基于可信標識的工業(yè)設(shè)備全生命周期運維系統(tǒng)研究＊

常賽科 孫文磊 劉志遠 路 程 巴胤竣 張克戰(zhàn)

（新疆大學機械工程學院，新疆 烏魯木齊 830049）

工業(yè)設(shè)備運維所涉及的零部件種類繁多，復雜程度不一，在生產(chǎn)流通過程中會發(fā)生物流、供應(yīng)鏈中斷、質(zhì)量、使用文檔和證書不全等問題。對企業(yè)而言，若能及時收到客戶對存在質(zhì)量問題設(shè)備的反饋，有助于早期遏制同批次問題設(shè)備繼續(xù)使用，尋求更好的技術(shù)對生產(chǎn)制造領(lǐng)域進行支持和改進；對于生產(chǎn)監(jiān)管部門，若能及時對存在問題的設(shè)備進行規(guī)范管理，有助于完全消除潛在風險。此外，目前尚無有效手段對設(shè)備全流程信息的進行把控，因此，需要迫切找到一種合適的方法以實現(xiàn)工業(yè)設(shè)備的全生命周期管理，最大程度地消除設(shè)備運維質(zhì)量問題，減少不必要宕機，確保生產(chǎn)過程順利進行。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析技術(shù)是萬物互聯(lián)的“數(shù)字身份證”，能夠滿足多源異構(gòu)數(shù)據(jù)在不同系統(tǒng)中的交互要求，讓物與人、物與物展開對話，實現(xiàn)人、機、物互聯(lián)。目前，該技術(shù)已成功應(yīng)用諸多行業(yè)，并已全面融入研發(fā)、生產(chǎn)等各個環(huán)節(jié)。劉怡君等[1]通過對異形游梁式抽油機關(guān)鍵零部件賦碼關(guān)聯(lián)，構(gòu)建了抽油機關(guān)鍵零部件信息追溯平臺；李從煊等[2]提出了基于二維碼的自動化生產(chǎn)車間關(guān)鍵配件追溯系統(tǒng)，對車間內(nèi)關(guān)鍵配件編碼標準、刻印方式、追溯功能實現(xiàn)及應(yīng)用優(yōu)勢進行了詳細闡述；李娟等[3]對特種設(shè)備質(zhì)量安全追溯體系進行了研究。然而，上述研究均基于傳統(tǒng)消費互聯(lián)網(wǎng)的域名解析，沒有統(tǒng)一的管理平臺和編碼標準，無法實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)的互通互用[4]。近年隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日趨成熟，出現(xiàn)了一種結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)的信息溯源方法，為工業(yè)設(shè)備全生命周期運維提供了新的契機。國內(nèi)外許多研究學者基于此項技術(shù)對不同領(lǐng)域信息進行溯源，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域-Zhang X 等[5]提出了基于區(qū)塊鏈的糧食供應(yīng)鏈安全管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了小麥種植到加工全程追溯。醫(yī)療器械領(lǐng)域-馮天明等[6]研究了血液凈化醫(yī)療器械標識解析方法，實現(xiàn)了醫(yī)療器械的標識編碼數(shù)據(jù)注冊、解析和防篡改。資產(chǎn)管理領(lǐng)域-范志聰?shù)萚7]對企業(yè)內(nèi)部資產(chǎn)進行統(tǒng)一標識，實現(xiàn)了資產(chǎn)統(tǒng)一編碼，科學管理。產(chǎn)品防偽領(lǐng)域-陳思源等[8]進行了區(qū)塊鏈在產(chǎn)品溯源和包裝防偽的應(yīng)用研究，解決了傳統(tǒng)溯源機制防偽標簽不可靠和溯源信息不完整等問題。但采用標識解析技術(shù)對工業(yè)設(shè)備全生命周期運維數(shù)據(jù)進行溯源，進行工業(yè)設(shè)備全生命周期運維管理目前鮮有報道。

對工業(yè)設(shè)備全生命周期運維信息進行追溯是一種跟蹤和記錄設(shè)備從采購、安裝、維護到報廢的整個過程的操作。通過追溯，可獲得關(guān)于設(shè)備的詳細信息、操作歷史、維護記錄和更換部件的數(shù)據(jù)，以及設(shè)備所經(jīng)歷的任何修復或更改。圖1 所示為工業(yè)設(shè)備全生命周期運維部分信息示例。

