據(jù)國家特種設備安全法，國家對特種設備實施全過程管理，涉及生產(chǎn)（包括設計、制造、安裝、改造、修理）、使用、經(jīng)營、檢驗和檢測等環(huán)節(jié)。當前以傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)為手段的特種設備信息化系統(tǒng)應用已較為成熟，如作為特種設備安全監(jiān)察部門的國家質(zhì)檢總局各省級質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督部門建設了金質(zhì)工程系統(tǒng)，提高了監(jiān)察工作的有效性。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，電梯、氣瓶和起重機械等特種設備使用單位也逐步引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，極大的提升了特種設備的使用安全管理水平。上述應用均以特種設備制造后的管理需求為主，鮮少有基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特種設備制造環(huán)節(jié)以及特種設備全生命周期管理應用。

本文從特種設備制造環(huán)節(jié)入手，研究特種設備制造物聯(lián)與全生命周期管理技術(shù)架構(gòu)，并分析提出典型應用架構(gòu)與應用模式，為開展相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)研究與應用提供參考。

1 特種設備制造物聯(lián)與全生命周期管理技術(shù)架構(gòu)

制造物聯(lián)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和概念在制造領(lǐng)域應用和滲透的產(chǎn)物。文獻[2,3]認為制造物聯(lián)是一種新的制造模式，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用于產(chǎn)品制造以及全生命周期，通過網(wǎng)絡、嵌入式、RFID和傳感器等電子信息技術(shù)與制造技術(shù)相融合，實現(xiàn)對產(chǎn)品制造與服務過程及全生命周期中制造資源與信息資源的動態(tài)感知、智能處理與優(yōu)化控制、工藝和產(chǎn)品的創(chuàng)新等。

本文結(jié)合特種設備行業(yè)特點，綜合制造物聯(lián)的相關(guān)概念，提出特種設備制造物聯(lián)的定義，即：利用智能物件、網(wǎng)絡、嵌入式、RFID和傳感器等技術(shù)手段獲取特種設備制造等全生命周期內(nèi)與產(chǎn)品相關(guān)的數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)的匯聚、處理、挖掘、轉(zhuǎn)化和分享，實現(xiàn)全生命周期內(nèi)產(chǎn)品流、信息流的閉環(huán)管理, 挖掘特種設備制造業(yè)信息化向特種設備生命周期下游延伸的價值增值模式，以及特種設備生命周期向制造環(huán)節(jié)的后向反饋模式，從而為特種設備制造環(huán)節(jié)提升效率和質(zhì)量提供支撐，綜合協(xié)調(diào)質(zhì)量（Q）、安全（S）、成本（C）、能源（E）、資源（R）等要素，滿足特種設備行業(yè)安全與節(jié)能管理需要。

基于上述概念，研究提出如圖1所示的特種設備制造物聯(lián)與全生命周期管理技術(shù)架構(gòu)。

該架構(gòu)將特種設備的全生命周期分為三個階段：制造、在用、報廢。其中，制造階段涵蓋設計環(huán)節(jié)在內(nèi)，同時還涉及駐廠監(jiān)檢的管理，以及缺陷產(chǎn)品的召回管理等；在用階段包括：安裝、使用、檢驗、修理和改造等多個環(huán)節(jié)；報廢主要指特種設備使用期限到期或是經(jīng)檢驗達到報廢標準的情況，包括報廢、回收等環(huán)節(jié)。

1）在制造、使用、檢驗等不同環(huán)節(jié)，將制造管理與工藝，自動化生產(chǎn)線、智能裝置、移動裝置等現(xiàn)場已有設施設備及裝置等，實現(xiàn)與RFID等制造物聯(lián)技術(shù)的集成應用，充分利用已有的信息化資源，達到集約化建設的目標。

2）RFID、傳感、智能終端、GPS/GPRS等是基礎的物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)，通過對物理實體的標識、感知等，實現(xiàn)物理實體關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實時采集與獲取，是聯(lián)接物理實體層與虛擬服務的紐帶。

3）實時感知采集的數(shù)據(jù)傳輸通過WIFI、3G、4G、光纖以及其他網(wǎng)絡載體得以實現(xiàn)，根據(jù)不同的應用場合選擇不同的網(wǎng)絡傳輸技術(shù)，如在不易部署有線網(wǎng)絡的場所，可選用WIFI或3G、4G等移動通信技術(shù)。

