船舶裝備維修信息系統(tǒng)的設計與研究

王 萍,張朋坤

(海軍青島雷達聲納修理廠,山東 青島 266100)

伴隨著信息技術的飛速發(fā)展，大量現(xiàn)代化、信息化裝備逐漸被應用，船舶裝備信息化建設穩(wěn)步推進。在裝備維修過程中產生了大量的業(yè)務、維修數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)能夠真實地反映裝備特點與維修保障規(guī)律。但目前針對船舶裝備維修數(shù)據(jù)管理的相關研究工作仍然比較落后，存在數(shù)據(jù)獨立分散、系統(tǒng)結構設計混亂、數(shù)據(jù)分析方法簡單等一系列問題，既浪費了珍貴的一手保障數(shù)據(jù)和珍貴的保障資源，又影響整體信息化建設水平[1]。因此，建設一套以信息技術為核心的船舶裝備維修信息系統(tǒng)，高效、精確地管理船舶裝備維修數(shù)據(jù)，探索分析保障規(guī)律，實現(xiàn)保障資源向待維修裝備聚集，已經(jīng)成為目前船舶裝備維修保障的一項重要研究課題。

1 國內研究現(xiàn)狀

目前，國內關于船舶裝備維修信息系統(tǒng)的相關技術研究正逐步發(fā)展。李文俊總結分析了裝備保障信息系統(tǒng)的現(xiàn)狀與存在的問題，并對未來發(fā)展方向進行了綜述與展望[2]；代冬升與王躍利等對裝備保障信息系統(tǒng)集成框架進行了設計與研究[3]；李振舉等對基于信息系統(tǒng)的裝備保障體系結構進行規(guī)劃與設計，提出了體系建設的相關措施[4]；張居可與魏海平以B/S模式作為數(shù)據(jù)實現(xiàn)基礎框架，采用三層數(shù)據(jù)體系結構，分別實現(xiàn)了后勤裝備維修信息系統(tǒng)與裝備保障信息系統(tǒng)的設計與建設[5-6]；吳國富[7]研究設計裝備維修管理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)了裝備維修信息管理、維修工具管理和維修人員管理等功能。但從總體來看，目前維修信息系統(tǒng)存在以下3點不足。

1)船舶各專業(yè)裝備維修信息系統(tǒng)之間缺乏互用、連通與數(shù)據(jù)共享。由于缺乏統(tǒng)一的建設標準和規(guī)范，導致各信息系統(tǒng)相互獨立，技術體制、技術標準、數(shù)據(jù)格式等不能統(tǒng)一，形成了很多信息化系統(tǒng)“煙囪”，并且由于技術體制不一致，增大了后期維護難度，導致大多數(shù)船舶裝備維修信息系統(tǒng)由于缺乏相應的及時更新與維護而被停止使用。

3)數(shù)據(jù)分析方法簡單，與前沿科技理論的融合不夠緊密。隨著大數(shù)據(jù)分析技術、云計算和智能AI等先進技術得到充分發(fā)展，已經(jīng)成功運用在生產、生活的眾多領域，但在船舶裝備維修信息系統(tǒng)領域的應用研究還處于起步階段。因此，促進船舶裝備維修信息系統(tǒng)與先進數(shù)據(jù)分析技術及人工智能AI的融合與發(fā)展，是實現(xiàn)船舶裝備維修實力跨越式發(fā)展的重要途徑[8]。

2 船舶裝備維修信息系統(tǒng)體系結構

船舶裝備維修信息系統(tǒng)體系結構包含數(shù)據(jù)標準規(guī)范、數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)管理與智能輔助決策平臺等模塊。船舶裝備維修信息系統(tǒng)體系結構見圖1。

