基于移動互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備智能維護(hù)管理平臺研究

侯大立， 張 芳

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201418；2.中國石油西氣東輸管道公司，上海 200122)

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，大數(shù)據(jù)和信息化帶來的技術(shù)革命極大的推動了維修模式的變革。在此基礎(chǔ)上，基于移動端APP的工業(yè)控制軟件能夠通過移動互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多種功能，有可能成為一種新型的工業(yè)控制工具，它有助于技術(shù)人員及時(shí)掌握設(shè)備信息，做出科學(xué)維修決策[1]。國內(nèi)外研究人員在這方面也開展了積極的探索，邸鑫鵬等[2]開展了物聯(lián)網(wǎng)與移動互聯(lián)技術(shù)在城市軌道交通設(shè)備維修中的應(yīng)用討論；梁戈義[3]開展了移動互聯(lián)網(wǎng)在汽車維修技術(shù)方面的應(yīng)用探索；HENNIG[4]對工業(yè)APP在維修中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。由于移動互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)較晚，工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用于維修的成熟產(chǎn)品的研發(fā)案例報(bào)道較少。

隨著國內(nèi)對天然氣需求的不斷增長和長輸管道的不斷建設(shè)，作為天然氣長輸管道重要設(shè)施的分輸站日益增多。分輸站的主要功能是進(jìn)行計(jì)量調(diào)壓，如果分輸站調(diào)壓撬發(fā)生故障則可能導(dǎo)致下游用戶斷氣，后果較為嚴(yán)重。因此，對分輸站穩(wěn)定供氣的要求較高，要求分輸站設(shè)備設(shè)施必須長期處于完好運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)分輸站多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，現(xiàn)有調(diào)壓撬、計(jì)量閥等關(guān)鍵設(shè)備的維修主要以傳統(tǒng)的定期維修和事后維修為主，缺乏靈活性和適應(yīng)性，無法消除分輸站的運(yùn)行隱患。

本文以天然氣分輸站為例，綜合運(yùn)用了云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、移動互聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)，采用了阿里云作為云存儲和云計(jì)算服務(wù)器，針對歷史維修數(shù)據(jù)開展視情維修算法研究，通過開發(fā)的APP客戶端推送給相關(guān)技術(shù)人員，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)人員與信息流的雙向交互，改變了傳統(tǒng)的維修管理模式。

1 維修理論與視情維修算法研究

維修是設(shè)備管理的至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。維修是對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和修理的簡稱，維護(hù)是為了確保設(shè)備能夠完成其功能所作的一切工作，而修理是為恢復(fù)設(shè)備期望功能所進(jìn)行的所有活動[5]。也可以說維修就是為保持設(shè)備處于完好工作狀態(tài)所進(jìn)行的一切工作。從時(shí)間歷程上來看，設(shè)備的維修主要經(jīng)歷了基于“事件”的事后維修、基于“時(shí)間”的定期維修及基于“狀態(tài)”的視情維修(含預(yù)防性維修和預(yù)測性維修)3個發(fā)展階段[6]，圖1所示為設(shè)備維修方式的發(fā)展歷程。從事后維修到定期維修，再到當(dāng)前的視情維修是維修發(fā)展的必然之路。

圖1 維修的發(fā)展歷程

早期的天然氣設(shè)備比較簡單，維修也相對容易，維修只是作為一種輔助手段，不會在設(shè)備正常運(yùn)行過程中采取主動的維修措施，只有在設(shè)備出現(xiàn)故障或異常，不能正常運(yùn)行的情況下，才會實(shí)施修理并進(jìn)行故障排除，即事后維修方式。這種方式的缺點(diǎn)是難以避免意外停機(jī)的情況，經(jīng)常需要進(jìn)行搶修，較為被動，目前天然氣分輸站采用的較多為此類維修方式，具有較大的風(fēng)險(xiǎn)性。

