基于健康管理的高校实验室设备管理体系

孟兆磊，李宁宁，严 露

(北京科技大学 东凌经济管理学院，北京 100083)

健康管理的概念起源于人类医疗。后来，由健康管理衍生出故障预测与健康管理(prognostic and health management，PHM)技术。PHM首先应用在军用装备中，随后在航天飞行器、飞机、核反应堆等复杂系统和装备中获得应用，如今在电子、汽车、船舶等很多工业领域也越来越受到重视[1-2]。这里的健康管理指的是根据诊断/预测信息、可用维修资源和使用要求，对维修活动做出适当决策的过程，是基于上述系统设备的维修维护成本愈发高昂而发展起来的。

目前高校实验室配置了大量精密、高端设备，设备复杂程度不断提高，随之而来的是维修维护成本的提高。将PHM理念应用到高校设备管理很有必要。

1 高校实验室管理问题分析

1.1 管理制度不健全，落实不到位

一些高校实验室的设备管理制度不健全，设备使用者和管理者的管理维护意识不强[3]。当制度不完善，缺乏合理、必要的奖罚激励制度时，实验室工作人员的积极性就不能被充分调动起来，即使待遇优厚，有些管理人员还是缺乏设备管理维护意识。对实验室设备疏于管理，将使设备耗损严重、使用寿命降低。

1.2 设备维修维护时机不合理，成本过高

高校实验室设备多是出现故障后才维修，虽然这样能最大限度地利用设备零部件的寿命，但是这种方法最好仅限于不重要的设备。对于重要设备来说，这种维修方式将会使设备故障更多、维修时间更长、维修用度更高，很不经济。在单纯的预防维修中，如果抓不住合适的时机而使维修维护活动过早进行，同样也不经济。但是，仅凭主观判断确实很难决定最佳的维修时机，这是目前设备管理中亟待解决的合理时机问题。

1.3 设备购置不合理，利用率低

由于高校对学生实践能力和创新能力培养的重视程度普遍提高，对实验室设备的建设力度也在加大。但是由于各实验室相互独立，共享程度低，不同实验室在对同一设备有需求的情况下重复购置，造成巨大浪费。另外，重复购置可能导致部分设备无法物尽其用，甚至被闲置[4]。实验室建设缺乏长远规划和统筹安排，也会导致实验室设备效用不高甚至资产的闲置。在实验教学改革进展缓慢、实验室开放程度不高的高校，设备闲置的问题更为严重。

2 引入健康管理后的实验室设备管理体系

随着计算机技术的发展，系统管理的思想越来越成熟。将PHM技术引入实验室设备管理，可很好地解决目前高校实验室设备管理不适应实验室发展的状况，提高实验室运行效率。此外，将实验室设备的日常管理过程系统化也是实验室高效运作的必要条件。

2.1 实验室设备日常管理系统

为提高实验室设备管理效能，我校引入实验室设备日常管理系统，并配以规范的管理制度，完全符合实际需要并具有可操作性。在日常的设备管理过程中，管理员做好分内工作，对设备的购置、使用、外借进行监督管理，严格执行规章制度，坚决维护制度的严肃性和有效性。使用者也要自觉遵守实验室制度，共建和谐的研究氛围。

高校实验室设备管理系统的用户分为普通用户和管理员用户。普通用户包括教师和学生，系统为这些用户提供的功能主要包括：对设备使用、租借的查询服务，修改个人信息。系统为管理员用户提供的功能包括：对实验室设备入库、验收、出库、租借、报废等进行管理，对设备进行查询以及对普通用户进行管理[5]。

2.2 设备健康管理系统

不同的设备有不同的最佳维修周期，适合不同的维修方式，例如不重要的设备可以事后维修，关键性设备应该预防维修。只有在正确的时间、选择适当方式对设备进行维修保养，才能得到最经济、最好的效果，而在设备管理工作中不分轻重的故障维修的方法应该改变。

视情维修的开放体系结构(OSA-CBM)综合了国防军事、航空航天以及工业各领域中应用的不同类型的PHM系统的共同设计思想以及应用技术和方法(见图1)[6-7]。该体系结构对于要建立的高校实验室健康管理系统同样有指导意义。

图1 视情维修的开放体系结构图

在开放体系结构中，故障预测是根据采集的数据来评估设备未来的健康状况，包括预测设备的剩余寿命,自动推理决策产生更换、维修等建议，以便在系统发生故障前的适宜时机采取维修措施。这两部分是PHM系统的显著特征，应该在高校实验室设备健康管理系统中得以保留和体现。基于以上结构建立的实验室设备健康管理系统,应该至少具有图2所示的功能。

3 讨论与建议

3.1 实现设备管理的制度化和规范化

首先应建立健全设备管理的各项规章制度，规范的设备日常管理制度是实现实验室设备良好管理的前提条件。这些管理规章制度要对设备的使用、维护维修及管理形成一个明确的制度约束，并启动内部控制制度，对实验室设备管理制度执行情况进行实时监督[8]。此外，培养管理员和设备使用者对设备的主观保护意识同样能促进管理工作的制度化及规范化。

