試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)在船用柴油機可靠性設(shè)計中的應(yīng)用

賀林?張偉?吳先武

摘要：在進行船用柴油機的設(shè)計與研發(fā)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(fù)雜的試驗數(shù)據(jù)，試驗數(shù)據(jù)的生成將進一步影響后續(xù)的試驗數(shù)據(jù)，進而推動研究和開發(fā)的進行?；诖?，從對現(xiàn)階段試驗管理現(xiàn)狀的分析出發(fā)，指出其存在的問題，并對試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（Test Data Management，TDM）從系統(tǒng)功能以及架構(gòu)進行研究，并對試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理模式進行對比，總結(jié)了試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)在船用柴油機可靠性設(shè)計中的應(yīng)用效果。以期為船用柴油機研發(fā)和設(shè)計過程中的試驗數(shù)據(jù)管理提供幫助與借鑒。

關(guān)鍵詞：試驗數(shù)據(jù)管理；船用柴油機；試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)；分層結(jié)構(gòu)

一、前言

由于運行環(huán)境的不同，船用柴油機相較于陸用的柴油機要更為適應(yīng)顛簸的環(huán)境，因此要求船用柴油機在設(shè)計和研發(fā)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(nèi)容的不斷增加，測試資料的數(shù)量也越來越多，常規(guī)的測試資料記錄方法已不能適應(yīng)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(fā)掘和充分的利用。為解決試驗數(shù)據(jù)的管理問題，本文對試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)在船用柴油機可靠性設(shè)計中的應(yīng)用進行了研究。

二、試驗數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀及存在的問題

由于在船用柴油機設(shè)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(shù)據(jù)管理主要存在以下問題：

（一）試驗的數(shù)據(jù)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(guān)試驗數(shù)據(jù)在采集后儲存于不同的計算機、儲存設(shè)備和儀器設(shè)備中，無統(tǒng)一的管理平臺，導(dǎo)致研究人員難以對試驗數(shù)據(jù)進行有效統(tǒng)計。與此同時，由于統(tǒng)一管理平臺的缺失，試驗數(shù)據(jù)難以在各部門之間流動、共享，無法對數(shù)據(jù)進行及時的匯總和分析，進而導(dǎo)致數(shù)據(jù)分散嚴重、難以關(guān)聯(lián)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(shè)計的進行，到數(shù)據(jù)的采集和分析工作，每個步驟開展時均是相對獨立的狀態(tài)，導(dǎo)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(jié)，可以為試驗提供重要的參考，讓工作人員汲取相關(guān)改進經(jīng)驗。試驗流程信息缺乏完整性則會導(dǎo)致對實驗結(jié)果的判斷、分析缺乏準確性，進而影響后續(xù)試驗結(jié)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(shè)備運行時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)格式不同、保存的方式存在差異，導(dǎo)致原始試驗數(shù)據(jù)的格式雜亂，應(yīng)用時存在較大阻礙。因此需建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準、規(guī)范試驗數(shù)據(jù)定義、制定試驗信息標準化處理流程[4]。

（四）試驗數(shù)據(jù)缺乏安全性管理

在船用柴油機設(shè)計和測試中，采集的數(shù)據(jù)往往存儲于不同網(wǎng)絡(luò)的計算機或其他設(shè)備中。由于一般試驗數(shù)據(jù)為單機管理，缺乏對于訪問權(quán)限的控制，導(dǎo)致試驗及過程數(shù)據(jù)的安全性降低；同時，儀器設(shè)備容易脫離管控、難以追蹤，試驗數(shù)據(jù)與固定儀器設(shè)備的綁定性也會導(dǎo)致信息不能被有效地導(dǎo)出。數(shù)據(jù)的分散導(dǎo)致關(guān)聯(lián)性缺失，長時間儲存后會丟失背景、關(guān)系信息。試驗數(shù)據(jù)缺乏完善的備份系統(tǒng)，一旦儲存設(shè)備發(fā)生故障便會導(dǎo)致數(shù)據(jù)徹底丟失。

三、試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（Test Data Management，TDM）是產(chǎn)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(shù)據(jù)庫，進而管理試驗數(shù)據(jù)并與其相關(guān)過程的有關(guān)信息[5]。TDM從本質(zhì)上講是一種數(shù)字化管理技術(shù)，主要圍繞試驗業(yè)務(wù)中的試驗任務(wù)管理、試驗流程管理、試驗資源管理，參與從試驗發(fā)起到試驗結(jié)束時報告生成的信息化管理中，通過對試驗業(yè)務(wù)的數(shù)字化管理構(gòu)建覆蓋整個船用柴油機可靠性設(shè)計試驗全流程管理、全數(shù)據(jù)管理、全資源管理的綜合管理平臺。

（一）系統(tǒng)功能

TDM主要由負責業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、試驗業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、存儲及安全等基礎(chǔ)信息軟件、硬件組成，其中網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包含傳輸協(xié)議、終端顯示等，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)的標準、試驗的規(guī)范要求等，儲存及安全系統(tǒng)則主要包括數(shù)據(jù)的儲存格式標準、歷史數(shù)據(jù)的儲存以及權(quán)限的設(shè)置等[6]。

