高立兵，索寒生，呂中原

(石化盈科信息技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100020)

當(dāng)前，在國(guó)家智能制造戰(zhàn)略部署下，中國(guó)各大石油化工企業(yè)紛紛以智能工廠建設(shè)為抓手，推進(jìn)石化智能制造和數(shù)字化轉(zhuǎn)型。石化行業(yè)是資產(chǎn)密集型行業(yè)，設(shè)備資產(chǎn)主要包括動(dòng)設(shè)備、靜設(shè)備、閥門(mén)、電器儀表等四大類(lèi)。在中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司的智能工廠建設(shè)中，資產(chǎn)生命周期管理是三條業(yè)務(wù)主線之一[1-2]，其目標(biāo)是以數(shù)字化交付為起點(diǎn)，貫穿設(shè)備運(yùn)行、檢維修、改造、報(bào)廢的全生命周期，重點(diǎn)突出設(shè)備健康與可靠性，確保安全的基礎(chǔ)上最大限度地發(fā)揮設(shè)備能力，節(jié)約維修成本，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行。

關(guān)于設(shè)備資產(chǎn)維護(hù)，已發(fā)展出眾多解決方案，有的方案是從用戶(hù)的角度，提升資產(chǎn)管理和運(yùn)維水平，有的方案從供應(yīng)商的角度，延伸產(chǎn)品服務(wù)。根據(jù)反應(yīng)機(jī)制，可以將資產(chǎn)維護(hù)策略分為主動(dòng)維護(hù)和被動(dòng)維護(hù)兩大類(lèi)[3]。根據(jù)觸發(fā)機(jī)制、決策支持方式以及所使用技術(shù)的不同，歷史上經(jīng)歷了反應(yīng)式、預(yù)防性、主動(dòng)式、預(yù)測(cè)性維護(hù)等四個(gè)發(fā)展階段。其中，第一階段(1930—1950年)是反應(yīng)式維護(hù)，即在設(shè)備失效后才進(jìn)行被動(dòng)維護(hù)；第二階段(1950—1975年)是預(yù)防性維護(hù)，即根據(jù)時(shí)間或使用情況定期維護(hù)；第三階段(1975—2000年)是主動(dòng)式維護(hù)，發(fā)展出基于狀態(tài)的維護(hù)(CBM)、可靠性/專(zhuān)家系統(tǒng)、基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)(RBI)、危險(xiǎn)與可操作性分析(HAZOP)等；第四階段(2000—2020年)是預(yù)測(cè)性維護(hù)(PdM)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的深層挖掘建立預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)不可見(jiàn)風(fēng)險(xiǎn)因素當(dāng)前和未來(lái)狀態(tài)的預(yù)測(cè)，優(yōu)化維護(hù)策略。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、ARVR可視化、移動(dòng)應(yīng)用等新一代信息技術(shù)與制造技術(shù)的深度融合和集成創(chuàng)新，資產(chǎn)維護(hù)策略逐漸從被動(dòng)式維護(hù)向持續(xù)監(jiān)控、主動(dòng)維護(hù)、預(yù)測(cè)性維護(hù)等綜合性資產(chǎn)績(jī)效管理理念發(fā)展。

1 資產(chǎn)績(jī)效管理概述

資產(chǎn)績(jī)效管理APM(asset performance management)是一套提高資產(chǎn)管理和資產(chǎn)收益的綜合解決方案，貫穿資產(chǎn)的工程設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)三個(gè)階段。通過(guò)數(shù)據(jù)采集、集成、可視化和高級(jí)分析，結(jié)合主動(dòng)式的維護(hù)行動(dòng)與優(yōu)化策略，滿(mǎn)足企業(yè)對(duì)工廠、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施等資產(chǎn)的安全性、可靠性要求，通過(guò)減少非計(jì)劃性維修、降低維護(hù)成本、預(yù)防設(shè)備故障、減少健康安全環(huán)保問(wèn)題。APM包含狀態(tài)監(jiān)控、預(yù)測(cè)性維護(hù)以及以可靠性為中心的維護(hù)等。

