基于數(shù)據(jù)分析技術(shù)的設(shè)備管理創(chuàng)新模式淺析

姚佳明 王榮文 夏耀光 葉勝利

（浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310024）

一、簡介

二、設(shè)備管理創(chuàng)新模式的運(yùn)行框架

設(shè)備管理創(chuàng)新模式運(yùn)行框架如圖1所示。通過全面、精準(zhǔn)的在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對整個工藝流程全方位的監(jiān)測，結(jié)合通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)時將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た仉娔X，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控及全套系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲、管理；通過描述統(tǒng)計法、相關(guān)性分析、回歸分析法等數(shù)理統(tǒng)計方法挖掘監(jiān)測數(shù)據(jù)潛在價值，形成符合系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律的科學(xué)結(jié)論，應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，最終從優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行策略、變革設(shè)備維保方式、驅(qū)動設(shè)備創(chuàng)新改進(jìn)3個方面實(shí)現(xiàn)設(shè)備過程控制能力的提升。

三、全面、精準(zhǔn)的監(jiān)測系統(tǒng)是設(shè)備管理創(chuàng)新模式的基礎(chǔ)

全面的監(jiān)測系統(tǒng)包括硬件監(jiān)測系統(tǒng)和軟件監(jiān)測系統(tǒng)。硬件監(jiān)測系統(tǒng)是整套監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)，全面是指監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該覆蓋生產(chǎn)工藝流程的各個環(huán)節(jié)各個節(jié)點(diǎn)，精準(zhǔn)則是指監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該作業(yè)穩(wěn)定、可靠；軟件監(jiān)測系統(tǒng)則是硬件監(jiān)測系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展，是一個高度集成的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對每一臺設(shè)備的遠(yuǎn)程控制以及每一套監(jiān)測設(shè)備反饋數(shù)據(jù)的監(jiān)控，并且結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲、管理。

某煙廠污水處理站的硬件監(jiān)測系統(tǒng)包括水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)、狀態(tài)量監(jiān)測系統(tǒng)、氣體狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)4類，如表1所示。

硬件和軟件監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了污水處理站全方位的監(jiān)控，體現(xiàn)在3個方面：實(shí)現(xiàn)由點(diǎn)到面的系統(tǒng)監(jiān)測、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理。

從污水處理站的入口集水池到經(jīng)過初級處理系統(tǒng)處理后連通市政污水排放管道的中間水池，再到經(jīng)過深度處理系統(tǒng)處理后連接廠區(qū)景觀綠化用水管道的清水池，系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)都配備完善的監(jiān)測設(shè)備，比如集水池有濁度等水質(zhì)指標(biāo)檢測儀、超聲波液位監(jiān)測計、水池進(jìn)口和每個水泵的出口及總管處有流量監(jiān)測系統(tǒng)；監(jiān)測設(shè)備在實(shí)地得到的每一個監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控電腦，一旦現(xiàn)場某個節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)異常情況，技術(shù)人員可以第一時間從遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)得到信息；監(jiān)測技術(shù)結(jié)合通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)則可以實(shí)現(xiàn)全套系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲、管理，為后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析提供源數(shù)據(jù)。

圖1 基于數(shù)據(jù)分析技術(shù)的設(shè)備管理創(chuàng)新模式運(yùn)行框架圖

表1 污水站硬件監(jiān)測系統(tǒng)統(tǒng)計表

四、挖掘數(shù)據(jù)潛在價值是設(shè)備管理創(chuàng)新模式的關(guān)鍵

數(shù)據(jù)是設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的抽象表現(xiàn)形式，可以深刻地反映出設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行的變化趨勢及好壞，因此通過描述統(tǒng)計法、相關(guān)性分析等數(shù)理統(tǒng)計方法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并且挖掘數(shù)據(jù)潛在價值是實(shí)現(xiàn)由監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)力的關(guān)鍵。

1.基于描述統(tǒng)計法的運(yùn)行規(guī)律總結(jié)

描述統(tǒng)計法是通過數(shù)學(xué)方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，并對數(shù)據(jù)的分布狀態(tài)等信息進(jìn)行描述的方法，采用描述統(tǒng)計法對記錄全套系統(tǒng)的歷史運(yùn)行特性的完整數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得到系統(tǒng)運(yùn)行的規(guī)律特性。

如果采用傳統(tǒng)的作業(yè)方式進(jìn)行工作，需要對該局10kV尹地線進(jìn)行停電，會影響到很大部分用戶的正常供電，并且此時節(jié)正值元謀蔬菜收購的最佳時節(jié)，如果大面積停電將會影響到蔬菜的收購和保鮮，直接影響到廣大農(nóng)民群眾的經(jīng)濟(jì)利益。此次帶電作業(yè)不僅沒有停電，并且很大程度的提高元謀供電局帶電作業(yè)的水平，保證了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的供電可靠率和電壓合格率。實(shí)現(xiàn)由“停電檢修”向“能帶電、不停電檢修”方式的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了“不停電才是最好的服務(wù)”目標(biāo)。對提升客戶滿意度做出了實(shí)實(shí)在在的努力。