3.2 实现设备健康管理

基于健康管理技术构建的高校设备管理体系可以弥补设备管理过程中维修维护时机不当、成本过高的缺陷。该体系不分设备的等级、主次，将全部设备的维护维修过程固定在一个框架中，既避免了主观判断维修方式可能出现的纰漏，也避免了全部预防维修成本高、效率低的劣势，并可以实现数据采集、状态监测、故障诊断、寿命预测、自动推理决策等五大功能。

图2 设备健康管理系统的主要功能模块

3.2.1 数据采集与分析

设备状态信息应是多层次、多方面和动态的,系统通过传感器和设备数据接口采集并传输设备的状态信息，对数据进行处理，使之可用于状态监测、健康评估和故障诊断。

3.2.2 状态监测与健康评估

将来自传感器并经过处理的数据与预定的失效判定依据进行比较来监测设备当前的状态，分析设备的性能衰退趋势，做出健康评估报告。当设备出现劣化征兆时，向设备管理人员分级报警[9]。

3.2.3 故障诊断

如果设备的劣化不能及时、准确地诊断，也就无法进行有效的状态维修。故障诊断基于各种健康状态的历史数据、工作状态以及维修历史数据等，采用多种分析方法(如相关分析与功率谱分析、倍频程分析、阶比分析、时间序列分析、模态分析、时频分析等)将采集的数据进行分析处理,查出故障点或劣化点。

3.2.4 寿命预测

设备维修部门可以通过各种预测模型(例如灰色预测模型、比例风险模型、卡尔曼滤波模型、人工神经网络等)预测设备或部件的剩余使用寿命，在设备严重停机事故发生之前,利用有效的预测功能可以保证有足够的时间制订和实施维修计划。

3.2.5 自动推理决策

该功能接受来自状态监测与健康评估、寿命预测等部分的数据，产生最佳的维修方式建议，尽量在被监测设备发生故障之前采取相应措施。为了贯彻健康管理理念，维修活动应该包括维修计划制订、维修备件采购、维修任务调度、维修资源分配和维修策略优化等，将每一个环节细化和规范化，实现健康管理。

3.3 实现设备优化配置

在高校实验室建设中，为了提高设备利用率，强化设备资源的合理分配，使有限的设备资源得到充分的利用，实验室设备的优化配置势在必行[10]。搞好设备资源配置工作,关键在于积极探索，建立适应市场经济的体制和高校改革特点的设备管理运行机制[11]；深化实验室管理体制改革，防止设备的不合理配置和重复购置；加强设备资源配置工作的宏观管理，通过详细的调查和可行性研究，编制好设备配置规划；建立闲置设备管理机构,及时调整设备资源的存量结构[12]。

4 结束语

健康管理的重要性引起了越来越多的关注，将其应用在高校实验室设备管理中，将大大降低设备维修维护成本，寻找到最佳的维修维护时机，避免设备突发故障，大大提高实验室设备使用效率，形成一个良好运行的实验室设备管理体系，保障实验教学和科学研究的顺利进行。

[1] 黄建始.美国的健康管理：源自无法遏制的医疗费用增长[J].中华医学杂志,2006(15)：1011-1013.

[2] Nishad P,Diganta D,Goebel K,et al.Identification of Failure Precursor Parameters for Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs)[C]//2008 International Conference on Prognostics and Health Management,Denver,CO,USA,2008：1-5.

[3] 常坤.高校实验室设备管理中现存问题与对策研究[J].现代营销,2012(10)：278.

[4] 张淑玲.浅析高校实验室管理中存在的问题及对策[J].实验技术与管理,2006,23(1)：94-95，106.

[5] 秦英欣.高校实验室设备管理系统的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2012.

[6] 孙博,康锐,谢劲松.故障预测与健康管理系统研究和应用现状综述[J].系统工程与电子技术,2007,29(10)：1762-1767.

[7] Bengtsson1 M,Olsson E,Funk P,et al.Technical design of condition based maintenance system-A case study using sound analysis and case-based reasoning[C]// Maintenanceand Reliability Conference-Proceedings of the8th Congress，2004.

[8] 周莹.谈如何搞好高校实验室设备管理[J].设备管理与维修,2009(5)：6-8.

[9] 赵兵,夏良华,满强，等.设备健康管理系统的设计与实现[J].计算机测量与控制,2010,18(5)：1024-1026.

[10] 邱立萍.大型实验仪器购置的优化决策[J].实验室研究与探索,2001,20(3)：78-81.

[11] 范拴奎.高校设备资源优化配置[J].交通高教研究,1998(1)：45-47.

[12] 徐建明.高校设备资源的优化配置与管理[J].现代企业,2008(3)：30-31.