摘要：

傳統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與管理體系通常均采用獨(dú)立配置的方式，布局零散且設(shè)備之間關(guān)聯(lián)性較差，容易出現(xiàn)監(jiān)測(cè)內(nèi)容不全面及監(jiān)測(cè)信息記錄不完整的問(wèn)題。研究基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，對(duì)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了創(chuàng)新，重點(diǎn)對(duì)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、存儲(chǔ)等核心問(wèn)題進(jìn)行了分析，開(kāi)發(fā)出一套運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和管理的系統(tǒng)。該系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，對(duì)其他企業(yè)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)管理工作有較強(qiáng)的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：

大數(shù)據(jù); 狀態(tài)監(jiān)測(cè); 管理理論

中圖分類號(hào)： TP 311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Research on Theory and Method of Equipment Condition

Monitoring Management Based on Big Data

ZHAO Defu

（College of Management and Economics， Tianjin University， Tianjin 300072， China）

Abstract：

Traditional mechanical and electrical equipment condition monitoring and management systems usually adopt independent configuration. The layout is scattered and the correlation between the devices is poor. It is easy to cause the problems of incomplete monitoring content and incomplete monitoring information record. Based on the large data technology， the state monitoring method of electromechanical equipment is innovated. The core problems of the state monitoring system of electromechanical equipment， such as the longdistance transmission and storage of large data， are analyzed. A state monitoring and management system of electromechanical equipment using large data technology is developed. The system runs well and has a strong reference value for the equipment condition monitoring and management of other enterprises.

Key words：

big data; condition monitoring; management theory

0引言

以傳統(tǒng)方式配置的機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，通常會(huì)因?yàn)楠?dú)立且分散的布局出現(xiàn)兩方面的問(wèn)題：①單獨(dú)的檢測(cè)系統(tǒng)不能全面對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，在反映設(shè)備整體工作狀態(tài)上存在缺陷;②獨(dú)立配置的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)將檢測(cè)數(shù)據(jù)就地儲(chǔ)存于該設(shè)備主機(jī)內(nèi)，受主機(jī)存儲(chǔ)空間影響，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間有所限制，造成某些具有長(zhǎng)期保留價(jià)值的數(shù)據(jù)被刪除[13]。在數(shù)字化與智能化的要求下，機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)需要將監(jiān)測(cè)管理體系中的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合并進(jìn)行統(tǒng)一管理，確保改進(jìn)后的系統(tǒng)能夠在設(shè)備整個(gè)生命周期內(nèi)完成對(duì)設(shè)備的全面監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，為技術(shù)人員及管理人員提供全面、可靠的技術(shù)支撐。

研究以我國(guó)某大型企業(yè)為例，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)企業(yè)機(jī)電設(shè)備監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)進(jìn)行了改造[4]。改造后的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)“集團(tuán)級(jí)”狀態(tài)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)一套完善的機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)企業(yè)機(jī)電設(shè)備的全方位、全生命周期的監(jiān)測(cè)、分析、評(píng)估和診斷。

1系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

1.1完成多源數(shù)據(jù)介入

改造后系統(tǒng)要能夠接入企業(yè)下屬各個(gè)部門的機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠同時(shí)完成不同設(shè)備數(shù)據(jù)的調(diào)用和存儲(chǔ)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)完整傳輸至總部數(shù)據(jù)中心進(jìn)行保存。

1.2構(gòu)建全景數(shù)據(jù)中心

利用大數(shù)據(jù)及云計(jì)算技術(shù)，完善以往單一的實(shí)體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)體系，構(gòu)建全景數(shù)據(jù)中心對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理。

1.3構(gòu)建輕量化應(yīng)用中心

利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，采用輕量化、插件化的數(shù)據(jù)挖掘與分析思路，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、分析、評(píng)價(jià)和故障診斷。

2系統(tǒng)總體架構(gòu)

本次搭建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總共分為三層，總體架構(gòu)見(jiàn)圖1所示。

