中国指挥与控制学会会刊 
部分偏远地区作为重要的建设区域,正在进行各类建设任务,需要保证设备正常运转。受恶劣地理环境的影响,如高温、高盐、高湿度等[1],设备的损耗与故障率极高,一旦出现设备故障或损坏,偏远地区交通不便,短时间内无法快速重新投入使用,设备维修保障面临相当程度的挑战[2]。随着新型设备大量覆盖建设,高新技术设备占比迅速增加,以电子化、信息化为主要特点的技术复杂性进一步对设备维修保障造成较大困难[3]。同时,为确保建设进程高速推进,为确保设备“能用、顶用、好用”,当地人员对设备保障的快速性和精准性提出更高要求,设备运转完好性与设备维修保障之间的矛盾尤为突出。在此背景下,借鉴保障理论,优化保障模式,融合保障技术以及各类设备的适应性改进技术[4],创新偏远地区设备维修保障模式,是解决当前偏远地区设备保障面临的堵点、难点,保证设备运转完好,助推设备优化改进的迫切需求[5]。
1 偏远地区设备维修保障模式分析
偏远地区设备维修保障是指利用经济社会发展体系的丰厚资源和强大支撑,对偏远地区设备实现科学及时、精准高效的设备维修保障,解决当地人员的复杂设备维修能力弱、保障规模大、行动响应要求高以及维修保障能力建设难等问题[6]。当前,偏远地区设备维修保障面临诸多挑战。一是偏远地区设备覆盖基础建设、统筹调度和通信保障等多种类型高新技术设备,受专业重点和建设成本限制,当地人员只能完成基本的故障定位与排查,专业性维修保障仍需依赖各设备出厂单位;二是偏远地区设备规模体量大,从时间和成本角度来看,对设备的批量化支持引发设备保障的规模化效应;三是通过采用紧前保障、远程诊断等保障模式,利用周转器材库构建和智慧物流技术发展,可缩短偏远地区交通不便造成的维修人员、保障器材延误时间,提高设备保障时效性,显著改善当地常态化保障效果;四是通过与当地建设人员共同维修保障,可实现由交付设备向交付执行力转换,循序渐进地提升当地人员自主保障能力[7]。
设备维修保障以保证设备完好性为首要原则,即满足设备全寿命周期内使用阶段可执行作业时间占比需求,同时,要求与当地人员的自主保障能力相匹配,即承接当地人员自主保障无法完成的保障任务,避免过度保障,与设备部署和使用要求相适应,根据偏远地区地理位置、环境特点因地制宜,满足设备常年当地建设使用需求[8]。遵循以上原则,现有设备维修保障模式可分为当地维保、应召支援、远程诊断、定期巡检和等级修理等五种模式,保障模式及相互关系如图1 所示。
偏远地区设备维修保障面临交通不便、自然环境恶劣等诸多困难,现有设备维修保障模式难以适应偏远地区设备维修保障需求。一是偏远地区常规交通手段耗时长,针对当地人员自主保障无法解决的故障问题,传统的临时抢修从保障任务响应起,需进行人员安排、备件筹措、交通协调工作,到实地维修保障止,最短数天,最长超一个月,无法满足设备维修保障时效性要求[9⇓-11]。二是偏远地区设备建设运转时间长,个别恶劣环境对设备持续作用,传统的计划性修理因缺乏维修保障数据、修理周期参数模型等,导致保障机制方面产生偏差,容易造成“维修不足或维修过度”的问题,影响设备建设完好性与设备保障经济性。三是若偏远地区设备维修保障由制造单位全权负责,可保证平时设备建设完好性要求,但当地人员自主保障能力未能在设备使用建设中循序渐进提高,在特定时间制造单位受到保障法规限制,易造成“当地人员保障能力缺乏,地方保障力量受限”困境。通过偏远地区设备维修保障,能够有效解决保障时效性差、平时计划性维修不足和运用时操作人员自主保障能力弱等问题,全时段显著提高设备使用建设完好性[12⇓-14]。
