电力电子实验室资产定量化建模及管理措施

毛健琨，张 政，肖文勋，谢 帆，张 波，丘东元，陈艳峰

（华南理工大学 电力学院，广东 广州 510641）

电力电子技术是一门基于电力半导体器件，融合电力变换技术、电子技术、自动控制技术、电磁工程技术等以实现电能有明确目的变换的工程技术[1-2]。

电力电子实验室拥有许多高精度的实验设备，在管理上高度强调实验安全、对实验人员综合能力有较高要求，有必要采用成体系的成本管理、安全管理和人员管理方法。其中，在成本管理方面，文献[3]将高校实验室成本分为建设成本、管理成本和运行成本三大类；文献[4]运用工作负荷模型和多元回归分析揭示了实验室设备总价值与研究人员的相关性，为进一步的进行成本管理提供了指导。在安全管理方面，文献[5]介绍了东北大学实验室安全管理的实践经验；文献[6]总结了近年来高校实验室发生的安全事故，并给出了相关的管理建议。在人员管理方面，文献[7]简单介绍了一种实验人员工时的建模方法；文献[8]阐述了高校实验室文化体系建设的重要性。

电力电子实验又具有自身的特点。例如，不同于其他工程实验，电力电子实验由于常伴随高电压和大电流而非常强调用电安全以及实验设备在长期使用中的热老化和热疲劳等问题。因此，为针对性地提高电力电子实验安全，优化电力电子实验设备的使用情况，以及提高实验人员的综合能力，专门建立电力电子实验室的管理制度是必要的。

然而，学者在讨论电力电子实验室建设方面，多放在实验室管理制度的定性讨论[9-12]，以及实验室软硬件基础建设方面[13-17]。在管理层面上对电力电子实验室的量化建模与实践未见有报道。本文提出电力电子实验室的一种量化管理方法，并以某高校电力电子实验室为对象展开实践。

1 电力电子实验室的管理现状及存在问题

实验室现拥有大量先进的各类测试测量仪器，可以测量电参数、磁参数、光照、温度等物理量，具有优异的实验资源与良好的实验环境。在安全管理方面，实验室长期以来已经形成了特色的安全文化。实验人员能掌握实验室常用设备的安全操作规范，能自觉遵守实验室的安全管理制度，且有经验的实验人员常常以身作则，亲手指导新进实验人员安全实验。然而，实验室在资产管理方面仍存在明显问题。

目前，实验室虽然建立了设备借用登记制度，却没有建立相应的定量化管理方法，且登记制度长期得不到严格执行。因此，一方面存在大量实验设备借用数据缺失的情况，另一方面已有的数据也没有成体系的指导方法进行分析，无法形成有效的管理措施。

登记制度执行不严、未建立成体系定量化管理方法又带来了其他的问题。在设备的使用中，难免会出现实验人员因为疏忽或各种原因导致设备损坏的情况，但实验人员往往害怕担责而瞒报设备故障情况，导致设备长期处于损坏或功能缺失状态，错过最佳维修时间，甚至在多次使用中加剧了设备损坏的程度与范围。在登记制度执行不严、未建立成体系定量化管理方法的情况下，既难以及时追踪设备的使用情况，也很难找到当事人员进行相关的操作规范教育，从而增加了实验室的维护成本及教育成本。

此外，实验人员往往倾向于使用操作简单而功能单一的设备，许多高价值、多功能且性能更强的设备由于操作复杂而没有得到充分运用。这一点显然造成了对实验资源的浪费。因此不仅有必要定量评估浪费的情况，还需要根据评估的结果制定相应的措施改善这一现况。而常用实验设备中，由于同种多个设备购入的时间和型号不同，往往新购入、新型号设备会更受实验人员欢迎。实验人员在进行实验时更倾向于借用新购入、新型号的设备，导致这些设备往往比旧设备损耗得更快，进而也造成实验资源的浪费。定量化评估这种情况有利于更好地制定相应的对策，以改善这一现状。