①數(shù)據(jù)接入層，通過(guò)數(shù)據(jù)接口軟件搭建數(shù)據(jù)接入平臺(tái)，與各部門機(jī)電設(shè)備監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)進(jìn)行連接，獲取全部設(shè)備的檢測(cè)數(shù)據(jù)[5];②數(shù)據(jù)中心層，在企業(yè)總部搭建云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并按照功能搭建子數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)企業(yè)所有設(shè)備信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，并向各子數(shù)據(jù)庫(kù)提供數(shù)據(jù)支持[6];③應(yīng)用中心層，采用輕量化、插件化思路部署應(yīng)用運(yùn)行管控平臺(tái)，針對(duì)企業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)開(kāi)發(fā)監(jiān)測(cè)應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)的智能管理[7]。

3系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

3.1數(shù)據(jù)采集層

該層設(shè)備主要包括：①數(shù)據(jù)采集前置服務(wù)器，通過(guò)在各不同部門的全面部署，實(shí)現(xiàn)對(duì)接入設(shè)備的實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)專用網(wǎng)絡(luò)傳送至總部數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存;②縱向加密裝置，對(duì)傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，保證數(shù)據(jù)安全性[810];③數(shù)據(jù)通信服務(wù)器，位于企業(yè)總部，接收到企業(yè)各部門采集到的數(shù)據(jù)后存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫(kù)。此外，由于企業(yè)各部門設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)均已傳輸至總部集控中心，因此主要通過(guò)Ⅲ區(qū)接口服務(wù)器完成監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入。

3.2數(shù)據(jù)中心層

該層設(shè)備主要包括：①實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，主要負(fù)責(zé)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的特征數(shù)據(jù)及原始數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)工作;②關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，主要負(fù)責(zé)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程中的測(cè)點(diǎn)信息、設(shè)備檔案、評(píng)估及診斷結(jié)論等信息的存儲(chǔ)工作;③數(shù)據(jù)預(yù)處理服務(wù)器，主要負(fù)責(zé)對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，方便軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速反應(yīng)[11]。

3.3應(yīng)用中心層

該層設(shè)備主要包括：①應(yīng)用服務(wù)器，主要負(fù)責(zé)簡(jiǎn)化系統(tǒng)應(yīng)用軟件;②應(yīng)用管控服務(wù)器，主要負(fù)責(zé)對(duì)各環(huán)節(jié)應(yīng)用軟件進(jìn)行管控和部署。

4數(shù)據(jù)采集層

4.1數(shù)據(jù)采集

為滿足該企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)接口種類繁多的需求，研究將該企業(yè)設(shè)備使用頻率較高的通信協(xié)議做成獨(dú)立模塊，可根據(jù)具體需求安裝到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集前置服務(wù)器上。該系統(tǒng)支持常用的IEC61850、IEC104、Modbus等通信協(xié)議，支持通過(guò)以太網(wǎng)口及串口接入各類型數(shù)據(jù)。對(duì)于該企業(yè)中某些非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議通信系統(tǒng)，采用特定通信協(xié)議進(jìn)行通信。

4.2數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸

機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)產(chǎn)生的頻率通常為s級(jí)甚至ms級(jí)[12]。如何保證檢測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸過(guò)程中的完整性和實(shí)時(shí)性成為系統(tǒng)搭建中的難點(diǎn)。研究采用基于消息隊(duì)列的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，如圖3所示。

1.系統(tǒng)在采集到狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后可首先將數(shù)據(jù)寫入消息隊(duì)列，首先保證數(shù)據(jù)得到一定時(shí)長(zhǎng)的緩存。緩存時(shí)間具體數(shù)值可以更具不同部門以及不同設(shè)備自行設(shè)置。

2.消息隊(duì)列中的新數(shù)據(jù)可以通過(guò)通信程序定期傳輸至總部數(shù)據(jù)中心。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬情況，若網(wǎng)絡(luò)傳輸速率小于數(shù)據(jù)產(chǎn)生速率，則尚未傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可繼續(xù)保留，網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)自動(dòng)進(jìn)行傳輸。保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?，又不影響?shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

3.數(shù)據(jù)采集前置服務(wù)器可進(jìn)行3d時(shí)間的數(shù)據(jù)緩存，一旦各部門設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心之間出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中斷現(xiàn)象，可在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