通過采集每日集水池入口處的流量計監(jiān)測數(shù)據(jù)得到圖2所示的每日污水處理量的統(tǒng)計曲線圖，通過描述統(tǒng)計法總結(jié)得到如下運(yùn)行規(guī)律：

圖2 污水每日處理量統(tǒng)計圖

①日均污水處理量約為T=1135t，最大污水處理量為Qmax=2064t，最小污水處理量為Qmin=233t；②由于停產(chǎn)，周末污水處理量維持在700t/d以下；③日均污水處理量處于1000～1200t范圍內(nèi)的最多，占比22%。

在總結(jié)歷史運(yùn)行規(guī)律的基礎(chǔ)上，從當(dāng)前運(yùn)行數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的對比中，可以發(fā)現(xiàn)異常情況，找到問題根源的可能。

圖3 污水每日處理量統(tǒng)計圖

圖3所示的是中間水池水質(zhì)COD曲線圖，階段Ⅰ的檢測數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，保持在22～25mg/L的微小波動范圍，階段ⅡCOD數(shù)據(jù)呈現(xiàn)逐步上升的趨勢，階段Ⅲ檢測數(shù)據(jù)再次達(dá)到穩(wěn)定，波動更小，基本保持在42mg/L不變，此時的檢測數(shù)據(jù)已不能反映真實(shí)情況，在進(jìn)水水質(zhì)基本不變、加藥量和加藥濃度基本穩(wěn)定、處理設(shè)備正常運(yùn)行的前提下，引起這一問題的最大可能性是檢測探頭表面有雜質(zhì)粘附，影響了正常工作。

2.基于相關(guān)性分析的最佳方案確定

相關(guān)性分析是指對兩個或多個變量進(jìn)行分析，從而衡量變量間的相關(guān)密切程度。

圖4所示的是多次試驗后得到的PAC投加量對COD影響的曲線圖。由圖4可知，PAC的投加量由0.5mg/L遞增到2.0mg/L的過程中，COD由48.2mg/L減小到22.0mg/L；當(dāng)PAC的投加量大于2.2mg/L時，COD值又有一定程度的上升，但上升有限。從實(shí)驗結(jié)果看，PAC投加量控制在1.8～2.0mg/L對控制COD有較好的效果。

圖4 PAC投加量和COD相互關(guān)系曲線圖

3.基于時間序列分析的發(fā)展趨勢預(yù)測

時間序列分析是研究觀測到的時間序列數(shù)據(jù)所遵從的統(tǒng)計規(guī)律的數(shù)理統(tǒng)計方法。通過時間序列分析來預(yù)測發(fā)展趨勢，可以讓技術(shù)人員提前做出更加合理、科學(xué)的決定。

污水處理站PAC藥品的采購需要預(yù)測發(fā)展趨勢：實(shí)際應(yīng)用中，PAC的加藥量和污水處理量存在一定的比例關(guān)系，因此最科學(xué)有效的做法是預(yù)測一段時間內(nèi)的污水處理量來確定藥品消耗量，進(jìn)而確定最低儲藥量、最高儲藥量、采購量等。

在圖2所示的污水處理量統(tǒng)計圖中，進(jìn)一步分析挖掘可以得到一些統(tǒng)計規(guī)律（表2）。

表2 污水處理量統(tǒng)計表

根據(jù)表2的統(tǒng)計結(jié)果，可以大致預(yù)測下一季度的污水最大處理量Qmax、最小處理量Qmin、平均處理量Qp，根據(jù)加藥量和污水量的比例關(guān)系確定最大消耗量Tmax、最小消耗量Tmin、平均消耗量Tp，進(jìn)而確定最大采購量Gmax、最小采購量Gmin、平均采購量Gp。

上述通過描述統(tǒng)計法、相關(guān)性分析、時間序列分析等數(shù)理統(tǒng)計方法對數(shù)據(jù)分析都只是應(yīng)用了最基本、比較簡單的數(shù)據(jù)處理工具，如果進(jìn)行深層次的挖掘，需要用到曲線擬合、參數(shù)估計等工具，在此不再贅述。

五、提升設(shè)備過程控制能力是設(shè)備管理創(chuàng)新模式的目的

采用數(shù)據(jù)分析技術(shù)挖掘反映系統(tǒng)真實(shí)運(yùn)行情況的監(jiān)測數(shù)據(jù)的潛在價值，形成符合系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律的科學(xué)結(jié)論，并將科學(xué)結(jié)論應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐以提升設(shè)備過程控制能力是設(shè)備管理創(chuàng)新模式的目的。提升設(shè)備過程控制能力主要體現(xiàn)在以下3個方面。

1.優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行策略

建立在監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上提煉的科學(xué)結(jié)論提供給技術(shù)人員合理應(yīng)用設(shè)備的科學(xué)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備或者系統(tǒng)效率最大化、能源利用率最大化。