圖1 工業(yè)設(shè)備全流程運維信息部分示例

油田抽油機作為石油開采的核心設(shè)備之一，工況復雜，設(shè)備運維質(zhì)量隱患難以發(fā)現(xiàn)。同時，囿于自身利益的羈絆，設(shè)備監(jiān)管部門給出運維評級往往虛增高度，當下調(diào)等級時，則后延下調(diào)，往往導致生產(chǎn)部門與設(shè)備運維部門矛盾，因設(shè)備運維質(zhì)量造成的宕機追責困難。因此，有必要對油田抽油機進行全生命周期運維監(jiān)管，對抽油機易損配件進行編碼賦碼操作，記錄其全流程信息，結(jié)合機器學習技術(shù)，對抽油機設(shè)備開展預(yù)測性維護，以確保其穩(wěn)定運行。圖2 所示為基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析的設(shè)備預(yù)測性維護示例。

圖2 基于標識解析的設(shè)備預(yù)測性維護示例

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 工業(yè)設(shè)備全生命周期運維流程分析

工業(yè)設(shè)備追溯系統(tǒng)能夠?qū)ι嫌纹髽I(yè)的計劃、設(shè)計、制造、檢驗、倉儲、售出和物流等生產(chǎn)流程進行剖析。中游企業(yè)是工業(yè)設(shè)備的企業(yè)用戶，涉及的追溯環(huán)節(jié)和信息較為復雜，為本次研究的重點。涉及工業(yè)設(shè)備從采購、入庫、安裝、使用、狀態(tài)監(jiān)測、維修和閑置調(diào)撥等環(huán)節(jié)。設(shè)備追溯系統(tǒng)下游環(huán)節(jié)主要是報廢設(shè)備的回收再制造，系統(tǒng)可記錄設(shè)備的報廢信息，以期實現(xiàn)設(shè)備材料和組件的循環(huán)利用和生產(chǎn)。工業(yè)設(shè)備全生命周期信息流追溯流程如圖3 所示。

圖3 工業(yè)設(shè)備全生命周期運維信息追溯流程

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

工業(yè)設(shè)備全生命周期運維系統(tǒng)總體架構(gòu)包括以下幾個主要組成部分：數(shù)據(jù)層、感知層、資源層、業(yè)務(wù)層和應(yīng)用層，如圖4 所示。系統(tǒng)構(gòu)建采用“基礎(chǔ)設(shè)施層+平臺”的方式實現(xiàn)。其中，基礎(chǔ)設(shè)施層由通用數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)采集與傳輸裝置以及應(yīng)用層通用組件組成。

圖4 工業(yè)設(shè)備全生命周期運維系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)

基礎(chǔ)設(shè)施層laaS 為設(shè)備智能運維決策系統(tǒng)提供了必要的軟硬件基礎(chǔ)。包括計算資源池、存儲資源池和標識解析池等。

平臺層PaaS 集成設(shè)備運維通用組件，可實現(xiàn)設(shè)備檔案、點檢記錄、日常養(yǎng)護、備品備件、狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析功能。

應(yīng)用層SaaS，Web 端（BS）采用前后端分離模式。通過Vue.js+html+css 的前端架構(gòu)編寫具有View、ViewModel、模塊化等特點的數(shù)據(jù)應(yīng)用，用于提供用戶交互界面操作。移動端采用流行的uni-app 跨端開發(fā)框架。桌面端采用Electron 打包Web 端生成。

1.3 應(yīng)用模塊設(shè)計

1.3.1 追溯環(huán)節(jié)指標權(quán)重設(shè)計

運用AHP 層次分析法，實現(xiàn)工業(yè)設(shè)備全生命周期運維的各功能需求指標的分析。本研究選取29 名運維人員，評級指標采用1～5 分標度法，得到判斷矩陣A如下：