圖1 船舶裝備維修信息系統(tǒng)體系結構

其中，維修業(yè)務系統(tǒng)主要實現(xiàn)維修流程的優(yōu)化、信息系統(tǒng)的集成與完善。通過改進傳統(tǒng)手工填報方式和單一簡單的維修保障管理模式，提高船舶裝備維修效率。維修流程的優(yōu)化應當聚焦對船舶裝備維修各項業(yè)務頂層結構的梳理與規(guī)劃，發(fā)揮船舶裝備維修信息化系統(tǒng)的特點與優(yōu)勢，優(yōu)化重建維修業(yè)務流程，明確各部門職責分工，規(guī)范單據(jù)等文件填報格式，將手工作業(yè)與智能終端輔助作業(yè)進行技術整合。同時，維修信息系統(tǒng)的集成與完善應當按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)規(guī)范標準，按照新的業(yè)務需求梳理現(xiàn)有專業(yè)的信息系統(tǒng)功能，對各類系統(tǒng)進行綜合集成、升級改造或配套研發(fā)，實現(xiàn)維修信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路順暢銜接維修單位、修理工間、故障單位以及各級業(yè)務機關等各主體，使其功能范圍涵蓋各類裝備、設施設備、器材物資、維修人員等信息的自動化采集數(shù)據(jù)對接，以及計劃擬制、報批審核、維修保養(yǎng)、裝備送修、器材籌儲供等各環(huán)節(jié)，實現(xiàn)船舶裝備維修全程動態(tài)跟蹤和逆向追溯[9]。

3 船舶裝備維修信息系統(tǒng)的設計與研究

3.1 數(shù)據(jù)基礎與標準化模塊

數(shù)據(jù)基礎與標準規(guī)范的配套建設是船舶裝備維修信息化建設的基礎工作，只有建立標準的基礎規(guī)范，才能保證船舶裝備維修信息系統(tǒng)得到有效準確的數(shù)據(jù)信息，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與流通。通過完善各類技術標準、物資編目等基礎性工作，梳理分類基礎數(shù)據(jù)，并建立基礎數(shù)據(jù)更新機制；完善各類數(shù)據(jù)編寫、數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)標識、交互協(xié)議等標準規(guī)范，為后續(xù)各項建設提供基礎規(guī)范支撐。

各類基礎數(shù)據(jù)主要包括各類物資編碼、技術資料目錄、專業(yè)人員目錄、單位目錄、承修資質目錄、故障目錄、故障模塊目錄等。各類標準規(guī)范包括船舶裝備信息數(shù)據(jù)規(guī)范(規(guī)范各類基礎數(shù)據(jù)的結構、要素、屬性等內容)、數(shù)據(jù)交互接口規(guī)范、自動識別規(guī)范、修理標準以及庫存標準等。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

3.2.1 維修信息原始數(shù)據(jù)的采集途徑

數(shù)據(jù)是信息化的關鍵要素，而數(shù)據(jù)采集則是實現(xiàn)船舶裝備維修信息化建設的重要前提。壽命周期各階段的一切活動都是維修性數(shù)據(jù)的產生源，所以，維修性數(shù)據(jù)的來源貫穿于船舶裝備制造、試驗、使用、維護、維修的整個過程。但最重要的是使用中的故障數(shù)據(jù)、維護、修理紀錄及故障排除紀錄等。

老賈來之前本來就是想著要做生意。古董這行宜早不宜遲，機會稍縱即逝。所以他身上現(xiàn)金票據(jù)一應俱全。兩人也不拖泥帶水，當桌就一手交錢一手交貨，老賈再開出單據(jù)，交易不一會兒就完成了。之后，老賈打開盒子把錢幣倒在飯桌上，讓孟導自己挑五枚帶走，自己則從包里拿出各種卡尺和工具，也趁著功夫測量起錢的尺寸。

維修原始信息的來源和途徑主要有：①維修活動的原始紀錄；②積累的文件檔案和資料；③在維修工作現(xiàn)場直接了解的情況；④相關單位提供或查詢到的材料。

3.2.2 維修信息原始數(shù)據(jù)的采集手段

數(shù)據(jù)采集是在船舶裝備維修數(shù)據(jù)庫模型的基礎上，具備為用戶提供維修數(shù)據(jù)的自動導入、手工維護等手段。主要通過以下2種方式實現(xiàn)。