结合偏远地区设备维修保障需求特点,本文设计了面向偏远地区的设备维修保障模式,以基于状态的维修(Condition-Based Maintenance, CBM)、故障预测与健康管理(Prognostics and Health Management, PHM)为核心,开展偏远地区设备维修保障体系架构与维修保障平台功能设计,为建设实用可行的偏远地区设备全寿命周期维修保障体系提供决策依据。
2 偏远地区设备维修保障体系架构设计
新时期设备建设背景下,设备保障涌现出诸多新特点,包括信息更加重要、项目更加艰巨、方式更加灵活、实效空前提高、空间更为扩展和体系更趋合理,主动保障、实时保障、精准保障、可靠保障等设备保障的新要求也更加突显,设备保障的信息化特征愈加突出。偏远地区设备维修保障体系旨在融入各区域设备保障体系重塑要求,覆盖偏远地区所有设备维修保障业务范围,构建“先导式、智能型、网络化、精准化”设备自主维修保障体系,满足偏远地区设备建设完好性、保障经济性和数据可用性要求。
以信息化为基础、以智能化为愿景,偏远地区设备维修保障体系架构设计从顶层规划出发,提出与设备保障新特点、新要求相适应的总体框架、技术系统、服务体系和部署模式等,充分应用新的保障理念,融入全区域设备保障信息化建设,避免“分散独立”“功能单一”“小而全”“大而疏”的设备保障模式。
2.1 总体框架
根据设备自主维修保障体系的构成要素,偏远地区设备维修保障体系总体框架包括一套分布式保障信息系统、一套PHM系统以及维修保障资源设施。总体框架以软件为主、硬件为辅,一方面是现有软件已大大落后于先进软件的发展,另一方面是未来“软件定义一切”。其中,分布式保障信息系统、PHM系统共用一套自主可控的商用货架产品(Commercial Off-The-Shelf, COTS)硬件配置,建立偏远地区设备维修保障体系“私有云”,软件由云服务商提供中立的容器编排引擎,为各型设备制造单位提供一致的、标准化的、安全的任务软件运行环境。维修保障资源设施包括通用型保障工具、各型设备专用型保障工具、保障耗材与器材、保障场地、保障人员、保障信息和保障体制。分布式保障信息系统基于信息化手段将设备信息与维修保障资源设施映射为可视化数据资源,实现设备维修相关数据的云端存储,在技术成熟后通过数字孪生的技术方式,实现设备维修保障的实时分析与即时处理。系统设计与开发采用模块化开放系统架构(Modular Open System Architecture, MOSA),支持各型设备保障软件功能域和保障工具硬件接口适配,将传感器、设备和其他物理对象连接到云端,实现设备保障数据的采集、传输和应用,如图2 所示。在开放系统容器架构中融入机器学习、深度学习与其他算法,在保障体系架构中采用大数据分析的方式处理偏远地区庞大的设备保障信息,从繁杂的数据中智能提取出对设备保障、设备开发迭代有价值的信息与关系,为保障决策与设备开发迭代提供支撑。MOSA通过模块化设计、指定关键接口、使用开放标准、认证符合标准程度,简化集成和替换子系统/组件的过程,易于变更子系统或组件,使设备保障建设降本增效,成果便于移植应用。
2.2 技术系统
技术系统主要考虑系统的非功能性特征,对系统的可靠性、高效性、安全性、扩展性、伸缩性、简洁性等做系统级探索。可靠性、高效性、安全性主要基于“私有云”的硬件性能与软件架构,其中,软件涉及云端数据库存储与索引、负载均衡、大数据智能分析等;扩展性、伸缩性基于MOSA随着偏远地区设备的动态部署进行增加、替换或移除;简洁性基于软硬件模块化统型、软硬解耦、智能保障决策,通过制定开放的标准接口、标准协议降低对保障设备的保障需求,并且通过人工智能算法匹配设备信息与相应的维修保障等级。
偏远地区设备维修保障体系以“私有云”为基础,建立满足偏远地区所有设备维修保障的联合通用架构,构建“分布式信息系统+PHM系统+资源设施”的公共基础平台,支持设备承研单位在平台上开发和部署保障软件功能域。通过符合标准的容器编排引擎避免碎片化的运行环境,为用户提供统一的门户界面。
