浅析工业物联网赋能大型装备维修

何有 郭祥云 李为

物联网是通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。近年来，随着物联网技术的快速发展，工业物联网应运而生。工业物联网通过对网络通信、先进传感技术的应用，加强了对工业过程各个环节的感知能力，有利于将边缘计算、大数据分析、优化调度方法等融入到工业生产中，能够大幅提高生产效率、质量，降低生产成本与资源消耗，推动传统工业提升到智能工业的新阶段。随着国际形势日趋复杂，我国国防建设力度也随之加大，大型复杂武器装备日益增多，部队不断提高的装备维修工作效率需求，与装备修理企业效率低下的传统生产模式之间的矛盾逐渐凸显。在此背景下，如何有效利用工业物联网技术提升大型装备维修工作效能是一项意义重大、价值颇高的研究课题。

1 工业物联网是什么

工业物联网是全球工业系统与高级分析技术、传感技术与互联网的高度融合，被广泛应用于工业领域中，按结构类型可将其分解成基础层、感知层、网络层、应用层和仿真评估层，如图1 所示。

第一层是基础层，即实现数据层面的标准化；第二层是感知层，即利用传感器、中间件、智能仪表等设备或技术获取物体、环境等各类信息；第三层是网络层，即通过工业以太网、低功耗广域网等各种网络技术，将感知层获取的信息进行传递和处理；第四层是应用层，在智能制造、智慧农业等领域的实际应用；第五层是仿真评估层，即以数字化方式拷贝物理对象，模拟现实行为，从而对过去或未来进行智能分析，应用在虚拟制造、应急演练、军事模拟等各领域。

图1.工业物联网技术架构

2 工业物联网如何赋能大型装备维修

工业物联网技术如何支撑大型装备维修行业的发展，可以先从工业物联网下大型装备的典型应用场景出发，了解工业物联网的价值所在，再从工业物联网技术体系的五个层面深入分析如何实现赋能，工业物联网下大型装备的典型应用场景如图2 所示。

图2.工业物联网下大型装备维修典型应用场景

工业物联网赋能大型装备维修的五个层面分析如下：

2.1 基础层

标准化是工业物联网的前提，工业物联网实施能够推动大型装备维修企业对各类数据和通讯协议进行标准化处理，为数据的流通与共享奠定基础。例如：产品方面，对产品或零件的类型、性能、规格、质量等建立标准；工艺信息方面，对工序类型、工序状态、工步状态、合格状态等建立标准；设备方面，对检测类型、检测项、检测值等建立标准。除此之外，还要对组织机构、人员、岗位等数据进行统一编码及标准化处理，以支持与其他系统的数据互通。

2.2 感知层

传统装备维修感知手段比较单一，通常采用常规监测仪表对产品进行局部检测，凭经验分析判断检测结果，存在自动化程度低、精度低、可靠性低等问题。而工业物联网的感知手段更为丰富，在维修现场，能够通过各类传感器全面采集维修对象的高精度数据，支持自动化分析诊断；能够在模拟极端情况下连续采集维修对象的运行数据，感知参数动态变化，支持产品故障预测等应用。在战场环境下，通过装备内嵌的传感器和便捷式设备外部测量得到装备的状态信息，包括装备运行状态、环境信息、产品故障信息、实时三维数据等，能够支持装备状态预测和维修作业管理等应用。

2.3 网络层

在工业数据采集领域，很多企业存在工业通信协议标准繁多、互不兼容的问题，导致工业数据无法互通。而工业互联网的核心是万物互联，能够真正满足生产过程全流程的数据流动及智能化生产需求。在维修现场，主要通过现场总线、工业以太网等工业通信网络实现互联，支持数据实时存储与传输，极大降低数据响应时间。在战场环境下，可以通过建立专用5G 或微波通讯基站，提供超高数据传输速率、超大连接量、超低时延的连接方式，能够支持远程数据传输、音视频交流协作等应用。

2.4 应用层

工业物联网下大型装备维修的应用场景，主要可以分为维修现场和战场环境。在维修现场，通过数字化工艺总结维修经验、编制和优化工艺流程，控制设备完成数据采集、实时分析、自动填报等功能，实现自动化检测和质量控制；通过数据挖掘技术，实现对设备运行状态监测、故障诊断、智能预警等应用。在战场环境下，通过便捷式维修辅助设备，实现远程技术指导、现场维修通信、维修过程记录、故障数据实时采集等功能，增强现场维修人员的故障诊断和维修能力；基于AR、SLAM 等传感器技术和设备，通过对装备环境信息、各系统性能情况以及三维数据的采集，实现单机健康、履历本表管理和预测性维修。