缺乏定量化管理，直接受到这两个问题影响的是新设备的购入。目前，实验室购入新设备时没有有效数据的指导，只能凭借经验判断。设备的购入没有针对性，造成一部分实验设备资源紧缺却得不到及时补充，另一部分实验设备资源丰富却仍在加强，加剧了实验资源的浪费程度。

综上所述，建立资产定量化管理方法可以有效评估各类设备的使用情况，以更好地指导维护与补充实验资源。针对上述遇到的问题，本文提出了基于统计的实验室资产定量化管理模型。

2 定量化模型

定义i类设备中第j个为(i,j)，共有m0类设备，且每类设备有mi个，则

定义p表示月份，q表示日期，d(p)表示第p月份的总天数。

定义如下指标：

某个设备(i,j)日闲置率

某个设备(i,j)月闲置率

某类设备i日闲置率

某类设备i月闲置率

某类设备i某一天的占用率

其中，t(i,j)(p,q)表示第i类第j个设备在p月第q日被借出的总时间；tday(p,q)表示第p月第q日实验室开放的时间；n(i,p,q)表示第i类设备在第p月第q日同时被借出的数量。

通过每月统计上述指标，可以得到一系列的统计数据，不仅可以进行进一步的统计处理，还可以更好地观察到各类设备乃至各个设备的使用情况，并根据不同的使用情况确定不同的维护计划和采购计划。例如，定义第i类设备闲置率均方差为：

定义第i类设备月最大占用率为

在上述定义的基础上，可以依照不同设备的统计数据进行进一步分类。根据统计时间尺度、数量尺度的不同，可以分类如下：

（1）高/低月闲置率类设备。设备的高闲置率直接说明了设备资源充分，没有紧迫的必要进行更新，可以安排更宽松的维护计划。在时间尺度上考虑这类设备时，由于受到具体实验计划与实验进程的限制，日闲置率的意义不大，因此该分类主要以月闲置率为分类标准。在数量尺度上考虑这类设备时，单个设备的高闲置率意味着该设备没有被充分利用，而一类设备的高闲置率则说明该类设备资源充足。从资产管理的角度来看，应当保持一类设备的闲置率大于并接近某个预设值，同时应当保持这类设备中每个设备的闲置率尽可能小。

（2）高/低闲置率均方差类设备。该统计指标仅对多于一个同类的设备有意义。它说明了同类中不同单个设备借用的均衡情况。考虑设备在长期使用中容易产生疲劳和损耗，应尽量保持每个设备的使用时间大致相等。该指标越小，则同类不同单个设备借用的越均衡，不同单个设备的损耗程度越可能相近。同时，日/月闲置率一定程度上受到实验室经费和设备购入计划的影响，相比较下该指标不受外部资源的影响，更能反映考核实验室管理人员的管理能力。

（3）高/低月最大占用率类设备。高最大占用率意味着该类设备曾大量被同时借用。对于电力电子实验室而言，一般的万用表、电流探头、电压差分探头等通用电气测量设备具有这样的特点。一般而言，高最大占用率意味着该类设备资源短缺。但是，部分设备例如精密阻抗分析仪、电桥等关于被动器件参数测量的设备，往往同时具有高最大占用率和高闲置率的情况。在实践当中，这些设备使用频次很高而单次使用时间很短，因此即使具有高最大占用率，仍不能认为这些设备是资源短缺的。因此，该统计指标需要与闲置率综合考虑，并根据具体设备具体分析以确定使用情况。

3 管理措施

应用第2节的模型，对具体设备进行具体分析以形成相应的管理措施。

3.1 定量化管理

实验室内目前共有22类58台设备，可分为探头、其他测量设备、电源、负载、通信与控制设备5大类，具体数量见表1：

表1 实验室中各类公共设备

以探头类设备为例，2018年9月探头类设备各项统计数据如表2所示。

表2 探头类设备各项数据

从表2中可以看出，2018年9月实验室中的高频电流探头未曾有被借出的记录。电流探头总体闲置率达到 86.0%，说明从总体时间来看，9台电流探头中有接近8台长期处于闲置状态。电压探头总体闲置率达到 79.5%，说明从总体时间来看，6台电压探头中有接近5台长期处于闲置状态。从最大借用率的角度来看，电流探头最大借用率达到 45.5%，9台电流探头中最多出现5台被同时借用。电压探头最大借用率达到 50.0%，6台电压探头中最多出现 3台被同时借用。仅考虑9月数据，则以上现象说明，实验室的探头类设备资源充足，甚至略有冗余，且相比较而言电压探头资源比电流探头资源稍微缺乏。