隨著設(shè)備自動化程度及復(fù)雜程度不斷提高，因設(shè)備意外停機(jī)所造成的損失也不斷增大，為了降低事后維修的損失和風(fēng)險(xiǎn)，逐漸產(chǎn)生了以“預(yù)防為主”的維修觀念，通過制定設(shè)備維修方案，確定維修時(shí)機(jī)和內(nèi)容，在設(shè)備運(yùn)行過程中主動采取維修活動，以預(yù)防意外停機(jī)發(fā)生的幾率及故障造成的危害。這種“防患未然，提前計(jì)劃”的主動維修觀念即為計(jì)劃性維修方式(或稱定期維修方式)。計(jì)劃性維修以時(shí)間為依據(jù)，可以有計(jì)劃、有準(zhǔn)備地進(jìn)行維修活動，能夠一定程度上避免設(shè)備的意外停機(jī)及故障危害。但是，計(jì)劃性維修根據(jù)的是一批設(shè)備的故障統(tǒng)計(jì)規(guī)律和使用經(jīng)驗(yàn)來確定維修周期的，只依據(jù)設(shè)備的工作時(shí)間，而沒有考慮當(dāng)前設(shè)備實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)及設(shè)備退化過程的隨機(jī)性，缺乏針對性，維修過早(過頻)，容易使系統(tǒng)零部件過多的更換、修理，造成人力、物力的極大浪費(fèi)，頻繁的拆卸會造成額外的人為損害，降低設(shè)備的使用壽命；另一方面，如果維修不及時(shí)，又會使設(shè)備“帶病工作”，引起其他連鎖故障，甚至使系統(tǒng)癱瘓，造成嚴(yán)重后果[7]。采用計(jì)劃維修會不可避免地引起“維修不足”或“維修過?！睂?dǎo)致的潛在風(fēng)險(xiǎn)或額外維修等問題。

近年來以傳感器技術(shù)為代表的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)和以計(jì)算機(jī)為中心的信息處理技術(shù)得到了快速的發(fā)展，這為設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控及運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)處理評估提供了可能。在維修需求牽引及先進(jìn)技術(shù)的推動下，產(chǎn)生了一種通過監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀況，再根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)處理的維修方式，即視情維修方式。它根據(jù)裝備的歷史故障信息和狀態(tài)信息,確定維修時(shí)間和維修方式,盡可能使裝備在故障發(fā)生前的時(shí)刻進(jìn)行維修,降低故障發(fā)生的概率,減少維修過程的資源浪費(fèi)[8]。視情維修近年來得到了廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)在這方面已經(jīng)有一些研究工作,如采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、小波分析等工具,但是這些模型的建立需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[9]。

視情維修最重要的工作內(nèi)容之一是確定設(shè)備的維修周期，而不是根據(jù)固定的運(yùn)行時(shí)間確定維修周期。因此，根據(jù)積累設(shè)備的大修周期情況開展下一次的周期預(yù)測是要解決的核心問題。本項(xiàng)目采用了基于灰色模型的預(yù)測方法，取得了良好的效果。

灰色系統(tǒng)是指“部分信息已知，部分信息未知”的“小樣本”的不確定系統(tǒng)[10]，以灰色模型(GM)為核心的模型體系，它的建模機(jī)理是基于關(guān)聯(lián)空間、光滑離散函數(shù)等概念，定義灰導(dǎo)數(shù)與灰微分方程，進(jìn)而用離散數(shù)據(jù)建立微分方程形式的動態(tài)模型[11]?；疑Ｐ拖啾绕渌惴▽?shù)據(jù)沒有很強(qiáng)的限制，而且精度更高。灰色模型理論已經(jīng)成功到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)等眾多領(lǐng)域，解決了生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究的大量實(shí)際問題。

灰色模型建模過程如下：

令

x(0)=(x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(n))

(1)

為原始數(shù)據(jù)序列，

x(1)=(x(1)(1),x(1)(2),…,x(1)(n))

(2)

為x(0)序列的一次累加數(shù)據(jù)序列，其中

(3)

令z(1)為x(1)的均值序列，

z(1)=(z(1)(2),z(1)(3),z(1)(n)),

z(1)(k)=(1/2)(x(1)(k)+x(1)(k-1))

(4)

得到

x(0)(k)+az(1)(k)=b

(5)

式中：a為發(fā)展系數(shù)，b為灰作用量。

將原始數(shù)據(jù)序列x(0)代入x(0)(k)+az(1)(k)=b，得到

稱此為灰色GM(1,1)模型，改寫矩陣方程為：

(9)