TDM功能架構(gòu)主要功能包括：試驗任務(wù)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(wù)管理功能

試驗任務(wù)管理功能的核心是對任務(wù)的管理、對試驗狀態(tài)的監(jiān)視、對系統(tǒng)軟件的配置以及在前臺對用戶進行顯示。其中任務(wù)管理的主要運作方式是接受試驗規(guī)劃和管理系統(tǒng)下達的關(guān)于開展試驗任務(wù)的有關(guān)資源調(diào)度信息，并基于此，對根據(jù)信息的相關(guān)配置要求進行統(tǒng)籌分配，在試驗開展命令下達的同時，對數(shù)據(jù)管理、儲存軟件下達資源調(diào)度任務(wù)，使其收集各類試驗數(shù)據(jù)。

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(wù)管理功能可現(xiàn)實對測試所需的設(shè)備進行調(diào)節(jié)，使試驗樣品在試驗中滿足相應(yīng)的轉(zhuǎn)速規(guī)范并擬定測量點等，與此同時下達資源調(diào)度命令采集柴油機的進氣狀態(tài)、扭矩、燃料消耗量等，并根據(jù)TDM中的試驗數(shù)據(jù)管理功能，對數(shù)據(jù)進行管理、轉(zhuǎn)化、關(guān)聯(lián)，將管理處理后的數(shù)據(jù)展示給前臺的操作人員[7]。通過對試驗狀態(tài)的監(jiān)視和前臺展示，可以將有利于試驗參數(shù)的情況與主要部件的監(jiān)控情況進行對比，有利于相關(guān)人員在現(xiàn)場及時地進行分析，盡早地發(fā)現(xiàn)試驗存在的問題，并且，在整個試驗過程中，有關(guān)的管理人員可根據(jù)項目的內(nèi)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(chǔ)上，發(fā)布相關(guān)的調(diào)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(shè)備、試驗原料、損耗物資通過建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫進行管理。在人員管理中，通過將船用柴油機試驗開發(fā)人員的信息錄入庫中，根據(jù)各崗位的職責，對開發(fā)人員的能力進行統(tǒng)計，并購根據(jù)對試驗任務(wù)的統(tǒng)計，將開發(fā)人員按照合理的數(shù)量、能力安排到不同的試驗開發(fā)任務(wù)之中。設(shè)備管理則是建立包括儀器設(shè)備、計量器具、臺架測功機[8]等的設(shè)備數(shù)據(jù)庫，對設(shè)備的基本信息以及動態(tài)信息例如校準、維修、使用、故障等進行隨時記錄，以便后續(xù)的查閱。除此之外，還通過建立試驗物質(zhì)數(shù)據(jù)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(xiàn)物資數(shù)據(jù)的動態(tài)更新，通過試驗資源的管理，使相關(guān)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(shù)據(jù)管理功能

試驗數(shù)據(jù)管理用于管理所有與試驗相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。在試驗的過程中存在大量的結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，主要包括試驗的原始數(shù)據(jù)、過程有關(guān)的數(shù)據(jù)、異常數(shù)據(jù)和文檔報告、多媒體數(shù)據(jù)等的錄入。在數(shù)據(jù)錄入后，對數(shù)據(jù)中存在的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)應(yīng)用算法[9]容器和腳本，利用公式編輯器自行將格式進行統(tǒng)一處理，使其形成可以用二維表進行表征的規(guī)則、完整的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，通過結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的儲存以便后續(xù)的編輯要求。并將數(shù)據(jù)分類保存，以結(jié)構(gòu)樹的形式進行體現(xiàn)，以便業(yè)務(wù)人員對于數(shù)據(jù)的靈活查看，并可以結(jié)合系統(tǒng)的權(quán)限設(shè)置，按照用戶的權(quán)限等級有選擇性的提供相應(yīng)數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的安全。并將試驗所收集的數(shù)據(jù)信息，自動儲存于數(shù)據(jù)庫，完善數(shù)據(jù)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(jiān)測，了解試驗的進度和流程是否符合規(guī)定，并且需要有足夠的時間進行規(guī)劃和審批?？山栌蛇^程控制的函數(shù)，對有關(guān)的過程進行界定，使相關(guān)人員按程序完成各種工作，并完成對實驗過程的統(tǒng)計追蹤或修正。它還能與PLM整合，從而實現(xiàn)工程管理的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

5.其他功能

在上述功能的基礎(chǔ)上，還提供一定的數(shù)據(jù)處理分析功能，可通過系統(tǒng)自帶的部分分析手段，對錄入試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行處理后分析，例如對原始數(shù)據(jù)進行回放，將試驗數(shù)據(jù)繪制成相應(yīng)的曲線，并實現(xiàn)對曲線的裁剪、編輯、拷貝等，或者對數(shù)據(jù)的采樣率進行變換等。還可以自行設(shè)計所需報告的排版格式或者業(yè)務(wù)人員自行編輯數(shù)據(jù)導(dǎo)出所需的格式，通過數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)字段與模板需要顯示數(shù)據(jù)的位置，建立相關(guān)的鏈接，最終生成報告。