與APM相關(guān)的兩個(gè)概念： 一個(gè)是企業(yè)資產(chǎn)管理(EAM)，二者的側(cè)重點(diǎn)不同，APM是用于決策支持，而EAM是用于維護(hù)執(zhí)行；另一個(gè)概念是故障預(yù)測(cè)和健康管理PHM(prognostics health management)，PHM源自美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)于2016年9月發(fā)布的NIST： 2016Measurementscienceroadmapforprognosticsandhealthmanagementforsmartmanufacturingsystems[4]，該報(bào)告主要涵蓋PHM的制造工藝技術(shù)與指標(biāo)、性能評(píng)估、基礎(chǔ)設(shè)施等三方面內(nèi)容。從PHM涉及的分析技術(shù)看，PHM的核心是預(yù)測(cè)性維護(hù)。從商業(yè)軟件角度看，GE，西門(mén)子，艾斯本，劍維，本特利等公司以及挪威船級(jí)社(DNV GL)都推出了APM軟件套件。Gartner咨詢(xún)公司也用APM進(jìn)行軟件分類(lèi)，并連續(xù)發(fā)布APM軟件市場(chǎng)報(bào)告[5]。根據(jù)資產(chǎn)維護(hù)策略能力成熟度，Gartner公司將APM軟件分為六個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表1所列。在維護(hù)能力成熟度中的位置越高，維護(hù)策略就越積極主動(dòng)。

表1 APM軟件分類(lèi)與功能

1)資產(chǎn)策略和風(fēng)險(xiǎn)管理。針對(duì)化工生產(chǎn)中處理高危害性物質(zhì)的設(shè)備，如壓力容器及儲(chǔ)罐、管線系統(tǒng)、釋放及排放系統(tǒng)、緊急停機(jī)系統(tǒng)、機(jī)泵等，風(fēng)險(xiǎn)管理目的在于建立一套完善的維護(hù)策略，降低因設(shè)備故障損壞導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)。包括基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)(RBI)、故障樹(shù)分析(FTA)、機(jī)械完整性管理、安全完整性等級(jí)評(píng)估(SIL)等。RBI是一種對(duì)每個(gè)設(shè)備項(xiàng)目的失效概率(PoF)和失效后果(CoF)進(jìn)行定性或定量評(píng)估的分析方法和過(guò)程[6-7]。20世紀(jì)90年代，美國(guó)石油研究所API研究基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)，于1996年出臺(tái)API 581草案，2002年公布RBI標(biāo)準(zhǔn)API RP 580： 2002Risk-basedinspectionmethnology[8]，2016年發(fā)布第三版；API 581： 2008Risk-basedinspectiontechnology[9]。這是針對(duì)石化設(shè)備，特別是承壓設(shè)備、換熱器、工藝管道等的基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)規(guī)范。國(guó)際上針對(duì)石化行業(yè)的RBI商業(yè)軟件一般都是基于API 581標(biāo)準(zhǔn)。

2)以可靠性為中心的維護(hù)(RCM)。RCM是基于設(shè)備的故障模式和影響效果確定針對(duì)性的維修策略，其出發(fā)點(diǎn)不是單純提高可靠性和可用率，而且充分考慮了設(shè)備的性能、維修策略和維修經(jīng)濟(jì)性之間的關(guān)系，即以最經(jīng)濟(jì)的方式提高可靠性。RCM適用對(duì)象為轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備和電器儀表。其基本思路是： 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能與故障分析，明確系統(tǒng)內(nèi)各故障后果；用規(guī)范化的邏輯決斷程序，確定各故障后果的預(yù)防性對(duì)策；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、專(zhuān)家評(píng)估、定量化建模等手段在保障安全性和完好性的前提下，以最小的維修停機(jī)損失和最小的維修資源消耗為目標(biāo)，優(yōu)化系統(tǒng)的維修策略。