一種是自動化數(shù)據(jù)采集模式，通過船舶裝備維修各環(huán)節(jié)原始數(shù)據(jù)的自動化高效采集，大大提高采集的效率和質量。主要運用圖形碼、射頻識別裝置(電子標簽)、存儲卡、智能卡、機內檢測系統(tǒng)等物聯(lián)網(wǎng)技術，將維修器材、維修設備、技術資料等信息，以及器材在儲在運信息、業(yè)務單據(jù)信息等各類原始數(shù)據(jù)快速、標準、動態(tài)地采集上來。

另一種是手動維護采集方式。主要是對船舶裝備技術狀態(tài)檢查、故障修理要素(故障項目、故障現(xiàn)象、故障原因、故障模塊、維修人員、工時等)、器材消耗種類數(shù)量等作業(yè)信息，以及維修實力、承修資質等數(shù)據(jù)進行人工錄入采集。

為便于錄入，使收集更方便、精準、有序，需將收集到的維修信息制成表格。

3.3 數(shù)據(jù)管理與智能輔助決策平臺

數(shù)據(jù)管理與智能輔助決策平臺采用先進的數(shù)據(jù)庫管理技術與人工智能算法，實現(xiàn)維修數(shù)據(jù)的維護、瀏覽、檢索查詢、導入導出以及數(shù)據(jù)分析、故障智能研判等功能，完成維修資源可視化管理和智能優(yōu)化調控，達到精確維修的效果。數(shù)據(jù)管理與智能輔助決策平臺組成結構如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)管理與智能輔助決策平臺組成結構

3.3.1 維修信息數(shù)據(jù)管理模塊

維修信息數(shù)據(jù)管理模塊的用途是支持系統(tǒng)維修信息數(shù)據(jù)管理的擴充性和靈活性，主要實現(xiàn)維護審核、查詢?yōu)g覽、導入導出功能。

維修信息數(shù)據(jù)審核是數(shù)據(jù)匯總之前必須采取的措施之一，對保持維修信息數(shù)據(jù)整體上的有效性，具有很大幫助。數(shù)據(jù)審核模塊主要實現(xiàn)維修信息數(shù)據(jù)的日常檢查、對將要入庫或已入庫的數(shù)據(jù)提供專項或整體的合法性、完整性和一致性檢查，并給出報告提示，同時具備清理非法數(shù)據(jù)的功能。

維修信息數(shù)據(jù)查詢模塊主要作用：①實現(xiàn)對維修對象的基本情況、船舶裝備實力和狀況等相關信息的查詢；②實現(xiàn)對維修單位、維修人員、維修設備和資質等基本情況的查詢；③實現(xiàn)對維修資料和相關維修信息的查詢；④實現(xiàn)對當前故障裝備、維修進度等相關情況的查詢；⑤實現(xiàn)對歷史故障、維修紀錄、消耗器材等相關情況的查詢。

維修信息導入導出模塊主要實現(xiàn)船舶裝備維修信息數(shù)據(jù)庫內數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)庫外數(shù)據(jù)的導入、匯總、導出，包括船舶裝備維修資料收集導入、資料匯總和資料導出等功能。其中：船舶裝備維修資料導入是將查詢到的信息導入、保存；資料匯總是將提供資料匯總、合并；資料導出是將資料內容導出為標準格式文件(word、excel)或打印輸出。

3.3.2 維修信息數(shù)據(jù)分析模塊

運用云計算、人工智能等技術進行數(shù)據(jù)深入挖掘分析，探索船舶裝備維修內在規(guī)律，實現(xiàn)故障預測功能，指導完善船舶裝備維修業(yè)務系統(tǒng)，使之更加貼合實際需求，提高船舶裝備維修效率。