（二）分層式系統(tǒng)功能架構(gòu)

在船用柴油機可靠性試驗中，TDM系統(tǒng)通過分層式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化、整體化功能，其功能架構(gòu)主要分為五層，分別為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境層、數(shù)據(jù)庫層、平臺層、應(yīng)用層以及界面/接口層，如圖1。

其中網(wǎng)絡(luò)環(huán)境層的主要作用是構(gòu)建一個統(tǒng)一的實驗網(wǎng)絡(luò)，并且是一個獨立于外部網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的局域網(wǎng)，通過與船用柴油機可靠性試驗中所有相關(guān)的IT終端進行接入與匯總，并建立相應(yīng)的防火墻、殺毒軟件等安全防護措施，實現(xiàn)試驗局域網(wǎng)的的安全，保證試驗數(shù)據(jù)的安全。

數(shù)據(jù)庫層則是通過Oracle數(shù)據(jù)庫[10]將所有與船用柴油機可靠性試驗有關(guān)的數(shù)據(jù)進行匯總與整理，從而構(gòu)建數(shù)據(jù)信息庫，服務(wù)于TDM整體的數(shù)據(jù)調(diào)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(yīng)的專屬存儲區(qū)內(nèi)，或者將某一個專用的儲存區(qū)內(nèi)電子文件進行取出，在此基礎(chǔ)上，對電子文件的存放與取出過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息進行記錄。

平臺層在TDM中起到系統(tǒng)運行的支撐作用，不僅包括方便使用Oracle數(shù)據(jù)庫進行二維數(shù)據(jù)表進行表征的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，而且包含對結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)高速存儲的應(yīng)用需求、數(shù)據(jù)備份需求、數(shù)據(jù)共享的需求以及數(shù)據(jù)容災(zāi)需求；同時還包括了無法用二維表表征的結(jié)構(gòu)不規(guī)則、不完全的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，以及TDM在船用柴油機可靠性試驗應(yīng)用所需的流程引擎、查詢引擎等。

應(yīng)用層則是TDM的主要業(yè)務(wù)功能層，包含了TDM在船用柴油機可靠性試驗應(yīng)用所需的各類功能，例如試驗任務(wù)管理功能、試驗資源管理功能、試驗數(shù)據(jù)管理功能、試驗流程管理功能等。

而界面/結(jié)構(gòu)層則是通過基于角色/權(quán)限的Web用戶界面體現(xiàn)了試驗任務(wù)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(shù)據(jù)分析所需工具集成結(jié)口、算法擴展的結(jié)口，實現(xiàn)了與其他工具、系統(tǒng)的聯(lián)動與集成。

四、試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)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(guān)零部件的試驗為主。根據(jù)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(shù)據(jù)管理的功能需求分為六部分，并將原使用的數(shù)據(jù)管理模式與應(yīng)用試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的應(yīng)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(fā)與設(shè)計的數(shù)據(jù)管理，采用試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對于柴油機測試中對轉(zhuǎn)子信息、裝機信息、測試信息等多種數(shù)據(jù)詳細的、無紙化記錄功能。并且通過試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中儲存的數(shù)據(jù)文件和日志文件，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)庫修改、調(diào)用的記錄，并可以自動管理事物處理的記錄，避免了因出現(xiàn)異常故障導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失等情況，可根據(jù)相應(yīng)的記錄對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行有效的恢復(fù)。通過試驗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)準確性下降、丟失等風(fēng)險，并通過數(shù)據(jù)實時顯示的功能，可幫助試驗人員對試驗結(jié)果進行提前的預(yù)判，降低了因多次重復(fù)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(tǒng)的應(yīng)用，數(shù)據(jù)庫中會儲存大量的、詳細的試驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的不斷積累和完備，可以為船用柴油機可靠性開發(fā)與設(shè)計提供一定的指導(dǎo)和促進作用。在此基礎(chǔ)上，還可以通過歷史的故障數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)建立相應(yīng)的故障診斷系統(tǒng)，進而提高船用的柴油機可靠性。

五、結(jié)語

在船用柴油機可靠性設(shè)計中設(shè)計大量的試驗，通過試驗獲取的數(shù)據(jù)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(zhì)量。因此對于數(shù)據(jù)的管理至關(guān)重要。通過試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的應(yīng)用可實現(xiàn)對試驗數(shù)據(jù)的全流程管理、試驗中所有涉及相關(guān)資源的全資源管理以及全數(shù)據(jù)管理。通過試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的應(yīng)用，可以改善船用柴油機可靠性設(shè)計數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀中存在的試驗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)缺乏安全性管理等問題。實現(xiàn)對試驗數(shù)據(jù)中有關(guān)數(shù)據(jù)的集中管理，將試驗中的設(shè)備、分析軟件等進行集成，將試驗和分析數(shù)據(jù)貫穿于整個船用柴油機可靠性設(shè)計和研發(fā)之中，并通過試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)持續(xù)積累試驗經(jīng)驗，為后續(xù)先進技術(shù)和分析手段的引入和傳遞提供便利，進而提高使用企業(yè)的自主創(chuàng)新能力。

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