若考察月闲置率均方差，电流探头月闲置率均方差达到1.26%，电压探头月闲置率均方差达到4.01%，说明电压探头借出情况比电流探头更不均衡，设备借用更加集中。观察到电流探头1、4、9没有被借用，而电流探头2闲置率仅40.5%。电压探头3、4、5没有被借用，而电压探头 1、2的闲置率都达到了 50%以下。因此，部分探头的损耗情况或会更加严重。

再考察一下函数信号发生器在2018年9月的使用情况，从表3中可以看出，2018年9月实验室中的函数信号发生器月闲置率只有 42.9%，且最大占用率达到 100%，说明实验室的函数信号发生器已经发生了资源紧缺的情况。

表3 函数信号发生器各项数据

综上所述，在探头的借用管理上，尤其应当重视电压探头借出的管理。借出探头时，应减少电流探头2、电压探头 1、2的借出，增加电流探头 1、4、9、电压探头3、4、5的借出，以平衡各探头的损耗情况。实验室应合理使用经费，暂停继续购入探头类设备，增购新的函数信号发生器。

3.2 对实验室管理员要求

以上定量化管理方法，需要管理员有足够的责任感，并做好以下几点：

（1）做好每一项设备借出登记工作。实验室管理员必须以认真负责的态度完成本工作，确保每次设备借用都有据可查。设备的借出时间登记，最好能够精确到分钟。为完成这项工作，实验室的各种设备应当配备唯一的设备锁或存放在带锁的柜子中，而由实验室管理员持有相应的钥匙。

（2）做好每一项设备归还登记工作。每次设备归还时，实验室管理员都应当口头询问并简单检查设备的工作情况，并记录下任何可能的异常情况。设备的归还时间登记也应当精确到分钟。归还登记完成后，设备应放置在规定的唯一位置，且进行上锁处理。

（3）实时监控各类设备的使用情况，并依当前使用情况合理调配资源。例如得知电流探头1、4、9闲置率较高后，需要把资源的优化调配落实，即鼓励实验人员借用闲置率高的设备。

同时，管理员有必要熟悉实验室所有设备的操作和安全规范。只有管理员了解所有实验设备足够的细节后，才能使每个实验人员充分了解各种实验设备的操作规范、适用情况，在这个基础上实验人员才会愿意接受功能更加丰富强大的新设备，进而提高实验设备资源的利用率、间接提高研究产出的效率。

3.3 辅助管理手段

除此以外，实验室如有可能也可以建立数字化的管理系统，将各种设备锁升级为数字锁，对不同实验人员进行相关的权限管理，并通过中央服务器进行数据处理。对于实验室的数字化建设，已有学者进行相关的研究，本文不再赘述。

另外，实验室还可以建立相应的日志系统，以记录新设备的购入与老旧设备及坏设备的报废信息。合适的日志系统在资产管理方面可以做到更加细粒度的记录，例如可以单独对新设备进行统计处理，也可以定性定量登记耗材的使用情况，扩大定量化资产管理的范围。同时，日志系统也可以记录诸如外来人员访问等事件，作为其他方面如安全管理的基础。

4 结语

本文针对电力电子实验室提出了一种新的资产定量化管理方法。通过定义各种实验设备的闲置率、占用率并进一步得到的闲置率均方差、最大占用率等统计指标，实验设备可被分为几种类型。分别对几种类型的设备采用不同的管理措施，并以各项指标为准，优化实验设备的使用情况。应用该管理方法，实验室在监控设备使用情况、优化资源配置方面取得了直观显著的良好效果。同时实践结果也表明这种方法对实验室管理员提出了新的要求。