表1 一級指標下各評價指標權(quán)重值

1.3.2 設(shè)備運維信息分析模塊

本研究主要從設(shè)備臺賬、設(shè)備保養(yǎng)、設(shè)備點檢、設(shè)備維修等方面進行系統(tǒng)功能配置，以實現(xiàn)用戶對設(shè)備全生命周期運維管理的信息化。依照信息分類和編碼標準（GB/T 7027-2002）的線分類法和層次編碼法[7]，結(jié)合1.3.1 節(jié)AHP 層次分析法結(jié)果，以樹形結(jié)構(gòu)對設(shè)備進行分類。根據(jù)工業(yè)設(shè)備實際運行情況，建立設(shè)備基礎(chǔ)檔案，主要包括“設(shè)備標識編號”“設(shè)備名稱”“所屬車間”“品牌”“規(guī)格型號”等信息。作為周期性任務(wù)的設(shè)備點檢及保養(yǎng)模塊，包括點檢計劃、維修單、保養(yǎng)工單等信息。庫存管理主要應(yīng)用于成品的出入庫，通過調(diào)用WMS的接口程序，與用戶的WMS 系統(tǒng)進行交互，從而確定產(chǎn)品入庫操作。設(shè)備運維信息分析模塊主要分為生產(chǎn)制造、設(shè)備管理、設(shè)備庫存、設(shè)備報廢和設(shè)備再制造。同時，本研究對工業(yè)設(shè)備全生命周期運維各環(huán)節(jié)的基本信息、異常信息、所屬部門以及環(huán)節(jié)參與人員工作要求等進行了關(guān)鍵數(shù)據(jù)分類，具體見表2。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 設(shè)備關(guān)鍵零部件標識編碼規(guī)則

2.1.1 標識前綴

本研究在為企業(yè)的標識對象進行Handle 標識編碼[9]生成規(guī)則制定前，首先向新疆特變電工標識解析二級節(jié)點平臺申請注冊唯一的企業(yè)標識前綴88.376.900 01，標識前綴相關(guān)申請信息主要涉及企業(yè)機構(gòu)名稱、中文地址、企業(yè)/機構(gòu)所屬行業(yè)等信息。通過國家標識解析頂級節(jié)點平臺進行標識前綴查詢，可獲取到標識前綴的具體分配信息[10]，如圖5所示。同時，本研究在標識前綴88.376.90001 的基礎(chǔ)上，對企業(yè)內(nèi)的標識對象進行編碼生成規(guī)則的配置[11]。

圖5 標識前綴分配信息

2.1.2 標識后綴

通過參考固定資產(chǎn)分類與代碼（GB/T 14885-2010）[12]、國民經(jīng)濟行業(yè)分類與代碼（GB/T 4754-2017）[13]、石油工業(yè)物資分類與代碼（SY/T 5497-2000）和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析石油標識編碼規(guī)范等編碼標準[9]，依照信息分類和編碼標準（GB/T 7027-2002）的線分類法和層次編碼法，以異形游梁式抽油機為例，對工業(yè)設(shè)備零部件進行標識編碼，實現(xiàn)油田抽油機設(shè)備運維質(zhì)量追溯系統(tǒng)信息檢索。最后對Handle 標識編碼的后綴部分進行定義，行業(yè)業(yè)務(wù)域由三位數(shù)字組成的兩級分類，其中601 代表石油物資裝備；對象類型由一位數(shù)字組成，3 代表實物資產(chǎn)（設(shè)備、設(shè)施、物資等）；對象應(yīng)用系統(tǒng)流水碼由標識解析二級節(jié)點隨機生成，由6 位數(shù)字組成；對象屬性用于確定油田抽油機運維系統(tǒng)中所對應(yīng)的標識零部件編碼，如圖6 所示，需自主設(shè)計完成，由12 位數(shù)字組成，不足12 位從后補齊；申領(lǐng)日期由8 位數(shù)字組成，前4 位表示年，中間2 位表示月，后2 位表示日；當日序列碼共6 位；校驗碼共2 位。部分標識后綴自定義編碼見表3。

表3 抽油機減速箱后綴自定義編碼示例

圖6 標識編碼結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 標識載體選擇

QR 碼在工業(yè)設(shè)備的二維碼標刻和識別中具有容錯能力高、大數(shù)據(jù)容量、快速掃描速度、廣泛支持和簡潔設(shè)計等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境中，本研究將QR 碼作為標識載體，對設(shè)備零部件進行標識。

在工業(yè)設(shè)備全生命周期管理過程中采用QR 碼與上述標識解析編碼相關(guān)聯(lián)的方法。將QR 碼關(guān)聯(lián)系統(tǒng)信息進行賦碼操作，用戶可以在設(shè)備的采購、入庫階段進行賦碼，現(xiàn)場員工通過掃碼入庫建立其基礎(chǔ)臺賬，在安裝、使用調(diào)撥、報廢等環(huán)節(jié)掃碼，將運維數(shù)據(jù)進行記錄并存入系統(tǒng)設(shè)備報廢或退役時，可以掃描QR 碼追溯其歷史信息和處理記錄。