2.5 仿真评估层

对于大型装备，通过构建数字模型、采集并输入装备运行过程中的各类数据，实现模型状态与真实状态的完全同步，能够在下一次执行任务前，及时分析与评估装备的各项性能，从而实现预警式维修服务，降低故障风险与维修成本。

3 大型装备维修企业的未来发展

现代化武器装备体系庞大、技术复杂、耗资巨大，技术和器材配套单位多，维修过程中协调关系复杂，这些特点使得装备维修周期长，成本高，质量难以有效控制。传统的修理模式难以满足现代化战场对武器装备高效保障的需求，企业需在“快、准、精”上下功夫，利用工业互联网技术实现转型升级，适应战场需求。

3.1 通过工业物联网技术，实现对战场需求的敏捷响应

武器装备维修，特别是战伤抢修，是以保障战时装备需求为目的，需要及时互通前后方信息，实现对战场武器装备需求的快速响应。

工业物联网技术在实现装备维修对战场需求的敏捷响应上具有积极的促进作用。利用物联网技术，可以有效地实现大型装备维修模式的变革。通过以信息技术为核心的一系列先进技术的综合应用，建立一个集成化的数据环境，提高信息技术和数据的共享性，保证修理企业能够实时获取并利用先进的制造技术、器材、技术资料和装备使用故障信息，有效降低装备维修成本，缩短维修周期，实现对装备需求的快速响应。同时，基于物联网技术可以动态掌握战场急需装备信息和应急器材的保障情况，有针对性地快速补充急需装备，及时保障应急器材的生产供应，提升了装备维修对战场需求的敏捷响应。

3.2 通过工业物联网技术，实现装备和器材的精准保障

器材保障是大型装备维修和使用维护的重要一环。在器材保障中，由于各种器材基数种类多、品种数量大，传统记录管理模式下，要为每个基数武器装备配备相应的标准手册、器材装箱清单和所储存的位置等信息，工作量非常大，导致维修保障器材的查找和使用十分繁琐。

利用工业物联网技术可以有效解决上述问题，实现器材的精准保障：一是器材入库出库时，读写器自动获取射频卡的内容，同时将读取的信息传递到与其连接的信息管理系统，经检验后准予入库，并做相应的记录，出库时同样能读取设备信息，并可在出库的设备标签中写入配送单位、到达时间等信息；二是在运输调拨过程中，利用设置的基站可随时远距离快速读取标签信息数据，并不断更新数据，实现全程监控，同时可以定位重要的装备和器材，防止丢失；三是在维修使用中，将使用时间、维修记录、故障情况等信息写入RFID 电子标签，通过查询可以准确掌握装备的使用情况，以便于统计分析和使用管理。四是可提高装备使用状态的可预测性，以便于提前研判风险，避免可预测事故的发生，提高维修管理效率。通过装备和器材的精准保障，有效提高装备维修的效率。

3.3 通过工业物联网技术，实现大型装备维修的实时高效

高技术武器装备的技术复杂性加大了故障判断和分析的难度；同时，在基于信息系统的体系作战中，战场环境风云突变、高度透明，对武器装备维修的快速性、及时性、准确性提出了更高要求。

工业物联网的射频识别技术利用无线射频方式进行非接触双向通信以实现识别目的，通过数据交换可以实现多目标识别，可在更广泛的武器装备维修保障场合中应用，有效提高装备维修效率。首先，利用物联网技术，通过在武器装备系统中嵌入传感器，实现武器装备运行状态、故障状态信息的自动生成，有助于对武器装备完好形态的实时掌控。其次，通过物联网技术，为远程技术服务提供了直观的情景，有利于后方专家对战场维修的准备指导。第三，通过物联网技术，使互联网状态下的先进维修手段呈现直观的表示方式。通过故障和维修指导信息直观、实时地双向传递，提升了交互式电子技术手册对战场维修的直观指导能力。第四，利用物联网技术，通过建立电子账簿，有助于维修保障器材信息的快速定位查询，从而实现武器装备维修全资产可视化。第五，通过物联网技术实现装备战伤建模和仿真，支持和协助装备战伤智能评估系统提前预知和分析战伤情况，研究损伤机理，制定修复方案，为战场决策提供依据。可见，物联网技术对于实现武器装备维修“实时”“精确”“高效”具有很高的应用价值。

工业物联网的应用不局限于维修生产或战场维修环节，而是通过万物互联，实现企业全流程的管理与全资源的整合。在数字经济高速发展今天，大型装备维修企业需要利用这一良好的发展机遇和平台，狠抓基础标准建设，拓展维修和检测技术能力，凝练装备维修经验，努力提升维修生产效率，实现跨越式发展。工业物联网通过工业优化分析技术、传感技术、以及网络等技术的高度融合，有效赋能大型装备维修企业，助力实现数字化转型，可望为国家国防安全提供有力的支撑。