4）在物理實體、感知、傳輸之上，特種設備全生命周期的管理應用之下，需要關(guān)鍵技術(shù)的支撐，主要包括：全生命周期管理技術(shù)、制造物聯(lián)集成應用技術(shù)、制造物聯(lián)感知信息處理挖掘技術(shù)、風險評估與預警技術(shù)、高安全等級數(shù)據(jù)采集技術(shù)等。

5）網(wǎng)絡層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在匯聚至跟蹤管理與服務平臺之前，經(jīng)過服務組件與設備組件處理，以便過濾冗余數(shù)據(jù)、進行數(shù)據(jù)重裝，減少跟蹤管理與服務平臺的數(shù)據(jù)處理壓力。

6）跟蹤管理與服務平臺匯聚特種設備物理實體相關(guān)的數(shù)據(jù)，面向制造、在用、報廢等環(huán)節(jié)實現(xiàn)信息化管理，制造環(huán)節(jié)主要滿足制造質(zhì)量與流程管理、缺陷產(chǎn)品召回等管理需求；在用環(huán)節(jié)主要滿足使用、安裝、維修、檢驗等實時監(jiān)測、動態(tài)管理等需求；報廢環(huán)節(jié)主要滿足特種設備及其關(guān)鍵零部件報廢管理等需求。

7）利用RFID等制造物聯(lián)技術(shù)實現(xiàn)制造、在用、報廢三個環(huán)節(jié)內(nèi)部的閉環(huán)管理。三個節(jié)點之間通過RFID等紐帶技術(shù)實現(xiàn)關(guān)鍵信息的交互，從而實現(xiàn)特種設備全生命周期的開環(huán)管理。

圖2 特種設備制造物聯(lián)與全生命周期管理應用框架

8）標準體系、安全體系為整個技術(shù)與應用提供支撐和保障。利用標準體系，在感知層面規(guī)范感知數(shù)據(jù)格式及內(nèi)容，在應用層面規(guī)范節(jié)點內(nèi)部、不同節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸格式及內(nèi)容，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通與共享服務。利用安全體系，從物理安全、數(shù)據(jù)安全、網(wǎng)絡安全、應用安全等多個方面，保障特種設備制造物聯(lián)與全生命周期管理應用的安全性。

2 特種設備制造物聯(lián)與全生命周期管理應用分析

基于上述技術(shù)架構(gòu)并參考文獻[4]，提出如圖2所示的特種設備制造物聯(lián)與全生命周期管理應用框架，從管理對象、管理環(huán)節(jié)、管理內(nèi)容的緯度，對相關(guān)應用進行了細分。以下重點從管理環(huán)節(jié)、管理內(nèi)容結(jié)合的二維視角，將管理內(nèi)容向管理環(huán)節(jié)進行映射，深入分析特種設備制造物聯(lián)與全生命周期管理的典型應用架構(gòu)與模式。

2.1 制造管理

特種設備制造流程復雜，且對質(zhì)量控制要求較高。以壓力容器等承壓類特種設備制造為例，其工藝流程包括：下料-成型-焊接-無損檢測-組對、焊接-無損檢測-熱處理-耐壓實驗等。以電梯等機電類特種設備制造為例，其制造過程包括：原材料（鑄件、冷熱軋板、電器元件、曳引機、牽引材料）入廠、檢驗、入庫；板材（電梯轎廂等箱壁擋板）加工；裝飾件（吊頂、四壁花紋）加工；牽引材料（牽引鋼索、載重砝碼）加工；電器控制箱等電器設備的加工裝配；關(guān)鍵部件的精加工、裝配、性能和安全檢驗；電器控制部件性能和安全檢驗；包裝、裝運；結(jié)合建筑安裝調(diào)試；安裝調(diào)試完畢后正式運行和日常維護檢驗維修。

圖3 特種設備制造管理應用架構(gòu)