對(duì)于數(shù)據(jù)量大、產(chǎn)生頻率高的振擺系統(tǒng)，系統(tǒng)通過(guò)時(shí)頻轉(zhuǎn)換，將其原始波形轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的頻譜，避免其直接傳輸影響通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

5數(shù)據(jù)中心層

數(shù)據(jù)中心層存儲(chǔ)及管理架構(gòu)，如圖4所示。

本次開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略能夠根據(jù)數(shù)據(jù)不同的特點(diǎn)（非結(jié)構(gòu)、半結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)），靈活采用不同的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理和存儲(chǔ)，既保證了數(shù)據(jù)的完整和準(zhǔn)確，又保證了軟件能夠快速高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)取和查詢。

5.1分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)具有存寫快、可在線壓縮等優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)集群上部署分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠?qū)Πㄈ刻卣髁亢驮紨?shù)據(jù)在內(nèi)的系統(tǒng)實(shí)施狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。同時(shí)，該機(jī)制能夠有效節(jié)約存儲(chǔ)空間，并充分發(fā)揮多機(jī)并行的工作優(yōu)勢(shì)。缺點(diǎn)是在該機(jī)制下數(shù)據(jù)庫(kù)本身不能將不同測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系儲(chǔ)存下來(lái)，同時(shí)也無(wú)法根據(jù)邏輯條件查詢相應(yīng)數(shù)據(jù)。

5.2關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)

布置關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)一定程度上可以彌補(bǔ)分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的不足[13]。除單純存儲(chǔ)數(shù)據(jù)外，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)還能夠存儲(chǔ)如存儲(chǔ)設(shè)備參數(shù)、數(shù)據(jù)挖掘及計(jì)算結(jié)果等數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系，便于系統(tǒng)根據(jù)各數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)取和查詢。

5.3內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)

在內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，具有存取極快、反應(yīng)極敏捷的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)系統(tǒng)中需要進(jìn)行某些復(fù)雜計(jì)算時(shí)，將部分常用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)緩存到內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)中可以顯著提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度。

5.4文件數(shù)據(jù)庫(kù)

主要用于存儲(chǔ)非結(jié)構(gòu)化以及半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如圖片、音頻、視頻以及各類型報(bào)表等。針對(duì)振擺波形數(shù)據(jù)、故障案例數(shù)據(jù)等同樣可以采用文件形式存儲(chǔ)進(jìn)文件數(shù)據(jù)庫(kù)[1415]。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間以及存儲(chǔ)時(shí)間均可通過(guò)擴(kuò)展計(jì)算機(jī)集群節(jié)點(diǎn)的方式實(shí)現(xiàn)，根據(jù)該企業(yè)需求，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間年限暫定為15年。在數(shù)據(jù)中心部署數(shù)據(jù)服務(wù)層，能夠在為各個(gè)應(yīng)用程序提供數(shù)據(jù)服務(wù)的同時(shí)，分離應(yīng)用層和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層，有效提高了系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性和可擴(kuò)展性。

6應(yīng)用中心層

6.1輕量化應(yīng)用策略

輕量化的應(yīng)用策略表現(xiàn)為：該系統(tǒng)中的所有應(yīng)用之間均保持相對(duì)獨(dú)立，其應(yīng)用功能專為解決某一特定問(wèn)題或關(guān)注某個(gè)特定設(shè)備狀態(tài)而設(shè)計(jì)。在該策略的支持下，能夠有效降低系統(tǒng)內(nèi)部的復(fù)雜性，同時(shí)能夠保證系統(tǒng)的更新迭代速度，使企業(yè)以盡量低的成本和代價(jià)來(lái)應(yīng)對(duì)某些業(yè)務(wù)邏輯發(fā)生的變化。

6.2應(yīng)用開(kāi)發(fā)框架和管理平臺(tái)

該系統(tǒng)中的應(yīng)用開(kāi)發(fā)框架以及管理平臺(tái)實(shí)行統(tǒng)一規(guī)范進(jìn)行部署，系統(tǒng)中的各個(gè)應(yīng)用軟件以插件的形式在該開(kāi)發(fā)框架和管理平臺(tái)中統(tǒng)一進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析以及組態(tài)。有利于保證不同應(yīng)用軟件的一致性。