偏远地区设备维修保障体系发展到一定阶段后,可为其构建设备保障数字孪生系统,充分利用物理模型、传感器数据、云端数据库等数据,集成多维度、全覆盖的仿真过程,在“私有云”中完成保障设备的数字化映射,反应偏远地区实体设备的全生命周期过程,贯穿地区设备的设计、开发、制造、服务、维护以及报废回收的整个周期,不仅限于管理地区设备,而且聚焦于当地人员高效地使用、迭代研发设备。通过构建偏远地区全生命周期的设备维修保障体系架构,保障设备本体与数字孪生体以“私有云”为基础容器,地区之间建立全面的实时或准实时联系,确保设备保障与迭代改进可以在地区之间同步进行。
2.3 服务体系
服务体系包括业务体系和应用体系两个方面,业务体系包括业务规划、业务模块和业务流程,应用体系定义具体功能域以及功能域之间的分工合作关系。应用体系和业务体系相辅相成,相互融合。
偏远地区设备维修保障服务体系面向所有设备,基于当地维保、应召支援、远程诊断、定期巡检和等级修理等五种典型保障模式,开发支持保障计划、职责分工和保障流程的可视化监管业务,设计保障平台运行管理系统、设备保障管理系统、维护保养能力考评系统、设备保障智能分析系统以及手持保障管理终端系统等五个应用业务系统的功能域,如图3 所示。
整个设备维修保障系统平台建立在“私有云”的基础之上,其模块化开放式的架构包含五大服务功能系统。保障平台运行管理系统采用云端计算方式,将设备数据与运算在“私有云”内分布式存储与处理,针对庞大的地区设备信息利用可扩展系统架构,分担存储负荷。设备保障管理系统通过分布式资源管理,保证在多点并发执行环境中,各个节点的实时状态同步,保证设备维修保障系统平台中各个系统稳定运行。在单个设备节点出现故障时,设备保障管理系统可以通过智能化机制依据偏远地区设备现状进行动态变化部署,在其他节点不受影响的情况下进行设备保障维修。维护保养能力考评系统通过存储设备保障维护历史数据、设备维护人员培训与考评,持续记录偏远地区设备保障的完整生命周期,用于测评设备保障情况与支撑同步设备开发迭代改进。设备保障智能分析系统以人工智能技术为核心,通过分布式架构在“私有云”环境容器内,对接入保障平台的各类偏远地区设备通过传感器进行状态监测,持续实时地进行故障诊断,利用数据库内的数据,对故障设备现状以及偏远地区维修器材库状态进行大数据关联分析,运用机器学习、深度学习等算法进行设备保障维修智能决策,采用最优方式对偏远地区设备进行高效维修,降低设备故障时间。设备维修保障系统平台改变了传统的集中化管理架构,可以通过手持保障管理终端在整个地区分布式灵活部署,可以随时随地接入设备保障平台,确保在整个偏远地区范围内即时使用设备保障平台内所有功能。
2.4 部署模式
部署拓扑模式包括架构部署节点、节点关系以及服务器的高可用、网络接口和协议等,其决定了应用如何运行、运行的性能、可维护性、可扩展性。偏远地区设备维修保障体系部署模式依据偏远地区地理位置分布,采用分布式体系架构部署。分区域数据定期复制传输至总体区域备份,按照当地人员建制管理。总体区域数据库数据定期回传至基地数据库,由基地数据库实现总体区域数据的同步更新。在偏远地区设备维修保障体系成熟后,在基地与总体区域之间部署广域分布的设备保障数字孪生系统,在基地端虚拟映射偏远地区的设备孪生体,为远程实时维修与设备开发迭代改进提供可行性通道。
3 偏远地区设备自主维修保障平台设计
偏远地区设备自主维修保障平台以设备保障“人机料法环”五要素、“供修管训”四业务为指导,采用信息化手段完成设备保障信息的采集、统计、存储及运维,基于智能化手段完成设备维修保障的智能辅助决策,为偏远地区提供精确、快速、及时、高效的设备维修保障能力。
