基于大數(shù)據(jù)的船舶機(jī)電設(shè)備維修決策支持系統(tǒng)研究

摘" " 要：隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展，為船舶行業(yè)機(jī)電設(shè)備維修提供了更好地手段。本文提出了一種綜合利用大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)算法和傳感器技術(shù)的維修決策支持系統(tǒng)，以優(yōu)化船舶設(shè)備的維護(hù)和維修計(jì)劃。并通過(guò)電機(jī)馬達(dá)數(shù)智化維修平臺(tái)在58艘大型貨輪上的試驗(yàn)應(yīng)用，驗(yàn)證了該系統(tǒng)在提高維修效率和降低維修成本方面的顯著效果。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)；維修決策；機(jī)電設(shè)備；支持系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U665.1" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research on Decision Support System for Ship Mechanical and Electrical Equipment Maintenance Based on Big Data

CHEN Li，" Xiong Yuanyuan

（ COSCO Shipping Heavy Industry （Zhoushan） Co.，Ltd.， Zhoushan 316131， China ）

Abstract： With the continuous development of big data technology， better means have been provided for the maintenance of mechanical and electrical equipment in the shipbuilding industry. This article proposes a maintenance decision support system that integrates big data analysis， machine learning algorithms， and sensor technology to optimize the maintenance and repair plans of ship equipment. And through the experimental application of the electrical machine and motor intelligent maintenance platform on 58 large cargo ships， the significant effect of the system in improving maintenance efficiency and reducing maintenance costs has been verified.

Key words： big data; maintenance decisions;" mechanical and electrical equipment;" support system

1" " "引言

船舶作為全球貿(mào)易的主要運(yùn)輸方式，其機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)行直接關(guān)系到全球供應(yīng)鏈的暢通[1]。然而，船舶機(jī)電設(shè)備的維修一直是個(gè)復(fù)雜任務(wù)，涉及到設(shè)備監(jiān)測(cè)、故障診斷、維修計(jì)劃等多個(gè)環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)維修方法不能充分利用數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化決策。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，船舶行業(yè)有機(jī)會(huì)利用這一技術(shù)優(yōu)化維修流程，提高效率，降低成本。本研究旨在設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一種基于大數(shù)據(jù)的船舶機(jī)電設(shè)備維修決策支持系統(tǒng)，以滿足現(xiàn)代船舶維修的需求。

2" " 概述

2.1" "船舶機(jī)電設(shè)備維修的現(xiàn)狀

船舶機(jī)電設(shè)備維修對(duì)確保航行安全、提高設(shè)備可靠性和性能至關(guān)重要。有效的維修策略不僅有利于船舶運(yùn)營(yíng)的安全和經(jīng)濟(jì)性，還能為企業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)支持。然而，傳統(tǒng)的船舶機(jī)電設(shè)備維修策略存在固定維修周期、故障無(wú)法預(yù)測(cè)、經(jīng)驗(yàn)依賴和資源浪費(fèi)等問(wèn)題，限制了維修效率和質(zhì)量，增加了成本，影響了船舶的可用性和安全性，如表1所示。因此，需要更智能、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的維修策略。

2.2" "大數(shù)據(jù)技術(shù)在維修領(lǐng)域的應(yīng)用潛力

在船舶機(jī)電設(shè)備維修決策支持系統(tǒng)中，大數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)是至關(guān)重要的一環(huán)[2]。通過(guò)監(jiān)測(cè)和分析設(shè)備性能數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)、提前識(shí)別潛在故障、減少設(shè)備突發(fā)性停機(jī)、延長(zhǎng)設(shè)備壽命、降低維修成本。同時(shí)，大數(shù)據(jù)技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)維修資源的智能分配和優(yōu)化，確保零部件庫(kù)存的合理管理，避免不必要的維修工作和資源浪費(fèi)。此外，大數(shù)據(jù)還可以用于維修歷史數(shù)據(jù)分析，幫助維修團(tuán)隊(duì)制定更有效的策略和標(biāo)準(zhǔn)的操作程序。

3" " 基于大數(shù)據(jù)的船舶機(jī)電設(shè)備維修決策支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