特種設備構(gòu)成的零部件及工序較多即典型的離散制造的特點，此外，特種設備離散制造的特點還表現(xiàn)在：1）按訂單生產(chǎn)，如電梯制造，根據(jù)產(chǎn)品外觀、尺寸、性能參數(shù)、型號規(guī)格按客戶需求生產(chǎn)。2）小批量、多品種，不同的特種設備制造工藝、尺寸、外觀等不盡相同，且訂單生產(chǎn)量較小。3）生產(chǎn)周期長，不同的特種設備其生產(chǎn)周期從2周、2個月等不等[5]。4）質(zhì)量要求嚴格，產(chǎn)品的各個關(guān)鍵零部件需要經(jīng)過嚴格的質(zhì)量檢驗，特種設備成品也有嚴格的質(zhì)量標準、技術(shù)規(guī)范和檢驗要求。

因而，特種設備制造管理應用主要側(cè)重于：原材料/關(guān)鍵零部件跟蹤管理、在制品跟蹤制造過程監(jiān)控與管理、質(zhì)量控制等應用，應用架構(gòu)如圖3所示。

利用RFID、傳感器、嵌入式技術(shù)等，實現(xiàn)制造工序間的有效串聯(lián)與銜接，與在制品生產(chǎn)相關(guān)的物料、設備、人員在內(nèi)的所有工廠資源的有效地跟蹤、管理和控制，以達到縮短生產(chǎn)周期、減少誤操作、降低運營成本等生產(chǎn)過程控制的目的。具體應用描述如下：

1）原材料/關(guān)鍵零部件跟蹤管理。利用RFID電子標簽，實現(xiàn)對物料/關(guān)鍵零部件出入庫管理，原材料/關(guān)鍵零部件的批次/個體在生產(chǎn)線上傳遞、信息的采集、記錄、跟蹤、整理、分析和共享等信息管理功能，以便進行關(guān)鍵零部件的跟蹤管理及與在制品之間的關(guān)聯(lián)。

2）制造過程管理。利用在制品RFID電子標簽，集成企業(yè)已有信息系統(tǒng)，實現(xiàn)對在制品（正在制造的產(chǎn)品，包括構(gòu)件、半成品、產(chǎn)成品等）的生產(chǎn)批次/個體在生產(chǎn)線上的過程狀況的采集和記錄，建立產(chǎn)品個體實時檔案，并實現(xiàn)對產(chǎn)品記錄追加、跟蹤、反饋、整理、分析和共享等信息管理功能，重點實現(xiàn)特種設備產(chǎn)品在制過程的信息管理（物料、人員、工藝參數(shù)、工序和檢驗結(jié)果等）和“批次產(chǎn)品”在制過程的信息管理（批號、進度和品質(zhì)等）。

3）質(zhì)量控制。每個工序完成之后，由檢驗人員對該工序的質(zhì)量進行檢驗，利用多源感知技術(shù)的數(shù)據(jù)采集裝置，與檢驗設備進行連接獲取具體的檢驗結(jié)果，并將在制品/產(chǎn)品的標簽信息進行更新。

制造管理應用的關(guān)鍵是基于RFID的智能物件技術(shù)，是對產(chǎn)品靜態(tài)、動態(tài)數(shù)據(jù)及其環(huán)境參數(shù)進行識別、采集、處理和傳輸?shù)募夹g(shù)，主要包括：RFID電子標簽、天線及閱讀器、智能嵌入技術(shù)、無線網(wǎng)絡傳感器技術(shù)、產(chǎn)品信息識別網(wǎng)絡技術(shù)、數(shù)據(jù)安全技術(shù)等[6]。

針對特種設備行業(yè)應用上述應用的實現(xiàn)的基礎性技術(shù)為智能物件技術(shù)。智能物件技術(shù)中的RFID電子標簽技術(shù)是基礎的基礎，RFID電子標簽涉及到編碼與自動識別的標識技術(shù)。針對特種設備制造管理的不同階段，可采用不同的標識模式，如：針對在制階段的摘掛式、倉儲（出入庫）階段的點貨式[7]；針對不同的管理對象，如在制品、制成品、生產(chǎn)人員等，采用不同顆粒度的標識標簽，如托盤標簽、批次標簽、單品標簽和人員標簽等。

2.2 在用過程管理

在用過程管理主要滿足對于特種設備使用過程安全管理的需求和要求，主要利用智能物件技術(shù)、傳感技術(shù)等，實現(xiàn)特種設備在用過程關(guān)鍵環(huán)節(jié)（如維護保養(yǎng)、修理、檢驗等）的動態(tài)管理，為開展數(shù)據(jù)分析、反饋制造環(huán)節(jié)改進產(chǎn)品質(zhì)量提供數(shù)據(jù)支持，如圖4所示。具體應用實現(xiàn)以典型承壓類特種設備（氣瓶）、機電類特種設備（電梯）為例進行詳細闡述。