平台以“私有云”建立基础设施即服务、平台即服务、软件即服务等三种共性基础服务,为偏远地区所有设备维修保障提供软硬件开发集成环境。平台根据设备使用方式和维修保障需求,建立集成数据环境,实现设备维修保障管理信息形式数字化、传输网络化、处理自动化、应用集成化、保障资源可视化和设备保障精准化,以设备维修保障数据支撑设备优化改进。平台建设以体系为牵引,搞好顶层设计,考虑现实与长远,分步实施建设,迭代升级智能化水平。
3.1 平台总体设计
1)偏远地区设备维修保障平台需求
偏远地区设备用于偏远地区当地人员遂行管理偏远地区及周围地区、及时有效应对突发事件等事项,常年处于运转状态,对设备的建设完好性要求高。设备维修保障是保持当地人员建设能力的前提条件,以航海、航空设备保障管理方式为借鉴,因地制宜采用保障方式,通过“+智能化保障”实现更高阶的设备保障能力,见表1 。此外,偏远地区作为重要区域,其作用是为平时作业提供航空、航海补给、燃料补充以及维修保障等保障条件,保障平台需求中应包含航空、航海保障需求。
表1 偏远地区设备维修保障需求Tab.1 Equipment maintenance support needs in the remote region |
| 航海、航天设备保障 | 偏远地区保障 | +智能化保障 |
|---|---|---|
| 以船舶、航天设备保障管理办法作为偏远地区设备保障的依据,进行适应性改进; | 因地制宜,解决偏远地区交通不便、环境恶劣等因素影响下设备故障率高、远离大陆等保障时效性、复杂性问题; | 实现: •数据的信息化 •维修的智能化 •维护的便捷化 •改进的规范化 |
| 困难:临抢修时效性差、等级修理设备无法运走。 | 不足:数据采集、状态管理、维修保障信息化,维修智能化较差。 |
2)偏远地区设备维修保障平台思路
偏远地区设备维修保障思路有四点。一是应用先进的保障理念,在设备保障长期实践积累经验中,催生以可靠性为中心的维修、基于性能的保障、基于状态的维修等设备维修先进指导思想,在恰当的时间对正确对象进行适宜的维修,降低“维修不足”和“维修过剩”引起的时间和经济成本压力。二是应用商用信息化技术,商业信息化技术发展日趋成熟,在信息的采集与处理、数据的存储与索引等方面应用广泛,可移植应用于设备保障平台的数据信息采集、大数据分析处理等方面,以数据为中心开展设备维修保障工作。三是应用人工智能技术,人工智能技术发展日新月异,可将人工智能算法和模型应用于设备故障预测与诊断、设备维修辅助决策等方面,推动设备维修保障先进理念的落地。四是以偏远地区设备维修保障平台为基础,将制造单位的数据分析能力/设备保障经验与当地人员技术能力拓展/保障能力生成进行深度融合,通过保障平台建设,全面覆盖设备保障管理、故障预测/诊断、器材消耗/筹措、保障教学/考评等业务范畴,同步形成当地能力和保障能力。
3)偏远地区设备维修保障平台功能
偏远地区设备维修保障平台功能依据偏远地区设备维修保障体系架构的服务体系进行设计,在平台私有云上开发设备维修保障业务系统功能域,如图4 所示。
偏远地区设备维修保障平台分为偏远地区设备自主维修保障平台与手持终端两个使用模式。偏远地区设备自主维修保障平台以地区基站为主,手持终端为延伸,全方位灵活覆盖偏远地区,对各类设备进行监控、保障、维护工作。
① 地区设备自主维修保障平台
地区设备自主维修保障平台为固定基站,提供设备保障管理、设备状态管理、器材耗材管理、技术资料管理、故障智能诊断、维护保养考评等六个系统。
设备状态管理、器材耗材管理、技术资料管理作为平台的基础功能,对偏远地区的各类设备数据建立大型数据库,存储在以“私有云”为基础的偏远地区设备维修保障平台中,各类数据在平台页面中作为选项可在操作端可视化,提高对于各类地区设备的监控程度,并作为以大数据分析为核心的人工智能保障决策技术的数据基础,支撑平台顶层功能的高效运行。
