设备健康码管理系统的设计与应用

朱俊、赵文澜、赵小勇、王芸 /北京精密机电控制设备研究所

设备健康码管理是通过采集、分析、利用设备运行状态的监测信息，融合使用、保养与维修信息，结合设备健康管理理论与分析评价方法，对影响设备健康状态的主要技术指标、管理要求的落实情况和人为操作等因素进行数据分析与综合评估，进而出示相应设备健康状态指示码（设备健康码）的管理过程。设备健康码管理系统是基于设备健康码的管理需求，通过收集设备使用过程中的关键运行参数、日常点检记录、保养维护与维修记录等相关信息，借助设备健康状态综合评价算法，评判、显示设备“绿码”“黄码”“红码”等健康状态指示标识的信息化管理平台。

设备健康码管理信息系统的主要架构由资源管理层、信息获取层、信息处理层和应用表示层组成，如图1所示。

图1 系统总体架构图源利用效率

1.资源管理层

资源管理层的主要功能是对影响设备健康状态的主要参数进行信息的采集、存储、传输、读取和管理，涵盖数据库管理、目录服务、记录管理等建设内容。主要管理的信息资源包括设备基础类信息资源、影响设备安全运行的关键参数指标、设备点检记录信息、设备保养维护记录信息、设备维修过程记录信息五大类。

一是设备基础信息资源，通过信息获取层获取的设备名称、所在位置、所属单位等基础信息记录构成。二是影响设备安全运行的关键参数指标，设备在使用运行过程中采集到的运行时间、关键运行参数、重要异常提示信号等设备运行期间的相关信息采集记录。三是设备点检记录信息，针对设备进行的日常外观检查点检确认记录，定期对设备技术状况进行的专项检查和测定的点检信息记录。四是设备保养维护记录信息，对设备按照维保计划开展的二、三级保养完成情况进行的信息记录。五是设备维修过程记录信息，主要包括设备报修记录、设备维修进度记录、设备维修完成结果记录等。

在资源管理层中，信息主要以完成工作内容确认、设备关键运行参数监测、维保过程及完成情况记录等形式进行采集并存储到数据库中，或以扫描的图片与文档作为辅助留存记录、存储至资料库中。

2.信息获取层

信息获取层的主要作用是收集设备和人工录入的相关信息，并提供与资源管理层、逻辑控制层和应用表示层进行信息交换的相应接口，主要由硬件设备、软件系统和数据传输网络组成。硬件部分主要包括信息输入设备（设备传感器、扫描信息录入设备、人工手动录入设备等）和网络数据采集设备等；
软件部分主要用于信息处理、内容转换和硬件设备的管理控制等；
传输网络部分主要用于数据信息的传输。

3.逻辑控制层

设备健康码管理涉及设备运行状态监控、维保信息处理、健康状态评估等业务。逻辑控制层是确保设备健康码管理系统正常运行的主要架构，为设备健康码管理各项业务功能、流程、规则、策略提供支撑的关键组成部分。涵盖了控制业务对象以及它们之间的关联关系，包含了业务对象在业务流程与具体功能中的使用。其需实现对所有影响设备健康状态的异常信息做出正确分析与判断，如从信息获取层获得设备相关采集信息后，经过比对分析，若超出预设阈值，则出示警示信息。逻辑控制层进行设备健康状况评估的依据主要依托于设备运行关键参数的监控数据，并结合设备点检、维保及维修情况，通过算法机制评估得出设备健康状况的评价结果，形成设备健康码，便于管理人员直观查看设备的健康状态信息。

4.应用表示层

应用表示层通过人机交互等方式，将资源管理层、信息获取层、逻辑控制层有机结合，并以图表、图文等形式向用户展示各类信息和流程处理结果的结构部分。应用表示层是设备健康码管理系统各项数据、信息流、应用对象以及数据交换界面的综合描述，需清楚地表述各种界面中的数据以及数据在各流程间的交互情况，为管理人员清晰地展示设备当前健康状态的评价结果（设备健康码），并以不同颜色的健康码表征设备当前的健康状态，同时能够查询和显示设备以往健康状态历史记录等情况。

设备健康状态评价的核心在于合理确定每一个评价指标以及计算评估的模型。一是确定评价对象的健康状态影响因素并组成评价指标集。二是根据评价指标对健康状态的影响程度大小形成评语集。三是按每一个评价指标单独评判影响程度并汇总形成评估集。四是根据所有指标综合加权进行评判得出评价结果。

1.设备健康状态评价基本流程

设备健康状态评价基本流程如图2所示。确定评价对象，针对该对象建立评价指标集和评语集，通过评估算法计算评价指标对设备健康状态的影响程度，并根据各个指标的权重，由权重集和评估集综合计算最终的评价结果。

图2 设备健康状态评价基本流程

2.设备健康状态劣化度的设定

通过对劣化程度的分析、研究和量化，可以估算出设备当前的健康状态。设备健康状态评价算法可以利用劣化度表征各评价指标因素相对于评语集的隶属关系，并以扣减劣化度分值的方式计算得出评价定量结果。

当设备健康评估状态较差时，健康评价数值接近其极小值，此时从设备健康指数总数中扣减的劣化度分值趋近于最大值100；
当设备正常工作，运行状态良好时，健康评价指数总数扣减分值接近于极小值，即其劣化程度趋近于最小值0。因此，设备健康指数的总分值为100，可扣减的劣化度分值取值范围为0～100。

3.设备健康码管理系统的软件架构

根据被评估设备在运行过程中采集相关技术参数的难易程度，以及设备维护人员对设备点检与维保的主观认知限制性等人为因素，需对设备健康码的管理构建软件框架，如图3所示。

图3 设备健康码管理系统软件框架

通过传感器或设备采样数据传输接口采集并接收设备的运行状态信息，经过信号处理与特征提取后，传送到设备健康管理信息数据库。系统可调用CBM工具包中的计算模型（灰色预测模型、比例风险模型、卡尔曼滤波模型等）对采集到的设备信息进行健康状态分析，并将分析结果传递至设备健康码生成控制软件模块，用于将评估得出的设备健康状态评价结果转化生成对应的设备健康码。

企业用户通过移动终端、固定展示终端或系统预留接口获取设备健康码的相关信息。其中，设备健康管理数据库是本系统的基础核心数据库，用于存储大量的设备运行状态监测信息、维护保养记录信息以及设备自身的产品档案信息等。

4.设备健康码的生成

设备健康码的生成，是利用在线监测关键参数技术数据以及人工录入确认的设备维保记录数据获得的设备运行状态数据，经过定期的健康状态评估，分析设备健康状态的劣化度。当设备处于正常良好运营状态时，设备健康码显示为绿色。当设备出现劣化迹象时，通过评价当前设备处于何种程度的健康劣化状态，以红色或黄色健康码的形式向相关设备的使用人员、维修人员及管理人员进行报警，便于相关人员根据设备健康评估结果及时进行设备维护处理。

应用设备健康码管理系统将改变当前企业难以开展设备健康状态信息化管理的现状，改变设备健康档案数据信息的存储与查阅方式，实现设备健康状态信息自动评价显示，进而有效提高设备的安全运行监管水平，提前预警降低故障发生风险，提升设备持续稳定运行时间，确保科研生产设备运行的安全性、连续性与可靠性。