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)設備運維所涉及的零部件種類繁多，復雜程度不一，在生產流通過程中會發(fā)生物流、供應鏈中斷、質量、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量問題設備的反饋，有助于早期遏制同批次問題設備繼續(xù)使用，尋求更好的技術對生產制造領域進行支持和改進；對于生產監(jiān)管部門，若能及時對存在問題的設備進行規(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工業(yè)設備的全生命周期管理，最大程度地消除設備運維質量問題，減少不必要宕機，確保生產過程順利進行。

工業(yè)互聯(lián)網標識解析技術是萬物互聯(lián)的“數字身份證”，能夠滿足多源異構數據在不同系統(tǒng)中的交互要求，讓物與人、物與物展開對話，實現人、機、物互聯(lián)。目前，該技術已成功應用諸多行業(yè)，并已全面融入研發(fā)、生產等各個環(huán)節(jié)。劉怡君等[1]通過對異形游梁式抽油機關鍵零部件賦碼關聯(lián)，構建了抽油機關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車間關鍵配件追溯系統(tǒng)，對車間內關鍵配件編碼標準、刻印方式、追溯功能實現及應用優(yōu)勢進行了詳細闡述；李娟等[3]對特種設備質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)網的域名解析，沒有統(tǒng)一的管理平臺和編碼標準，無法實現異構系統(tǒng)海量數據的互通互用[4]。近年隨著工業(yè)互聯(lián)網技術日趨成熟，出現了一種結合區(qū)塊鏈技術的信息溯源方法，為工業(yè)設備全生命周期運維提供了新的契機。國內外許多研究學者基于此項技術對不同領域信息進行溯源，農業(yè)領域-Zhang X 等[5]提出了基于區(qū)塊鏈的糧食供應鏈安全管理系統(tǒng)，實現了小麥種植到加工全程追溯。醫(yī)療器械領域-馮天明等[6]研究了血液凈化醫(yī)療器械標識解析方法，實現了醫(yī)療器械的標識編碼數據注冊、解析和防篡改。資產管理領域-范志聰等[7]對企業(yè)內部資產進行統(tǒng)一標識，實現了資產統(tǒng)一編碼，科學管理。產品防偽領域-陳思源等[8]進行了區(qū)塊鏈在產品溯源和包裝防偽的應用研究，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對工業(yè)設備全生命周期運維數據進行溯源，進行工業(yè)設備全生命周期運維管理目前鮮有報道。

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

圖1 工業(yè)設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備之一，工況復雜，設備運維質量隱患難以發(fā)現。同時，囿于自身利益的羈絆，設備監(jiān)管部門給出運維評級往往虛增高度，當下調等級時，則后延下調，往往導致生產部門與設備運維部門矛盾，因設備運維質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，結合機器學習技術，對抽油機設備開展預測性維護，以確保其穩(wěn)定運行。圖2 所示為基于工業(yè)互聯(lián)網標識解析的設備預測性維護示例。

圖2 基于標識解析的設備預測性維護示例

1 系統(tǒng)設計

1.1 工業(yè)設備全生命周期運維流程分析

工業(yè)設備追溯系統(tǒng)能夠對上游企業(yè)的計劃、設計、制造、檢驗、倉儲、售出和物流等生產流程進行剖析。中游企業(yè)是工業(yè)設備的企業(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)設備從采購、入庫、安裝、使用、狀態(tài)監(jiān)測、維修和閑置調撥等環(huán)節(jié)。設備追溯系統(tǒng)下游環(huán)節(jié)主要是報廢設備的回收再制造，系統(tǒng)可記錄設備的報廢信息，以期實現設備材料和組件的循環(huán)利用和生產。工業(yè)設備全生命周期信息流追溯流程如圖3 所示。

圖3 工業(yè)設備全生命周期運維信息追溯流程

1.2 系統(tǒng)架構設計

工業(yè)設備全生命周期運維系統(tǒng)總體架構包括以下幾個主要組成部分：數據層、感知層、資源層、業(yè)務層和應用層，如圖4 所示。系統(tǒng)構建采用“基礎設施層+平臺”的方式實現。其中，基礎設施層由通用數據模型、數據采集與傳輸裝置以及應用層通用組件組成。

圖4 工業(yè)設備全生命周期運維系統(tǒng)總體技術架構

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

平臺層PaaS 集成設備運維通用組件，可實現設備檔案、點檢記錄、日常養(yǎng)護、備品備件、狀態(tài)監(jiān)測、數據分析功能。

應用層SaaS，Web 端（BS）采用前后端分離模式。通過Vue.js+html+css 的前端架構編寫具有View、ViewModel、模塊化等特點的數據應用，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 應用模塊設計

1.3.1 追溯環(huán)節(jié)指標權重設計

運用AHP 層次分析法，實現工業(yè)設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重值

1.3.2 設備運維信息分析模塊

本研究主要從設備臺賬、設備保養(yǎng)、設備點檢、設備維修等方面進行系統(tǒng)功能配置，以實現用戶對設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]，結合1.3.1 節(jié)AHP 層次分析法結果，以樹形結構對設備進行分類。根據工業(yè)設備實際運行情況，建立設備基礎檔案，主要包括“設備標識編號”“設備名稱”“所屬車間”“品牌”“規(guī)格型號”等信息。作為周期性任務的設備點檢及保養(yǎng)模塊，包括點檢計劃、維修單、保養(yǎng)工單等信息。庫存管理主要應用于成品的出入庫，通過調用WMS的接口程序，與用戶的WMS 系統(tǒng)進行交互，從而確定產品入庫操作。設備運維信息分析模塊主要分為生產制造、設備管理、設備庫存、設備報廢和設備再制造。同時，本研究對工業(yè)設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鍵數據分類，具體見表2。