3)預(yù)測(cè)性維護(hù)(PdM)。PdM是基于預(yù)測(cè)得到的設(shè)備剩余使用壽命(RUL)來(lái)規(guī)劃維修計(jì)劃，適用于發(fā)生頻率不高、但一旦發(fā)生影響很大的一類(lèi)故障。根據(jù)預(yù)測(cè)的結(jié)果，決策機(jī)制可以更好地掌控失效增長(zhǎng)的趨勢(shì)，以及PF-interval的時(shí)間跨度，為最終的決策優(yōu)化提供重要信息。PdM最大的價(jià)值在于，基于RUL的預(yù)測(cè)，在維護(hù)機(jī)會(huì)窗內(nèi)選擇成本最低的維護(hù)策略和實(shí)施計(jì)劃，同時(shí)綜合考慮企業(yè)大修計(jì)劃，制定全局最優(yōu)的維護(hù)方案。

PdM分析過(guò)程主要包括五個(gè)步驟： 數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、特征提取、故障診斷、可視化等[10]。其中故障診斷是指設(shè)備健康評(píng)估和預(yù)測(cè)，需要將高維的特征向量轉(zhuǎn)換為狀態(tài)標(biāo)識(shí)(健康狀態(tài)，故障模式1，故障模式2，故障模式3等)。故障診斷算法包括基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、基于機(jī)理、基于混合模型，以及基于可靠性、統(tǒng)計(jì)分析等多種方法。化工數(shù)據(jù)具有多變量、非線性、時(shí)變性、多模態(tài)等特點(diǎn)，數(shù)據(jù)建模算法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)、蒙特卡洛模擬等[11]。對(duì)于有標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，通常采用分類(lèi)算法，其中最常見(jiàn)的是支持向量機(jī)(SVM)，對(duì)于一些線性不可分的情況，可以用核函數(shù)的技巧把低維特征映射到高維空間中，也可以拓展到多分類(lèi)問(wèn)題。對(duì)于類(lèi)別數(shù)量未知、無(wú)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，通常采用自組織映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(SOM)，可視化效果好。以上兩者均是單純從數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的角度建立模型，如果加入先驗(yàn)知識(shí)(工藝機(jī)理)，則可以采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，將每種特征和故障類(lèi)型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系通過(guò)機(jī)理固化下來(lái)。

4)基于狀態(tài)的維護(hù)(CBM)。是主動(dòng)式維護(hù)的一種策略，依照設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的變化制定維護(hù)決策，適合于故障發(fā)生頻率高，但是造成的影響較小的情形。在設(shè)備被檢測(cè)到由早期失效到設(shè)備真實(shí)發(fā)生故障的周期叫做PF-interval，該周期應(yīng)該有足夠的時(shí)間覆蓋整個(gè)維修反應(yīng)時(shí)間，最終避免設(shè)備發(fā)生故障。與預(yù)防性維護(hù)相比，CBM可以有效地減少不必要的維修，同時(shí)基于實(shí)時(shí)監(jiān)控的數(shù)據(jù)CBM也可以更加有力地保障設(shè)備安全高效運(yùn)行。因此，CBM的成功應(yīng)用可以幫助企業(yè)有效消除非計(jì)劃停機(jī)。基于狀態(tài)的維護(hù)也有一定的局限性，它只能反映當(dāng)前狀態(tài)，而無(wú)法預(yù)測(cè)未來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。CBM和PdM的相似之處在于兩者都引入了在線監(jiān)控和故障診斷技術(shù)。CBM通常使用基于閾值的決策機(jī)制，在觸發(fā)之后立即維護(hù)，而PdM則是引入了預(yù)測(cè)分析技術(shù)，是否在維修決策時(shí)引入RUL是區(qū)分CBM和PdM的重要手段。