船舶裝備維修信息數(shù)據(jù)分析主要實現(xiàn)以下功能：①通過對維修單位情況、承修資質級別、維修人才隊伍技術能力、維修設施配套建設等數(shù)據(jù)的研究與分析，可輔助維修單位全面掌握實際裝備維修能力，明確船舶裝備維修能力建設發(fā)展方向；②通過對裝備型號、整體結構、性能狀態(tài)等數(shù)據(jù)的整理與分析，輔助修理人員快速掌握裝備特點與性能狀態(tài)，提升修理效率；③通過對故障類型、故障發(fā)生頻率、排故進度與方法以及消耗器材種類、數(shù)量與金額等數(shù)據(jù)的整理與研究，可實現(xiàn)船舶裝備故障數(shù)據(jù)的可視化分析，實現(xiàn)故障預測與分析、關重件壽命周期監(jiān)控與管理等功能。

3.3.3 智能輔助決策模塊

智能輔助決策模塊主要依托神經(jīng)網(wǎng)絡深度學習算法，對船舶裝備維修信息進行分析與解算，實現(xiàn)故障智能分類、智能診斷等功能，能夠為維修人員提供準確、高效的決策輔助，是船舶裝備維修數(shù)據(jù)分析的重要算法。

神經(jīng)網(wǎng)絡深度學習算法是從信息處理角度對人腦神經(jīng)元網(wǎng)絡進行抽象，建立某種簡單模型，按不同的連接方式組成不同的網(wǎng)絡，是20世紀80年代以來人工智能領域興起的研究熱點。隨著對人工神經(jīng)網(wǎng)絡的深入研究，已經(jīng)廣泛應用于模式識別、智能機器人、自動控制、生物、醫(yī)學、經(jīng)濟等領域。神經(jīng)網(wǎng)絡算法具有以下特點：①廣泛連接的巨型系統(tǒng)；②分布式存儲信息；③并行處理功能；④自學習、自組織和自適應功能。

由于基于解析模型的故障診斷方法面臨難以建立系統(tǒng)模型的實際困難，基于知識的故障診斷方法成了重要的、也是實際可行的一種方法，由于神經(jīng)算法有良好的學習適應特點，因此，采用神經(jīng)網(wǎng)絡深度學習算法進行故障診斷具有較大優(yōu)勢。

圍繞船舶裝備維修數(shù)據(jù)分析功能需求，對國內外人工智能算法進行查閱與分析，研究比較各類算法優(yōu)缺點，并結合維修實際需求，對神經(jīng)網(wǎng)絡深度學習算法進行設計與應用。其中由D.E.Rumelhart 等多人組成的并行分布處理研究小組提出的BP網(wǎng)絡是目前應用最為廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡。BP算法整個處理過程可以分為2個階段。第1個階段：從BP網(wǎng)絡的輸入層開始逐層向前計算，根據(jù)輸入樣本計算出各層的輸出，最終求出網(wǎng)絡輸出層的輸出，這是前向傳播過程。第2個階段：對權值的修正，從網(wǎng)絡的輸出層開始逐層向后進行計算和修正，這是反向傳播過程。這2個過程反復交替，直到收斂為止[10]。利用算法，實現(xiàn)故障分類和故障診斷功能，快速定位故障部位，從而實現(xiàn)輔助決策，提高船舶裝備維修效率。

4 結束語

在深入分析國內船舶裝備維修信息系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀后，結合船舶裝備維修實際特點，立足整體規(guī)劃設計需求，建立船舶裝備維修信息系統(tǒng)體系架構，闡述各結構功能，并對其中采用的神經(jīng)網(wǎng)絡深度學習算法進行進一步研究與分析。通過對維修信息系統(tǒng)的探討與分析，研究梳理工作思路，明確研究重點與方向，對下一步船舶裝備維修信息系統(tǒng)的建設具有指導意義。