6.3應(yīng)用集市

應(yīng)用集市，即將系統(tǒng)中各種輕量化應(yīng)用軟件統(tǒng)一部署到某一模塊中的策略。通過(guò)系統(tǒng)部署的應(yīng)用集市功能，能夠保證不同用戶根據(jù)自身需求和權(quán)限靈活選擇應(yīng)用軟件進(jìn)行操作。

6.4應(yīng)用軟件功能

該系統(tǒng)應(yīng)用軟件功能主要包括：①全景數(shù)據(jù)展示，即通過(guò)二維、三維或動(dòng)畫等數(shù)據(jù)可視化手段，將機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、調(diào)速器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度展示，使管理人員能夠從全方位、多維度實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè);②預(yù)警報(bào)警，主要包括動(dòng)態(tài)閥值報(bào)警、趨勢(shì)預(yù)警、故障預(yù)警等;③專業(yè)分析，針對(duì)不同部門、不同的監(jiān)測(cè)設(shè)備，開(kāi)發(fā)具有針對(duì)性的專業(yè)分析工具，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，該公司所用到的分析工具主要有波形圖、頻譜圖、瀑布圖、大衛(wèi)三角法、立體圖示法等;④大數(shù)據(jù)分析，利用大數(shù)據(jù)回歸、聚類分析等算法，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)變化特征和規(guī)律進(jìn)行分析，得到設(shè)備的運(yùn)行規(guī)律以及其他特征;⑤狀態(tài)評(píng)價(jià)，主要針對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài)、專項(xiàng)故障以及某些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)或評(píng)估;⑥故障診斷，通過(guò)系統(tǒng)大數(shù)據(jù)分析結(jié)果，針對(duì)設(shè)備常見(jiàn)故障建立故障診斷數(shù)據(jù)庫(kù)，并將人工智能技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)等與該系統(tǒng)故障樹推理機(jī)技術(shù)相融合，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)針對(duì)常見(jiàn)設(shè)備故障的自診斷功能，同時(shí)系統(tǒng)故障診斷知識(shí)庫(kù)采用開(kāi)源形式，技術(shù)人員或管理人員能夠更具設(shè)備運(yùn)營(yíng)實(shí)施情況，有針對(duì)性地進(jìn)行功能的增刪改查，實(shí)現(xiàn)了人工與機(jī)器自學(xué)習(xí)的結(jié)合。

7總結(jié)

本次研發(fā)的基于大數(shù)據(jù)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)已經(jīng)正式投入使用。共接入該企業(yè)下屬所有分公司、各類型設(shè)備等40多個(gè)子系統(tǒng)，超過(guò)14萬(wàn)個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，初步實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)定中的“完成多源數(shù)據(jù)介入”“構(gòu)建全景數(shù)據(jù)中心”“構(gòu)建輕量化應(yīng)用中心”等各項(xiàng)功能。系統(tǒng)的建成和成功運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了原有系統(tǒng)不具備的設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能，有效降低了人工先現(xiàn)場(chǎng)分析后診斷維護(hù)的成本;實(shí)現(xiàn)了專家“遠(yuǎn)程會(huì)診”的可能，極大地提高了系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和故障診斷效率。該系統(tǒng)部署的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備全壽命周期的數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理和存儲(chǔ)，能夠?yàn)樵O(shè)備后續(xù)多年的監(jiān)測(cè)、維護(hù)以及系統(tǒng)升級(jí)提供數(shù)據(jù)服務(wù)和技術(shù)支持。然而，利用大數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)管理的形式還比較新，系統(tǒng)中尚存在一些問(wèn)題，如大數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確度問(wèn)題以及開(kāi)源的系統(tǒng)故障診斷知識(shí)庫(kù)安全問(wèn)題等，需要在今后的工作和研究中逐一解決。

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（收稿日期： 2019.07.01）

作者簡(jiǎn)介：趙德甫（1978），男，本科，工程師，研究方向：管理科學(xué)與工程。

文章編號(hào)：1007757X（2020）08015403