通過歷史數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)規(guī)律：夏季月份的中水消耗量較大，相應(yīng)地自來水的補(bǔ)水量也較大，白天正常的污水處理速度已很難滿足消耗速度的需求。因此，科學(xué)的應(yīng)對措施是：夜班在中水停用的情況下，將整套污水處理系統(tǒng)由末端至前端的水池的水泵啟動液位提高，比如將啟動液位由2m提高到3.5m，起到蓄存水量的作用；白天在中水使用的情況下，降低水泵的啟動液位，由3.5m降低到2m，及時補(bǔ)充末端中水消耗。合理設(shè)定水泵的啟?？刂埔何痪褪窃跍?zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，通過數(shù)據(jù)分析得到的降低自來水補(bǔ)水量的科學(xué)運(yùn)行策略。

2.變革設(shè)備維保方式

目前，普遍采用的是具有計劃性質(zhì)的周期性預(yù)防維修保養(yǎng)，其的缺陷是：每次的維修保養(yǎng)任務(wù)重、時間緊；為了充分保障設(shè)備的正常運(yùn)行，往往零部件的運(yùn)行時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其使用壽命。

現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展及數(shù)據(jù)分析技術(shù)的深入應(yīng)用為維修保養(yǎng)方式的變革提供了科技力量，技術(shù)人員可以通過監(jiān)測技術(shù)直接或者間接地跟蹤設(shè)備的運(yùn)行狀況，通過數(shù)據(jù)分析技術(shù)分析數(shù)據(jù)的變化趨勢，預(yù)測可能的發(fā)展方向。比如可通過入口、出口處壓力差的變化趨勢來判斷盤式過濾器是否有堵塞現(xiàn)象，表3是解決盤式過濾器濾芯定期堵塞的3種維修方法的對比情況。從表3中可知，預(yù)測維修相比預(yù)防維修和事后維修在經(jīng)濟(jì)成本、時間成本上均具有一定的優(yōu)勢。

由此案例可以得出：對于盤式過濾器濾芯的清洗或者更換是一個基于精準(zhǔn)的監(jiān)測技術(shù)基礎(chǔ)上準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析而做出的具有預(yù)測性質(zhì)的維修保養(yǎng)工作。這種維修保養(yǎng)工作避免了計劃性周期保養(yǎng)工作的弊端：由于進(jìn)水水質(zhì)及前端水處理設(shè)備的不同情況會導(dǎo)致進(jìn)入盤式過濾器的水質(zhì)不同，因此不同時間段盤式過濾器的正常運(yùn)行時間及使用壽命本身就不同，具有計劃性的維護(hù)保養(yǎng)工作必定會造成過剩維修或事后維修。

3.驅(qū)動設(shè)備創(chuàng)新改進(jìn)

在上文提到的COD上升的例子中，技術(shù)人員對比歷史運(yùn)行規(guī)律，發(fā)現(xiàn)異常情況，并推測引起COD檢測數(shù)據(jù)上升的最大可能性是檢測探頭表面有雜質(zhì)粘附，經(jīng)過手動清洗探頭后，檢測數(shù)據(jù)恢復(fù)到22mg/L左右波動。通過前、后數(shù)據(jù)曲線圖的對比可以確定：COD檢測數(shù)據(jù)的上升是因為探頭表面粘附雜質(zhì)引起的這一推斷的正確性。

為了解決這一問題，技術(shù)人員采用自動壓縮空氣每隔兩天清洗一次檢測探頭，整個實(shí)驗過程中，中間水池COD檢測數(shù)據(jù)始終處于20～25mg/L的范圍，并沒有出現(xiàn)由于外界因素的影響導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)不斷上升的現(xiàn)象，表明壓縮空氣探頭清洗法是成功的。從這一案例中可以得到如下結(jié)論：由于監(jiān)測數(shù)據(jù)的異常變化引起了技術(shù)人員的注意，推測發(fā)生這一問題的可能性，在實(shí)驗數(shù)據(jù)的對比中確認(rèn)了這個可能性，并找到了解決問題的措施，為創(chuàng)新改進(jìn)提供了科學(xué)依據(jù)，在創(chuàng)新前后的數(shù)據(jù)對比中驗證了科技創(chuàng)新的成功。

六、結(jié)語

①全面、精準(zhǔn)的監(jiān)測系統(tǒng)是設(shè)備管理創(chuàng)新模式的基礎(chǔ)；②挖掘數(shù)據(jù)潛在價值是設(shè)備管理創(chuàng)新模式的關(guān)鍵；③提升設(shè)備過程控制能力是設(shè)備管理創(chuàng)新模式的目的。應(yīng)用數(shù)據(jù)分析技術(shù)挖掘基于完善、精準(zhǔn)監(jiān)測系統(tǒng)基礎(chǔ)上的監(jiān)測數(shù)據(jù)，形成科學(xué)結(jié)論應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行策略、變革設(shè)備維保方式、驅(qū)動設(shè)備創(chuàng)新改進(jìn)的目的，結(jié)合水泵啟停控制液位的科學(xué)設(shè)定、盤式過濾器濾芯定期堵塞問題的解決、水質(zhì)檢測車探頭清洗裝置的研發(fā)等實(shí)例驗證了該管理模式的可行性、有效性、正確性。

表3 3種維修方式對比表

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