设备保障管理、故障智能诊断、维护保养考评则是建立在庞大数据库之上,用以对偏远地区设备进行维修保障的顶层功能,通过平时的设备保障、维护保养考评对设备的全寿命周期进行记录,保证设备的运行能力。故障智能诊断功能在设备出现故障时,通过大数据分析与人工智能技术将设备故障情况与云端数据库进行对比,诊断设备故障问题,分析提出维修保障方案。在出现偏远地区无法维修的情况下,通过设备保障管理系统进行远程维修支持,同时对基础数据库进行设备问题记录反馈,更新丰富云端数据库,形成良性迭代循环。在保障平台搭建成熟后,基于平台开放式兼容可扩展的特性,在“私有云”内以数字孪生技术为核心,构建与中心基站的进一步连接,在云端上传偏远地区的实时虚拟映射体,为设备远程维修保障、开发迭代改进提供高效平台。
② 手持终端运用系统
手持终端运用系统的特点是运用便携式的优点,可在偏远地区进行分布式灵活部署,及时调度进行设备保障维修。基于偏远地区保障平台的数据、通信支持,可以在手持终端上通过设备保障管理对设备进行维修保障,查询设备数据,并对设备故障进行数据采集,反馈到云端数据库中进行设备数据的更新丰富,基于云端内的人工智能算法进行故障诊断与维修决策,进行及时、高效的设备维修保障。并且,可以通过手持终端内的维护保养训练功能在平时对当地人员进行训练,提高当地人员对设备维修的熟练程度。
3.2 PHM系统设计
故障预测与健康管理技术是实现CBM的重要技术途径,已成为现代设备实现自主式后勤(Autonomic Logistics, AL)和降低全寿命周期费用的关键核心技术。PHM利用先进传感技术在线或离线采集设备多种参数数据,采用现代数据处理技术、信息融合技术等手段对采集的数据进行处理、融合,生成设备的健康状态、故障预测等决策输入信息,再通过各种智能算法进行维修资源配置、设备使用管理以及视情维修决策,最终实现基于设备状态(历史、当前及未来状态)的智能维修保障。
PHM系统部署在偏远地区设备维修保障平台上,是实现偏远地区设备自主维修保障的重要组成。从体系总体框架可以看出,PHM系统将偏远地区各型设备共性部分集成设计,各型设备如建设系统、调度系统、通信系统等具体的PHM功能域设计开发由设备承研单位负责。偏远地区人员根据维修保障平台的PHM系统对设备的健康状态进行故障管理、故障预测等,结合建设计划,制定对各型设备的智能维修保障方案。
PHM系统体系结构有基于状态的维修开放式体系结构(Open System Architecture for Condition-Based Maintenance, OSA-CBM)、集中式体系结构、分布式体系结构、分层融合式体系结构等四种典型体系结构。针对单区域设备,考虑其动态部署变化,以OSA-CBM开放式体系结构建立单区域PHM系统框架,如图5 所示。
偏远地区单区域设备PHM系统主要支撑本区域设备基于CBM和日常作业相结合的视情维修保障组织实施,由各设备制造单位根据设备特点突破传感器数据采集技术、智能故障预测与维修辅助决策技术;多区域设备PHM系统主要用于多区域同类型设备故障预测与健康管理智能算法模型参数优化、多区域间维修保障PHM系统技术验证,以及基地、偏远地区保障部、制造单位联合策划与组织实施保障任务,并向上支撑统筹年度保障计划和制造单位设备优化改进工作。
4 结束语
本文针对偏远地区设备维修保障问题,研究分析偏远地区设备维修保障模式特点与难点,在此基础上,以信息化为基础、智能化为愿景,创新设计偏远地区设备维修保障体系架构,提出以CBM、PHM等为核心的偏远地区设备自主维修保障体系平台设计方案,形成偏远地区设备维修保障模式的实施途径,为偏远地区设备维修保障体系建设、升级和实施提供依据。