3.1" 系統(tǒng)架構(gòu)與數(shù)據(jù)流程

基于大數(shù)據(jù)的船舶機(jī)電設(shè)備維修決策支持系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、數(shù)據(jù)處理與分析層以及用戶界面層。數(shù)據(jù)采集從各種傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)獲取設(shè)備性能數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過(guò)安全通信傳輸?shù)街醒胂到y(tǒng)，然后存儲(chǔ)在大數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中。在數(shù)據(jù)處理與分析層，數(shù)據(jù)被提取、清洗和預(yù)處理，然后使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行故障預(yù)測(cè)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和性能分析。最終用戶，如維修團(tuán)隊(duì)，通過(guò)友好的用戶界面訪問(wèn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，做出維修決策。

3.2" "故障預(yù)測(cè)與設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)

故障預(yù)測(cè)與設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)在船舶機(jī)電設(shè)備維修決策支持系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。故障預(yù)測(cè)利用大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和傳感器信息，預(yù)測(cè)設(shè)備可能的故障、識(shí)別異常模式和趨勢(shì)，有助于提前采取維修措施、減少維修成本、延長(zhǎng)設(shè)備壽命、提高船舶的可靠性和安全性[3]。與此同時(shí)，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和分析，監(jiān)測(cè)設(shè)備的當(dāng)前性能和健康狀態(tài)，如溫度、振動(dòng)、電流等，一旦狀態(tài)發(fā)生變化，即時(shí)發(fā)出警報(bào)，使維修團(tuán)隊(duì)能夠迅速采取必要的行動(dòng)，保障設(shè)備的安全和高效運(yùn)行。這兩方面的功能協(xié)同工作，對(duì)于降低維修成本、提高生產(chǎn)效率和延長(zhǎng)設(shè)備壽命具有重要意義。

3.3" "維修計(jì)劃的優(yōu)化與實(shí)施

維修計(jì)劃的優(yōu)化與實(shí)施在船舶機(jī)電設(shè)備維修決策支持系統(tǒng)中具有關(guān)鍵作用。這個(gè)過(guò)程首先依賴于大數(shù)據(jù)分析和故障預(yù)測(cè)結(jié)果，以確定最佳的維修時(shí)機(jī)，同時(shí)平衡設(shè)備壽命和成本。一旦計(jì)劃確定，維修團(tuán)隊(duì)需準(zhǔn)備所需資源，遵循標(biāo)準(zhǔn)程序和安全規(guī)定，高質(zhì)量和安全地執(zhí)行維修工作。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整在維修過(guò)程中至關(guān)重要，可確保維修工作的順利進(jìn)行，同時(shí)維修完成后的詳細(xì)記錄和反饋為未來(lái)決策提供有價(jià)值的信息。這個(gè)過(guò)程整合了大數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控和反饋機(jī)制，以最大程度地提高設(shè)備可靠性、減少成本，并確保船舶機(jī)電設(shè)備的安全和高效運(yùn)行。

4" " 船舶機(jī)電設(shè)備維修數(shù)智化平臺(tái)的組成及參數(shù)

船舶機(jī)電設(shè)備維修數(shù)智化平臺(tái)由多個(gè)關(guān)鍵組件構(gòu)成，旨在通過(guò)集成現(xiàn)代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)維修流程的高效化與智能化。其中，數(shù)據(jù)采集層是整個(gè)平臺(tái)的基礎(chǔ)，它通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)和超級(jí)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)收集電機(jī)馬達(dá)等設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、環(huán)境數(shù)據(jù)和歷史維修記錄，為后續(xù)的分析和決策提供精確的信息支持，如圖1所示。而數(shù)據(jù)分析層則運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對(duì)這些大量數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，以預(yù)測(cè)設(shè)備故障、診斷當(dāng)前問(wèn)題和優(yōu)化維修資源配置。決策支持層則基于這些分析結(jié)果，自動(dòng)生成維修建議，從而顯著提升維修效率和設(shè)備可靠性。

