基于可信标识的工业设备全生命周期运维系统研究＊

2023-11-15常赛科孙文磊刘志远巴胤竣张克战

制造技术与机床 2023年11期

常赛科孙文磊刘志远路程巴胤竣张克战

（新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐 830049）

工业设备运维所涉及的零部件种类繁多，复杂程度不一，在生产流通过程中会发生物流、供应链中断、质量、使用文档和证书不全等问题。对企业而言，若能及时收到客户对存在质量问题设备的反馈，有助于早期遏制同批次问题设备继续使用，寻求更好的技术对生产制造领域进行支持和改进；对于生产监管部门，若能及时对存在问题的设备进行规范管理，有助于完全消除潜在风险。此外，目前尚无有效手段对设备全流程信息的进行把控，因此，需要迫切找到一种合适的方法以实现工业设备的全生命周期管理，最大程度地消除设备运维质量问题，减少不必要宕机，确保生产过程顺利进行。

工业互联网标识解析技术是万物互联的“数字身份证”，能够满足多源异构数据在不同系统中的交互要求，让物与人、物与物展开对话，实现人、机、物互联。目前，该技术已成功应用诸多行业，并已全面融入研发、生产等各个环节。刘怡君等[1]通过对异形游梁式抽油机关键零部件赋码关联，构建了抽油机关键零部件信息追溯平台；李从煊等[2]提出了基于二维码的自动化生产车间关键配件追溯系统，对车间内关键配件编码标准、刻印方式、追溯功能实现及应用优势进行了详细阐述；李娟等[3]对特种设备质量安全追溯体系进行了研究。然而，上述研究均基于传统消费互联网的域名解析，没有统一的管理平台和编码标准，无法实现异构系统海量数据的互通互用[4]。近年随着工业互联网技术日趋成熟，出现了一种结合区块链技术的信息溯源方法，为工业设备全生命周期运维提供了新的契机。国内外许多研究学者基于此项技术对不同领域信息进行溯源，农业领域-Zhang X 等[5]提出了基于区块链的粮食供应链安全管理系统，实现了小麦种植到加工全程追溯。医疗器械领域-冯天明等[6]研究了血液净化医疗器械标识解析方法，实现了医疗器械的标识编码数据注册、解析和防篡改。资产管理领域-范志聪等[7]对企业内部资产进行统一标识，实现了资产统一编码，科学管理。产品防伪领域-陈思源等[8]进行了区块链在产品溯源和包装防伪的应用研究，解决了传统溯源机制防伪标签不可靠和溯源信息不完整等问题。但采用标识解析技术对工业设备全生命周期运维数据进行溯源，进行工业设备全生命周期运维管理目前鲜有报道。

对工业设备全生命周期运维信息进行追溯是一种跟踪和记录设备从采购、安装、维护到报废的整个过程的操作。通过追溯，可获得关于设备的详细信息、操作历史、维护记录和更换部件的数据，以及设备所经历的任何修复或更改。图1 所示为工业设备全生命周期运维部分信息示例。

图1 工业设备全流程运维信息部分示例

油田抽油机作为石油开采的核心设备之一，工况复杂，设备运维质量隐患难以发现。同时，囿于自身利益的羁绊，设备监管部门给出运维评级往往虚增高度，当下调等级时，则后延下调，往往导致生产部门与设备运维部门矛盾，因设备运维质量造成的宕机追责困难。因此，有必要对油田抽油机进行全生命周期运维监管，对抽油机易损配件进行编码赋码操作，记录其全流程信息，结合机器学习技术，对抽油机设备开展预测性维护，以确保其稳定运行。图2 所示为基于工业互联网标识解析的设备预测性维护示例。

图2 基于标识解析的设备预测性维护示例

1 系统设计

1.1 工业设备全生命周期运维流程分析

工业设备追溯系统能够对上游企业的计划、设计、制造、检验、仓储、售出和物流等生产流程进行剖析。中游企业是工业设备的企业用户，涉及的追溯环节和信息较为复杂，为本次研究的重点。涉及工业设备从采购、入库、安装、使用、状态监测、维修和闲置调拨等环节。设备追溯系统下游环节主要是报废设备的回收再制造，系统可记录设备的报废信息，以期实现设备材料和组件的循环利用和生产。工业设备全生命周期信息流追溯流程如图3 所示。

图3 工业设备全生命周期运维信息追溯流程

1.2 系统架构设计

工业设备全生命周期运维系统总体架构包括以下几个主要组成部分：数据层、感知层、资源层、业务层和应用层，如图4 所示。系统构建采用“基础设施层+平台”的方式实现。其中，基础设施层由通用数据模型、数据采集与传输装置以及应用层通用组件组成。