即Y=B·A，由最小二乘法，該矩陣方程的解為：

(10)

將得到的a，b代入灰色GM(1,1)可以得到

(t=0,1,2,…,n-1)

(11)

做累加還原，得到原始數(shù)據(jù)序列的灰色預(yù)測模型為：

(12)

2 移動互聯(lián)網(wǎng)解決方案

該系統(tǒng)軟件架構(gòu)如下圖所示：

圖2 智能管理平臺軟件架構(gòu)

核心架構(gòu)為位于云端的智能服務(wù)器，包括數(shù)據(jù)庫和云計(jì)算功能?？蛻舳藶榛贏ndroid操作系統(tǒng)的APP和基于蘋果IOS系統(tǒng)的APP。主要功能包括人員角色管理、權(quán)限管理、登錄管理、設(shè)備管理、故障代碼管理、視情維修計(jì)算模塊等。

在云端建立設(shè)備管理的數(shù)據(jù)庫和故障庫，基于維修的大數(shù)據(jù)通過預(yù)測性維修核心算法計(jì)算設(shè)備的下一個維修周期，在維修日期之前兩周自動生成工單，通過手機(jī)APP推送給相關(guān)人員,變被動為主動,避免事后維修的造成的設(shè)備停運(yùn)問題。系統(tǒng)的硬件組織架構(gòu)如圖所示：

圖3 智能管理平臺組織架構(gòu)

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

以監(jiān)控調(diào)壓閥為例，介紹APP工作界面。監(jiān)控調(diào)壓閥的閥門膜片是易損件，其后果會直接影響輸氣生產(chǎn)。在前期膜片損壞的積累數(shù)據(jù)上，通過灰色模型計(jì)算下次的維修周期，從而提前處理，避免事后維修帶來的停輸?shù)葒?yán)重后果。系統(tǒng)開發(fā)界面如圖4所示。

圖4 智能管理平臺APP工作界面

技術(shù)人員通過APP接收推送的信息，可以清楚的識別該設(shè)備的位置、詳細(xì)信息、更換記錄等，便于準(zhǔn)備備件，節(jié)省作業(yè)時(shí)間。將被動的事后維修變?yōu)橹鲃拥囊暻榫S修方式，加強(qiáng)了維修的計(jì)劃性，避免了生產(chǎn)停輸?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)，起到了良好的效果。

與原來的維修管理方式相比，現(xiàn)有的維修具有以下幾個明顯的優(yōu)點(diǎn)：

(1)具有更強(qiáng)的維修針對性和更好的計(jì)劃合理性。視情維修也需要安排計(jì)劃(維修決策)，但其計(jì)劃的安排是依據(jù)設(shè)備的實(shí)際情況，在設(shè)備臨近故障前進(jìn)行維修，既能保證避免故障的發(fā)生，又能充分利用設(shè)備的有效壽命，有效克服了因“維修不足”或“維修過?！睂?dǎo)致的潛在風(fēng)險(xiǎn)或額外維修等問題。

(2)具有更強(qiáng)的管理靈活性。通過視情維修的決策可以綜合考慮備品備件、維修資源等各方面的因素，更加靈活地開展各項(xiàng)維修管理工作。

(3)移動APP推送相比傳統(tǒng)的打電話等方式，推送信息更加全面，便于技術(shù)人員查看設(shè)備信息、備件情況和歷史更換記錄，提高工作效率，節(jié)省作業(yè)準(zhǔn)備時(shí)間。

4 結(jié) 語

智能管理系統(tǒng)匯集了云(阿里云)、物(物聯(lián)網(wǎng))、大(維修大數(shù)據(jù))、智(核心算法)、移(移動互聯(lián)網(wǎng)APP)五個核心要素，結(jié)合先進(jìn)的視情維修策略，克服傳統(tǒng)的打電話或PC傳輸信息方式的弊端，初步解決了站場設(shè)備損壞造成設(shè)備停運(yùn)的被動局面，在維修工作中變被動為主動，該系統(tǒng)還有望對臺帳管理、故障統(tǒng)計(jì)分析、備件消耗等功能進(jìn)行進(jìn)一步擴(kuò)展。