承壓類特種設備（氣瓶）氣瓶的在用節(jié)點的重要環(huán)節(jié)包括：充裝、使用、檢驗，基于RFID技術(shù)，實現(xiàn)以下應用：充裝環(huán)節(jié)利用RFID電子標簽、RFID讀寫器實現(xiàn)對氣瓶信息的確認，以此作為實現(xiàn)自動充裝的鑰匙，杜絕非法安裝、超期使用等具有安全隱患氣瓶的充裝[8]。使用環(huán)節(jié)利用RFID電子標簽，實時掌握使用單位自有產(chǎn)權(quán)氣瓶的流向、數(shù)量等動態(tài)管理，減少氣瓶丟失等造成的損失。檢驗環(huán)節(jié)實現(xiàn)更新氣瓶RFID電子標簽中存含有的氣瓶檢驗信息（如檢驗結(jié)果、下次檢驗日期等）。

機電類特種設備（電梯）在用階段的重要環(huán)節(jié)包括：安裝、使用、維護保養(yǎng)、檢驗，利用RFID、傳感器、嵌入式控制技術(shù)等，主要實現(xiàn)以下應用：安裝環(huán)節(jié)利用RFID電子標簽記錄電梯安裝信息,用于在電梯使用過程中發(fā)生故障或事故時，回溯到安裝環(huán)節(jié)的相關(guān)信息，有利于責任劃分或認定。使用環(huán)節(jié)利用傳感器、實時感知與數(shù)據(jù)采集終端，對電梯事故進行有效的預測、預報對電梯故障進行快捷搶修，從而保證電梯安全有效地運行，降低電梯事故發(fā)生的頻率，減少電梯事故損失[9]。維護保養(yǎng)環(huán)節(jié)利用智能終端、移動互聯(lián)網(wǎng)等手段，實現(xiàn)現(xiàn)場維保，實時理新電梯電子標簽中有關(guān)維護保養(yǎng)的信息，并將維護保養(yǎng)數(shù)據(jù)實時上傳。檢驗環(huán)節(jié)，利用RFID技術(shù)更新電梯電子標簽中的檢驗信息（檢驗結(jié)果、下次檢驗日期等）。

2.3 報廢管理

特種設備到達使用年限或經(jīng)檢驗無法再繼續(xù)使用時，應對特種設備進行報廢及回收管理，以杜絕存在安全隱患的特種設備在市場上的繼續(xù)流通使用。

特種設備報廢管理可利用RFID技術(shù)實現(xiàn)，通過RFID存儲產(chǎn)品的所有重要數(shù)據(jù)，如物品信息、來源信息、生產(chǎn)過程信息、產(chǎn)品屬性、危險因素和物品回收等，并跟蹤整個回收過程，進行報廢、回收處理的企業(yè)根據(jù)回收到的產(chǎn)品RFID標簽信息分離出可再用和不可再用部件，以更好地應對環(huán)保法規(guī)要求，同時降低企業(yè)成本[4]。

圖4 特種設備全生命周期信息流

2.4 全生命周期管理

特種設備全生命周期管理通過制造物聯(lián)技術(shù)實現(xiàn)對特種設備全過程中的追蹤以及信息的采集，實現(xiàn)從設計到報廢的閉環(huán)控制，形成“物—數(shù)據(jù)—信息—知識—智慧—服務—人—物”的循環(huán)?；谔胤N設備全生命周期管理的循環(huán)，典型應用包括：

1）質(zhì)量追溯

質(zhì)量追溯是指通過所記錄的標識，追溯一個產(chǎn)品或活動的歷史、應用情況或所處位置的能力，包括原料或部件的來源、產(chǎn)品的加工歷史、產(chǎn)品配送過程中的流通和位置等，質(zhì)量追溯分為正向追溯和反向追溯[10,11]。