為了提升船舶機(jī)電設(shè)備維修的效率和質(zhì)量，公司基于MES和APS系統(tǒng)設(shè)計(jì)了電機(jī)馬達(dá)維修管理的數(shù)智化平臺(tái)，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的產(chǎn)線，如圖2所示。該數(shù)智化維修產(chǎn)線由多個(gè)關(guān)鍵組件構(gòu)成，包括利用AGV搬運(yùn)小車實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)的機(jī)電設(shè)備搬運(yùn)，以及配備RGV小車、KBK桁架、拆裝專機(jī)、烘干裝置、帶數(shù)據(jù)采集的工裝平臺(tái)等一系列先進(jìn)設(shè)備，確保電機(jī)馬達(dá)的拆裝、檢測(cè)和調(diào)試過(guò)程能夠高效、有序地進(jìn)行。此外，數(shù)智化平臺(tái)還集成了PDA、報(bào)工臺(tái)和車間顯示屏等智能化工具，為維修人員提供了便捷的信息交互和報(bào)工方式，如圖3所示。通過(guò)不斷優(yōu)化這些關(guān)鍵參數(shù)和性能指標(biāo)，船舶機(jī)電設(shè)備維修數(shù)智化平臺(tái)將能夠?yàn)楝F(xiàn)代船舶運(yùn)營(yíng)提供更加高效、可靠的維修保障。

5" " "數(shù)智化平臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證

傳統(tǒng)維修方法雖在一定程度上保障了船舶運(yùn)營(yíng)的穩(wěn)定性，但其固有的局限性，如固定的維修周期、故障預(yù)測(cè)能力不足、高度依賴人工經(jīng)驗(yàn)、資源分配不合理等問(wèn)題，已難以滿足當(dāng)前船舶維修行業(yè)對(duì)于高效、精準(zhǔn)和智能化的需求。在此背景下，大數(shù)據(jù)技術(shù)具有預(yù)測(cè)性維護(hù)、智能分配、優(yōu)化維修歷史數(shù)據(jù)分析等優(yōu)勢(shì)很好的解決上述問(wèn)題。為了驗(yàn)證這一創(chuàng)新維修策略的有效性，本文以正在維修的58艘大型貨輪作為對(duì)象，運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)進(jìn)行故障預(yù)測(cè)與診斷試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其在提升維修效率、降低成本及增強(qiáng)設(shè)備可靠性方面的巨大潛力。

該試驗(yàn)選擇58艘大型貨輪作為試驗(yàn)對(duì)象，主要檢測(cè)船舶在正常航行的環(huán)境下，驗(yàn)證電機(jī)馬達(dá)在保證故障診斷精確度、維護(hù)時(shí)間預(yù)測(cè)及維修資源配置優(yōu)化情況下的電壓、電流、頻率、溫度/溫升、振動(dòng)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的可靠性。首先檢測(cè)電機(jī)馬達(dá)電壓、電流、頻率等功能是否正常，然后將電機(jī)馬達(dá)安裝在數(shù)智化平臺(tái)上，收集相關(guān)數(shù)據(jù)，并利用算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、分析和模型訓(xùn)練，將得到的結(jié)果生成維修計(jì)劃，并提交給工程技術(shù)人員進(jìn)行驗(yàn)證，評(píng)估系統(tǒng)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性和節(jié)省的成本。

試驗(yàn)結(jié)果表明，如表2所示，相比較傳統(tǒng)維修方法，船舶機(jī)電設(shè)備維修數(shù)智化平臺(tái)顯著提升了機(jī)電馬達(dá)的維修效果，在試驗(yàn)周期內(nèi)，其潛在故障預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率高達(dá)90%，維修產(chǎn)量提升285%，平均維修時(shí)間縮短了25%，維修質(zhì)量提高46%。證明了基于大數(shù)據(jù)的維修決策系統(tǒng)在提高維修效率和降低運(yùn)營(yíng)成本方面的顯著效果，有助于船舶工程企業(yè)更好地預(yù)測(cè)和處理設(shè)備問(wèn)題，提升整體運(yùn)行效率。

6" " 結(jié)語(yǔ)

本文探討了船舶機(jī)電設(shè)備維修決策支持系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，提出了一種基于大數(shù)據(jù)的維修決策系統(tǒng)，并通過(guò)電機(jī)馬達(dá)數(shù)智化維修平臺(tái)在58艘大型貨輪上的試驗(yàn)應(yīng)用，驗(yàn)證了其可行性和有效性。結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠預(yù)測(cè)和處理潛在的設(shè)備問(wèn)題，在提升維修效率和降低運(yùn)營(yíng)成本方面效果顯著。

參考文獻(xiàn)

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