2.3 QR 的標刻與識別

通過運維系統(tǒng)的模塊操作界面打印每個階段的QR 碼，對需要在表面進行打印的設(shè)備零部件，采用激光標刻的方法雕刻在其非工作表面。QR 碼在掃描和解碼的過程中，需要對存在圖像損壞、噪聲或部分遮擋進行糾正和恢復，以提高識別的準確性和可靠性。一般的QR 碼識別過程包括以下步驟：圖像獲取→圖像預(yù)處理→QR 碼定位→QR 碼解析→數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用。其中對已經(jīng)污染的QR 碼圖像預(yù)處理和定位是決定其糾錯能力的關(guān)鍵。本研究采用重采樣和插值并結(jié)合強化邊緣檢測的方法，提高QR 碼的糾錯能力。圖7 所示為抽油機驢頭、游梁及檢修的物聯(lián)碼標簽示意圖。

圖7 抽油機物聯(lián)碼標簽示意圖

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 功能設(shè)計

工業(yè)設(shè)備全生命周期運維系統(tǒng)，包括生產(chǎn)流通子系統(tǒng)、使用運維子系統(tǒng)、查詢子系統(tǒng)和監(jiān)管子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)之間通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析和先進傳感技術(shù)進行連接和數(shù)據(jù)交互，引入2.1 節(jié)所述統(tǒng)一的標識方案，確保設(shè)備和相關(guān)信息的唯一標識。生產(chǎn)流通子系統(tǒng)可以使用設(shè)備標識追蹤設(shè)備的制造、物流和質(zhì)量信息，并將所追蹤信息傳遞給使用運維子系統(tǒng)。運維子系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)備標識來監(jiān)測運行狀態(tài)、維修記錄和保養(yǎng)計劃，并將信息反饋給查詢子系統(tǒng)和監(jiān)管子系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)備的一致性和可追溯性，打破傳統(tǒng)信息追溯方法的信息壁壘。同時，通過區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)、云邊協(xié)同技術(shù)提升設(shè)備監(jiān)管效能。系統(tǒng)信息流控制如圖8 所示。

圖8 工業(yè)設(shè)備全生命周期運維信息追溯系統(tǒng)信息流控制

3.1.1 生產(chǎn)流通子系統(tǒng)

工業(yè)設(shè)備生產(chǎn)流通子系統(tǒng)主要面向設(shè)備生產(chǎn)制造商，負責記錄生產(chǎn)流通環(huán)節(jié)信息，包括生產(chǎn)計劃管理模塊、設(shè)備制造跟蹤模塊、物流管理模塊、質(zhì)量管理模塊、標識解析模塊、數(shù)據(jù)共享與集成模塊。

生產(chǎn)計劃管理模塊用于制訂和管理設(shè)備的生產(chǎn)計劃，包括任務(wù)分配、工時預(yù)估、生產(chǎn)周期等；設(shè)備制造跟蹤模塊負責跟蹤和記錄設(shè)備的制造過程，包括采購原材料、加工制造、裝配等環(huán)節(jié)；物流管理模塊用于管理設(shè)備的物流信息，包括運輸、倉儲和配送等環(huán)節(jié)，可實現(xiàn)設(shè)備在供應(yīng)鏈中的位置和狀態(tài)追溯；質(zhì)量管理模塊負責記錄設(shè)備的質(zhì)量檢驗和測試，用于記錄檢測數(shù)據(jù)、質(zhì)量報告和不良事件；標識解析模塊為設(shè)備和相關(guān)信息分配唯一的標識符，實現(xiàn)設(shè)備的標識、跟蹤和追溯；數(shù)據(jù)共享與集成模塊實現(xiàn)與其他子系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。

3.1.2 使用運維子系統(tǒng)

面向工業(yè)設(shè)備全生命周期運維中游環(huán)節(jié)的企業(yè)用戶，通過使用運維子系統(tǒng)實現(xiàn)信息記錄。該系統(tǒng)包括設(shè)備管理模塊、維護計劃管理模塊、點檢模塊、電子標簽?zāi)K、設(shè)備臺賬管理模塊。