特種設備質(zhì)量追溯基于RFID技術(shù)實現(xiàn)，沿循特種設備全生命周期鏈條進行追蹤管理，實現(xiàn)對特種設備生產(chǎn)、使用、檢驗、檢測等環(huán)節(jié)的信息追溯、產(chǎn)品流向追溯等。特種設備正向追溯即從特種設備制造開始與特種設備生命周期鏈條的方向一致，對特種設備原材料、制造至報廢等各環(huán)節(jié)動態(tài)等進行標識與追蹤，形成特種設備全生命周期的信息圖譜。特種設備反向追溯即當特種設備某個環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)隱患或缺陷時，通過與關(guān)聯(lián)的環(huán)節(jié)進行反向的查詢，追溯不合格的原材料或零部件及其對應的產(chǎn)品信息，追溯發(fā)生隱患或缺陷的原因、責任人等。

2）缺陷特種設備召回

缺陷特種設備是指“存在危及安全的同一性缺陷”，是指由于設計、制造、標識等原因?qū)е碌耐慌巍⑿吞柣蛘哳悇e的特種設備產(chǎn)品中普遍存在的不符合保障人身、財產(chǎn)安全的安全技術(shù)規(guī)范及標準的情形，或者其他危及安全的不合理的危險[12]。特種設備缺陷可能源于設計、材料、結(jié)構(gòu)、制造（包括改造維修）、安裝（包括大型設備現(xiàn)場組裝）、環(huán)境、防護裝置等多方面的因素。

缺陷特種設備召回由特種設備生產(chǎn)企業(yè)主動召回或由政府主導的指令召回。主動召回的程序一般包括：缺陷特種設備的認定，制造召回計劃并向主管部門備案，實施召回計劃并向主管部門提交召回結(jié)果報告。主管部門經(jīng)調(diào)查、檢驗、鑒定確定特定產(chǎn)品存在缺陷，而生產(chǎn)單位又拒不召回的，由主管部門實施指令召回的程序。

召回計劃的制定應包括缺陷產(chǎn)品的類別、批次、分布區(qū)域等。特種設備缺陷產(chǎn)品召回以全生命周期的質(zhì)量追溯為支持，利用質(zhì)量追溯的完備信息，從而準確、快速定位，實現(xiàn)快速、精準、低成本的召回。

3）特種設備風險評價與預警

對于特種設備行業(yè)而言，開展特種設備全生命周期管理的終極目標在于為特種設備安全管理提供支撐。基于特種設備全生命周期的數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)模式數(shù)據(jù)挖掘與分析，為特種設備提升質(zhì)量和安全管理水平提供支持。

基于大數(shù)據(jù)的風險評價與預警以特種設備制造、使用、檢驗、監(jiān)管等特種設備全生命周期各環(huán)節(jié)及其內(nèi)部的操作流程為模型，以采集到的特種設備全生命周期及其內(nèi)部的設備、人員、管理和環(huán)境等方面的數(shù)據(jù)為驅(qū)動，以定性、定量相結(jié)合的方法描述特種設備及特種設備全生命周期各環(huán)節(jié)的風險情況，實現(xiàn)特種設備風險評價與溯源，從而達到識別特種設備風險、評定特種設備風險等級、追溯特種設備事故原因的目的；基于風險分析結(jié)果，開展前兆預警技術(shù)研究，助力實現(xiàn)特種設備“預防為主”的安全管理模式，提出特種設備風險防控措施，模擬分析、量化防控措施的實施效果及實施成本效益，提高特種設備安全管理的實施效益、效率和效果。

3 結(jié)束語

本文研究提出特種設備制造物聯(lián)及全生命周期管理技術(shù)架構(gòu)、制造管理應用架構(gòu)及全生命周期應用模式，旨在以RFID等制造物聯(lián)技術(shù)為紐帶，溝通特種設備全生命周期各個環(huán)節(jié)，推動特種設備行業(yè)發(fā)展：從制造環(huán)節(jié)的過程管理、質(zhì)量控制入手，將特種設備使用、檢驗、報廢等各個環(huán)節(jié)納入物聯(lián)管理，提升特種設備全生命周期管理效能，實現(xiàn)各環(huán)節(jié)動態(tài)聯(lián)動；通過制造物聯(lián)與全過程管理，形成特種設備全生命周期圖譜，為特種設備的追溯、召回等提供支撐；通過數(shù)據(jù)挖掘，分析，為提升特種設備制造效率、產(chǎn)品質(zhì)量、安全管理水平等提供決策參考。

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