图4 工业设备全生命周期运维系统总体技术架构

基础设施层laaS 为设备智能运维决策系统提供了必要的软硬件基础。包括计算资源池、存储资源池和标识解析池等。

平台层PaaS 集成设备运维通用组件，可实现设备档案、点检记录、日常养护、备品备件、状态监测、数据分析功能。

应用层SaaS，Web 端（BS）采用前后端分离模式。通过Vue.js+html+css 的前端架构编写具有View、ViewModel、模块化等特点的数据应用，用于提供用户交互界面操作。移动端采用流行的uni-app 跨端开发框架。桌面端采用Electron 打包Web 端生成。

1.3 应用模块设计

1.3.1 追溯环节指标权重设计

运用AHP 层次分析法，实现工业设备全生命周期运维的各功能需求指标的分析。本研究选取29 名运维人员，评级指标采用1～5 分标度法，得到判断矩阵A如下：

表1 一级指标下各评价指标权重值

1.3.2 设备运维信息分析模块

本研究主要从设备台账、设备保养、设备点检、设备维修等方面进行系统功能配置，以实现用户对设备全生命周期运维管理的信息化。依照信息分类和编码标准（GB/T 7027-2002）的线分类法和层次编码法[7]，结合1.3.1 节AHP 层次分析法结果，以树形结构对设备进行分类。根据工业设备实际运行情况，建立设备基础档案，主要包括“设备标识编号”“设备名称”“所属车间”“品牌”“规格型号”等信息。作为周期性任务的设备点检及保养模块，包括点检计划、维修单、保养工单等信息。库存管理主要应用于成品的出入库，通过调用WMS的接口程序，与用户的WMS 系统进行交互，从而确定产品入库操作。设备运维信息分析模块主要分为生产制造、设备管理、设备库存、设备报废和设备再制造。同时，本研究对工业设备全生命周期运维各环节的基本信息、异常信息、所属部门以及环节参与人员工作要求等进行了关键数据分类，具体见表2。

2 关键技术

2.1 设备关键零部件标识编码规则

2.1.1 标识前缀

本研究在为企业的标识对象进行Handle 标识编码[9]生成规则制定前，首先向新疆特变电工标识解析二级节点平台申请注册唯一的企业标识前缀88.376.900 01，标识前缀相关申请信息主要涉及企业机构名称、中文地址、企业/机构所属行业等信息。通过国家标识解析顶级节点平台进行标识前缀查询，可获取到标识前缀的具体分配信息[10]，如图5所示。同时，本研究在标识前缀88.376.90001 的基础上，对企业内的标识对象进行编码生成规则的配置[11]。

图5 标识前缀分配信息

2.1.2 标识后缀

通过参考固定资产分类与代码（GB/T 14885-2010）[12]、国民经济行业分类与代码（GB/T 4754-2017）[13]、石油工业物资分类与代码（SY/T 5497-2000）和工业互联网标识解析石油标识编码规范等编码标准[9]，依照信息分类和编码标准（GB/T 7027-2002）的线分类法和层次编码法，以异形游梁式抽油机为例，对工业设备零部件进行标识编码，实现油田抽油机设备运维质量追溯系统信息检索。最后对Handle 标识编码的后缀部分进行定义，行业业务域由三位数字组成的两级分类，其中601 代表石油物资装备；对象类型由一位数字组成，3 代表实物资产（设备、设施、物资等）；对象应用系统流水码由标识解析二级节点随机生成，由6 位数字组成；对象属性用于确定油田抽油机运维系统中所对应的标识零部件编码，如图6 所示，需自主设计完成，由12 位数字组成，不足12 位从后补齐；申领日期由8 位数字组成，前4 位表示年，中间2 位表示月，后2 位表示日；当日序列码共6 位；校验码共2 位。部分标识后缀自定义编码见表3。

表3 抽油机减速箱后缀自定义编码示例

图6 标识编码结构示意图

2.2 标识载体选择

QR 码在工业设备的二维码标刻和识别中具有容错能力高、大数据容量、快速扫描速度、广泛支持和简洁设计等优点，被广泛应用于工业环境中，本研究将QR 码作为标识载体，对设备零部件进行标识。

在工业设备全生命周期管理过程中采用QR 码与上述标识解析编码相关联的方法。将QR 码关联系统信息进行赋码操作，用户可以在设备的采购、入库阶段进行赋码，现场员工通过扫码入库建立其基础台账，在安装、使用调拨、报废等环节扫码，将运维数据进行记录并存入系统设备报废或退役时，可以扫描QR 码追溯其历史信息和处理记录。