設(shè)備管理模塊主要用于對企業(yè)內(nèi)設(shè)備進行全面的管理和監(jiān)控。企業(yè)人員可以通過掃描二維碼進行設(shè)備檔案信息的新增、編輯、查詢和刪除操作，經(jīng)審核，進行數(shù)據(jù)庫信息的更新。以設(shè)備生產(chǎn)流通查詢?yōu)槔?，主頁面如圖9 所示。

圖9 設(shè)備生產(chǎn)流通查詢頁面

維護計劃管理模塊用于記錄設(shè)備點檢及養(yǎng)護信息，制訂設(shè)備的維護計劃。

點檢管理模塊為企業(yè)內(nèi)綁定點檢員角色的用戶提供設(shè)備巡檢計劃，安排巡檢任務(wù)，并記錄點檢設(shè)備部位及數(shù)據(jù)。

電子標簽?zāi)K：經(jīng)審核后的運維數(shù)據(jù)通過該模塊寫入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，并生成合格標簽和查詢二維碼。

3.1.3 查詢子系統(tǒng)

查詢子系統(tǒng)以Web 形式發(fā)布，面向所有相關(guān)企業(yè)人員，對經(jīng)審核的運維信息進行查詢。

查詢子系統(tǒng)包括PC 端和移動端，移動端包括常見的PDA，PC 端和移動端包含二維碼模塊用于掃描識別二維碼[14]。用戶通過該子系統(tǒng)獲取查詢鏈接，瀏覽工業(yè)設(shè)備關(guān)鍵零部件全生命周期運維信息，從而實現(xiàn)其全生命周期管理目的[15]。

3.2 用戶界面設(shè)計

根據(jù)實際需求采用樹結(jié)構(gòu)模型對用戶界面的維護分類名稱和分類編碼進行設(shè)計。其中上級分類采用級聯(lián)結(jié)構(gòu)進行配置，如果是頂層分類，“上級分類”維護為空。

3.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

基于需要存儲的數(shù)據(jù)類型、結(jié)構(gòu)、關(guān)系和約束等實際需求設(shè)計數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖10 所示，部分數(shù)據(jù)字段規(guī)范表設(shè)計見表4。

圖10 部分數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

4 性能分析

通過測試工具Postman(Version 8.0.6)進行數(shù)據(jù)寫入和數(shù)據(jù)查詢，各子系統(tǒng)通過接口進行30 輪測試，性能測試結(jié)果如圖10 所示，其中生產(chǎn)流通數(shù)據(jù)平均寫入時間為793.533 ms，平均查詢時間為70.362 ms，能夠滿足企業(yè)用戶和監(jiān)管部門快速獲取工業(yè)設(shè)備產(chǎn)品信息的需求；使用運維數(shù)據(jù)平均寫入時間為792.133 ms，平均查詢時間為66.534 ms，保障了企業(yè)設(shè)備運維人員能夠快速查詢工業(yè)設(shè)備使用運維狀況。同時，在測試過程中使用了油田抽油機的驢頭和游梁數(shù)據(jù)作為對比，如圖11 所示，兩類工業(yè)設(shè)備關(guān)鍵零部件的查詢和寫入時間趨于一致，系統(tǒng)穩(wěn)定性較強。

圖11 抽油機零件數(shù)據(jù)寫入與查詢時間

5 結(jié)語

為了滿足工業(yè)設(shè)備全生命周期管理，對其全生命周期運維進行以下研究：

（1）基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析技術(shù)及工業(yè)設(shè)備關(guān)鍵零部件全流程追溯需求，對工業(yè)設(shè)備關(guān)鍵零部件進行標識編碼，消除了跨部門間信息壁壘。

（2）結(jié)合二維碼技術(shù)，對工業(yè)設(shè)備關(guān)鍵零部件沿產(chǎn)業(yè)鏈上游、中游、下游跟蹤全流程運維信息，保證了其運維質(zhì)量信息的完整性和可追溯性。

（3）通過對二維碼的設(shè)計及標刻識別技術(shù)的研究，以異形游梁式抽油機為例，搭建了模擬試驗臺，并設(shè)計了工業(yè)設(shè)備全生命周期運維管理平臺。

（4）采用Postman(Version 8.0.6)系統(tǒng)性能測試軟件對本文所提系統(tǒng)進行了驗證，其驗證結(jié)果表明，系統(tǒng)數(shù)據(jù)的平均查詢時間為66.932 ms，能夠?qū)崿F(xiàn)信息準確快速追溯，研究為工業(yè)設(shè)備的全生命周期管理提供了一種可靠的解決方案。