5)預(yù)防性維護(hù)。是根據(jù)固定的時(shí)間周期或者使用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)情況維護(hù)設(shè)備。為了做出最優(yōu)化的維護(hù)計(jì)劃，可靠性數(shù)據(jù)包括失效率、平均故障間隔時(shí)間(MTBF)、平均修復(fù)時(shí)間(MTTR)等都有可能會(huì)被加入決策支持指標(biāo)。預(yù)防性維護(hù)對(duì)于高可靠性系統(tǒng)，很有可能在設(shè)備未出現(xiàn)故障時(shí)就更換，造成很大的浪費(fèi)。

6)反應(yīng)式維護(hù)。又稱(chēng)修復(fù)性維護(hù)，該維護(hù)方式，沒(méi)有提前性，不能給維護(hù)團(tuán)隊(duì)提供備件準(zhǔn)備時(shí)間，有較長(zhǎng)的停機(jī)維護(hù)時(shí)間。在幾種維護(hù)策略中，修復(fù)性維護(hù)整體花費(fèi)最大。

總之，一個(gè)好的運(yùn)維策略應(yīng)該為設(shè)備提供安全性、可用性及經(jīng)濟(jì)性的平衡。根據(jù)故障發(fā)生頻率和故障發(fā)生的影響，可以劃分出四個(gè)象限，對(duì)應(yīng)的四種場(chǎng)景下的分析技術(shù)和維護(hù)策略[10]，如圖1所示。

圖1 四種場(chǎng)景下的分析技術(shù)和維護(hù)策略示意

2 國(guó)外APM軟件供應(yīng)商及解決方案

目前，能提供APM解決方案商業(yè)軟件產(chǎn)品并且有跨行業(yè)服務(wù)能力的公司主要有本特利，DNV GL， GE， IPS，劍維，西門(mén)子及艾斯本。根據(jù)Gartner公司統(tǒng)計(jì)，國(guó)外APM的實(shí)施60%為本地部署，40%為云端部署[6]。以艾斯本、劍維和GE三家公司的APM解決方案為例，它們的產(chǎn)品在石化行業(yè)有較多應(yīng)用。

1)艾斯本APM解決方案。從1996年起，艾斯本公司打造了涵蓋過(guò)程工程設(shè)計(jì)、制造與供應(yīng)鏈管理、資產(chǎn)績(jī)效管理三大類(lèi)軟件產(chǎn)品線。艾斯本針對(duì)設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)三個(gè)階段的資產(chǎn)管理需求，基于專(zhuān)業(yè)的過(guò)程建模和機(jī)器學(xué)習(xí)，推出了風(fēng)險(xiǎn)分析、運(yùn)營(yíng)分析和設(shè)備績(jī)效分析解決方案，APM解決方案見(jiàn)表2所列。

表2 艾斯本APM軟件解決方案

2)劍維APM解決方案。施耐德將英維斯(Invensys)的流程模擬軟件與劍維的設(shè)計(jì)類(lèi)軟件進(jìn)行整合，推出了一體化工程到一體化運(yùn)維解決方案。劍維的APM方案基于工程數(shù)字化信息集成管理平臺(tái)AVEVA Net，圍繞資產(chǎn)生命周期，從數(shù)字化交付、策略評(píng)估、數(shù)據(jù)采集、高級(jí)分析到方案執(zhí)行，提高資產(chǎn)盈利能力，APM解決方案見(jiàn)表3所列。

表3 劍維APM軟件解決方案

3)GE公司的APM解決方案。GE的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系主要有三個(gè)核心要素： 智能設(shè)備、智能分析和智能決策。GE基于Predix平臺(tái)的APM解決方案涵蓋連接、監(jiān)控、分析、預(yù)測(cè)和優(yōu)化。