2.3 QR 的标刻与识别

通过运维系统的模块操作界面打印每个阶段的QR 码，对需要在表面进行打印的设备零部件，采用激光标刻的方法雕刻在其非工作表面。QR 码在扫描和解码的过程中，需要对存在图像损坏、噪声或部分遮挡进行纠正和恢复，以提高识别的准确性和可靠性。一般的QR 码识别过程包括以下步骤：图像获取→图像预处理→QR 码定位→QR 码解析→数据处理和应用。其中对已经污染的QR 码图像预处理和定位是决定其纠错能力的关键。本研究采用重采样和插值并结合强化边缘检测的方法，提高QR 码的纠错能力。图7 所示为抽油机驴头、游梁及检修的物联码标签示意图。

图7 抽油机物联码标签示意图

3 系统实现

3.1 功能设计

工业设备全生命周期运维系统，包括生产流通子系统、使用运维子系统、查询子系统和监管子系统，各子系统之间通过工业互联网标识解析和先进传感技术进行连接和数据交互，引入2.1 节所述统一的标识方案，确保设备和相关信息的唯一标识。生产流通子系统可以使用设备标识追踪设备的制造、物流和质量信息，并将所追踪信息传递给使用运维子系统。运维子系统可以根据设备标识来监测运行状态、维修记录和保养计划，并将信息反馈给查询子系统和监管子系统，实现设备的一致性和可追溯性，打破传统信息追溯方法的信息壁垒。同时，通过区块链、大数据、云边协同技术提升设备监管效能。系统信息流控制如图8 所示。

图8 工业设备全生命周期运维信息追溯系统信息流控制

3.1.1 生产流通子系统

工业设备生产流通子系统主要面向设备生产制造商，负责记录生产流通环节信息，包括生产计划管理模块、设备制造跟踪模块、物流管理模块、质量管理模块、标识解析模块、数据共享与集成模块。

生产计划管理模块用于制订和管理设备的生产计划，包括任务分配、工时预估、生产周期等；设备制造跟踪模块负责跟踪和记录设备的制造过程，包括采购原材料、加工制造、装配等环节；物流管理模块用于管理设备的物流信息，包括运输、仓储和配送等环节，可实现设备在供应链中的位置和状态追溯；质量管理模块负责记录设备的质量检验和测试，用于记录检测数据、质量报告和不良事件；标识解析模块为设备和相关信息分配唯一的标识符，实现设备的标识、跟踪和追溯；数据共享与集成模块实现与其他子系统进行数据交换。

3.1.2 使用运维子系统

面向工业设备全生命周期运维中游环节的企业用户，通过使用运维子系统实现信息记录。该系统包括设备管理模块、维护计划管理模块、点检模块、电子标签模块、设备台账管理模块。

设备管理模块主要用于对企业内设备进行全面的管理和监控。企业人员可以通过扫描二维码进行设备档案信息的新增、编辑、查询和删除操作，经审核，进行数据库信息的更新。以设备生产流通查询为例，主页面如图9 所示。

图9 设备生产流通查询页面

维护计划管理模块用于记录设备点检及养护信息，制订设备的维护计划。

点检管理模块为企业内绑定点检员角色的用户提供设备巡检计划，安排巡检任务，并记录点检设备部位及数据。

电子标签模块：经审核后的运维数据通过该模块写入系统数据库，并生成合格标签和查询二维码。

3.1.3 查询子系统

查询子系统以Web 形式发布，面向所有相关企业人员，对经审核的运维信息进行查询。

查询子系统包括PC 端和移动端，移动端包括常见的PDA，PC 端和移动端包含二维码模块用于扫描识别二维码[14]。用户通过该子系统获取查询链接，浏览工业设备关键零部件全生命周期运维信息，从而实现其全生命周期管理目的[15]。

3.2 用户界面设计

根据实际需求采用树结构模型对用户界面的维护分类名称和分类编码进行设计。其中上级分类采用级联结构进行配置，如果是顶层分类，“上级分类”维护为空。

3.3 数据库设计

基于需要存储的数据类型、结构、关系和约束等实际需求设计数据库，数据结构如图10 所示，部分数据字段规范表设计见表4。

图10 部分数据结构设计

4 性能分析

通过测试工具Postman(Version 8.0.6)进行数据写入和数据查询，各子系统通过接口进行30 轮测试，性能测试结果如图10 所示，其中生产流通数据平均写入时间为793.533 ms，平均查询时间为70.362 ms，能够满足企业用户和监管部门快速获取工业设备产品信息的需求；使用运维数据平均写入时间为792.133 ms，平均查询时间为66.534 ms，保障了企业设备运维人员能够快速查询工业设备使用运维状况。同时，在测试过程中使用了油田抽油机的驴头和游梁数据作为对比，如图11 所示，两类工业设备关键零部件的查询和写入时间趋于一致，系统稳定性较强。