2 關鍵技術

2.1 設備關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，標識前綴相關申請信息主要涉及企業(yè)機構名稱、中文地址、企業(yè)/機構所屬行業(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 的基礎上，對企業(yè)內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

通過參考固定資產分類與代碼（GB/T 14885-2010）[12]、國民經濟行業(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)設備零部件進行標識編碼，實現油田抽油機設備運維質量追溯系統(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)務域由三位數字組成的兩級分類，其中601 代表石油物資裝備；對象類型由一位數字組成，3 代表實物資產（設備、設施、物資等）；對象應用系統(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)中所對應的標識零部件編碼，如圖6 所示，需自主設計完成，由12 位數字組成，不足12 位從后補齊；申領日期由8 位數字組成，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 標識編碼結構示意圖

2.2 標識載體選擇

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

在工業(yè)設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聯(lián)的方法。將QR 碼關聯(lián)系統(tǒng)信息進行賦碼操作，用戶可以在設備的采購、入庫階段進行賦碼，現場員工通過掃碼入庫建立其基礎臺賬，在安裝、使用調撥、報廢等環(huán)節(jié)掃碼，將運維數據進行記錄并存入系統(tǒng)設備報廢或退役時，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→圖像預處理→QR 碼定位→QR 碼解析→數據處理和應用。其中對已經污染的QR 碼圖像預處理和定位是決定其糾錯能力的關鍵。本研究采用重采樣和插值并結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

3.1 功能設計

工業(yè)設備全生命周期運維系統(tǒng)，包括生產流通子系統(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)網標識解析和先進傳感技術進行連接和數據交互，引入2.1 節(jié)所述統(tǒng)一的標識方案，確保設備和相關信息的唯一標識。生產流通子系統(tǒng)可以使用設備標識追蹤設備的制造、物流和質量信息，并將所追蹤信息傳遞給使用運維子系統(tǒng)。運維子系統(tǒng)可以根據設備標識來監(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)，實現設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、大數據、云邊協(xié)同技術提升設備監(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 生產流通子系統(tǒng)

工業(yè)設備生產流通子系統(tǒng)主要面向設備生產制造商，負責記錄生產流通環(huán)節(jié)信息，包括生產計劃管理模塊、設備制造跟蹤模塊、物流管理模塊、質量管理模塊、標識解析模塊、數據共享與集成模塊。

生產計劃管理模塊用于制訂和管理設備的生產計劃，包括任務分配、工時預估、生產周期等；設備制造跟蹤模塊負責跟蹤和記錄設備的制造過程，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備的物流信息，包括運輸、倉儲和配送等環(huán)節(jié)，可實現設備在供應鏈中的位置和狀態(tài)追溯；質量管理模塊負責記錄設備的質量檢驗和測試，用于記錄檢測數據、質量報告和不良事件；標識解析模塊為設備和相關信息分配唯一的標識符，實現設備的標識、跟蹤和追溯；數據共享與集成模塊實現與其他子系統(tǒng)進行數據交換。

3.1.2 使用運維子系統(tǒng)

面向工業(yè)設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)實現信息記錄。該系統(tǒng)包括設備管理模塊、維護計劃管理模塊、點檢模塊、電子標簽模塊、設備臺賬管理模塊。

設備管理模塊主要用于對企業(yè)內設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備檔案信息的新增、編輯、查詢和刪除操作，經審核，進行數據庫信息的更新。以設備生產流通查詢?yōu)槔?，主頁面如圖9 所示。

圖9 設備生產流通查詢頁面

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

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

電子標簽模塊：經審核后的運維數據通過該模塊寫入系統(tǒng)數據庫，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，面向所有相關企業(yè)人員，對經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)設備關鍵零部件全生命周期運維信息，從而實現其全生命周期管理目的[15]。

3.2 用戶界面設計

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

3.3 數據庫設計

基于需要存儲的數據類型、結構、關系和約束等實際需求設計數據庫，數據結構如圖10 所示，部分數據字段規(guī)范表設計見表4。

圖10 部分數據結構設計

4 性能分析

通過測試工具Postman(Version 8.0.6)進行數據寫入和數據查詢，各子系統(tǒng)通過接口進行30 輪測試，性能測試結果如圖10 所示，其中生產流通數據平均寫入時間為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)設備產品信息的需求；使用運維數據平均寫入時間為792.133 ms，平均查詢時間為66.534 ms，保障了企業(yè)設備運維人員能夠快速查詢工業(yè)設備使用運維狀況。同時，在測試過程中使用了油田抽油機的驢頭和游梁數據作為對比，如圖11 所示，兩類工業(yè)設備關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 抽油機零件數據寫入與查詢時間

5 結語

為了滿足工業(yè)設備全生命周期管理，對其全生命周期運維進行以下研究：

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

（2）結合二維碼技術，對工業(yè)設備關鍵零部件沿產業(yè)鏈上游、中游、下游跟蹤全流程運維信息，保證了其運維質量信息的完整性和可追溯性。

（3）通過對二維碼的設計及標刻識別技術的研究，以異形游梁式抽油機為例，搭建了模擬試驗臺，并設計了工業(yè)設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，其驗證結果表明，系統(tǒng)數據的平均查詢時間為66.932 ms，能夠實現信息準確快速追溯，研究為工業(yè)設備的全生命周期管理提供了一種可靠的解決方案。