主要內(nèi)容包括：

a)APM健康模塊。具有健康經(jīng)理和校準(zhǔn)管理的功能。

b)APM可靠性模塊。具有數(shù)字孿生模型，RCA，可靠性分析的功能。

c)APM策略模塊。具有臨界性分析，RCM，F(xiàn)MEA，策略管理以及生命周期成本分析的功能。

d)APM完整性模塊。具有RBI，檢驗(yàn)管理，厚度監(jiān)測(cè)，危害分析以及變更管理的功能。

3 國(guó)產(chǎn)APM軟件發(fā)展情況

RBI軟件的數(shù)學(xué)方法比較簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，難點(diǎn)在于構(gòu)建豐富內(nèi)涵的工業(yè)模型數(shù)據(jù)庫(kù)，例如： 各類(lèi)介質(zhì)的腐蝕性、失效模式、失效機(jī)理、檢驗(yàn)效率、同類(lèi)設(shè)備事故原因等。同時(shí)，RBI軟件需要遵循行業(yè)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。目前，國(guó)內(nèi)主要是合肥通用機(jī)械研究院的通用中特石化裝置工程風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)，在石化行業(yè)有一定的應(yīng)用，但是與國(guó)外商業(yè)軟件相比還有一定差距[12-14]。

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，大多集中應(yīng)用于高端裝備的預(yù)測(cè)性維護(hù)，具備了大范圍應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性前提。根據(jù)中國(guó)信息通信研究院(CAICT)對(duì)國(guó)內(nèi)外工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)366個(gè)應(yīng)用案例統(tǒng)計(jì)[15]，當(dāng)前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)用主要集中于設(shè)備管理服務(wù)、生產(chǎn)過(guò)程管控與企業(yè)運(yùn)營(yíng)管理三大類(lèi)場(chǎng)景。其中，國(guó)外制造企業(yè)數(shù)字化水平相對(duì)較高，平臺(tái)應(yīng)用更加側(cè)重于設(shè)備管理服務(wù)，占比接近50%，如設(shè)備健康管理應(yīng)用占比39%，產(chǎn)品后期服務(wù)占比10%。國(guó)外平臺(tái)應(yīng)用另一特點(diǎn)是數(shù)據(jù)的深度挖掘，依托大數(shù)據(jù)開(kāi)展重點(diǎn)應(yīng)用已較為普遍，重點(diǎn)應(yīng)用如設(shè)備健康管理、產(chǎn)品遠(yuǎn)程運(yùn)維已可達(dá)到預(yù)測(cè)水平，部分基于管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)的商業(yè)智能決策已初步實(shí)現(xiàn)。

與國(guó)外類(lèi)似，國(guó)內(nèi)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)用同樣關(guān)注設(shè)備管理服務(wù)，在所有應(yīng)用中占比27%，體現(xiàn)了設(shè)備物聯(lián)與數(shù)據(jù)價(jià)值挖掘的共性趨勢(shì)。石化行業(yè)的案例占總案例的10.4%，一般聚焦在設(shè)備管理和資源配置優(yōu)化方面。雖然案例眾多，但多基于大數(shù)據(jù)分析模型，以項(xiàng)目方式實(shí)施，在工藝機(jī)理模型、故障模型、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、特別是軟件的商業(yè)化等方面與國(guó)外還存在較大差距。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著物聯(lián)網(wǎng)(IOT)、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，APM解決方案呈現(xiàn)出平臺(tái)化、集成化趨勢(shì)。國(guó)際流程工業(yè)巨頭紛紛通過(guò)收購(gòu)兼并，打造“一體化工程到一體化運(yùn)維”的全生命周期解決方案，幫助客戶(hù)減少設(shè)備宕機(jī)時(shí)間，提升設(shè)備運(yùn)行可靠性，最終實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)收益上的降本增效。相對(duì)而言，國(guó)內(nèi)供應(yīng)商還缺乏成熟的、集成化的APM解決方案，國(guó)產(chǎn)APM軟件的商業(yè)化之路還很漫長(zhǎng)。