武傳芳

（大慶油田信息技術(shù)公司，黑龍江 大慶 163000）

1 背景介紹

原油儲庫屬于國家一級防火防爆重點場所，縱觀油田企業(yè)發(fā)生的各類重大事故，設(shè)備設(shè)施故障是導(dǎo)致事故發(fā)生的主要因素。目前原油儲庫設(shè)備、工藝都實現(xiàn)了現(xiàn)代化，但原油儲庫設(shè)備完整性建設(shè)依然沒有達到現(xiàn)代化、標(biāo)準(zhǔn)化的要求，缺乏對油庫內(nèi)設(shè)備的全生命周期管理，設(shè)備依然使用傳統(tǒng)的管理模式，過度依賴管理人員的經(jīng)驗，導(dǎo)致原油儲庫運行成本增加，管理成本高于國內(nèi)正常水平。油庫內(nèi)各類設(shè)備的檢修計劃定制不夠科學(xué)，無法實現(xiàn)對資源的合理分配，設(shè)備使用效率較低。目前輸油泵機組故障主要依賴人員巡檢及專家經(jīng)驗，無法及時準(zhǔn)確的給出故障預(yù)警。

為解決以上問題，基于數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲與管理、數(shù)據(jù)分析與挖掘技術(shù)，研發(fā)設(shè)備完整性管理平臺，實現(xiàn)了油庫設(shè)備的全生命周期管理、輸油泵機組的故障預(yù)警以及綜合數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，改進優(yōu)化了業(yè)務(wù)處理流程，實現(xiàn)設(shè)備管理傳統(tǒng)事故應(yīng)對式到預(yù)防性管理的轉(zhuǎn)變，輔助管理者決策。

2 總體架構(gòu)

原油儲庫設(shè)備完整性管理平臺采用5層架構(gòu)模式：

應(yīng)用層：分為設(shè)備設(shè)施全生命周期管理和系統(tǒng)管理兩大部分。設(shè)備設(shè)施全生命周期管理分為設(shè)備設(shè)施數(shù)據(jù)管理、輸油泵機組故障預(yù)警管理、維護保養(yǎng)管理和綜合數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析4部分內(nèi)容，系統(tǒng)管理分為用戶管理、角色管理、組織機構(gòu)管理和權(quán)限管理4部分內(nèi)容。采用統(tǒng)一的門戶入口。

服務(wù)層：提供數(shù)據(jù)管理服務(wù)、預(yù)測模型服務(wù)、系統(tǒng)安全服務(wù)、業(yè)務(wù)流程服務(wù)、數(shù)據(jù)報表服務(wù)、消息服務(wù)、數(shù)據(jù)接口服務(wù)、基礎(chǔ)組件等服務(wù)。提供公共核心服務(wù)供應(yīng)用層調(diào)用。

數(shù)據(jù)層：負(fù)責(zé)應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)提供，匯集A5、設(shè)備動態(tài)數(shù)據(jù)庫和項目庫的數(shù)據(jù)資源，建立數(shù)據(jù)共享資源池，為平臺提供信息共享服務(wù)。

基礎(chǔ)設(shè)施層：采用統(tǒng)一的計算資源池、存儲資源池，使用現(xiàn)有的存儲資源、系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)資源。

系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

3 技術(shù)方案

基于springboot+mybatis架構(gòu)，研發(fā)一套適用于油庫設(shè)備全生命周期管理的原油儲庫設(shè)備完整性管理平臺，實現(xiàn)油庫設(shè)備的全生命周期管理、設(shè)備預(yù)測性維護以及數(shù)據(jù)綜合分析，輔助管理者決策。平臺包括數(shù)據(jù)管理、維修保養(yǎng)管理、輸油泵機組故障預(yù)警、綜合數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和系統(tǒng)管理5部分功能。

（1）數(shù)據(jù)管理?；跀?shù)據(jù)集成技術(shù)，實現(xiàn)對油庫設(shè)備（包括輸油泵、壓風(fēng)機、儲油罐、加熱爐、鍋爐、流量計、體積管、工藝管道、起重機械、壓力容器等）基礎(chǔ)信息的管理。

（2）維護保養(yǎng)管理?；诹鞒桃妗⑷蝿?wù)調(diào)度技術(shù)，實現(xiàn)油庫設(shè)備如輸油泵、壓風(fēng)機、儲油罐、加熱爐、鍋爐、工藝管道的日常維護、檢維修、設(shè)備更換、設(shè)備報廢、設(shè)備轉(zhuǎn)移等共20多個信息管理功能，實現(xiàn)特種設(shè)備的定期檢查包括起重機械日常使用狀況記錄、起重機械運行故障和事故記錄、起重機械安全檢查記錄等共6個信息管理功能，實現(xiàn)輸油泵、壓風(fēng)機等設(shè)備維修、保養(yǎng)流程如計劃上報、電子工單派發(fā)、工單接轉(zhuǎn)、工單審批等流程的無紙化辦公。

輸油泵、壓風(fēng)機的維修，分為自修、內(nèi)修和外修3種類型，保養(yǎng)分為一保、二保、三保三種類型，其中自修和一保工作流程類似，由大隊內(nèi)部進行維保；內(nèi)修和周邊油庫的二保、三保類似，由大隊提交泵修隊，泵修隊進行維修保養(yǎng)派工，然后交由分公司資產(chǎn)管理部進行審核，審核通過后，泵修隊進行維修保養(yǎng)；外修和偏遠油庫的二保、三保類似，由大隊提交ERP，ERP審批通過后，大隊進行送修單維護，之后送修單中指定的油田內(nèi)外部單位開始進行維保。所有維修保養(yǎng)工作完成后，都要進行現(xiàn)場確認(rèn)，錄入維修時間、維修負(fù)責(zé)人以及更換部件等信息。流程節(jié)點中相應(yīng)負(fù)責(zé)人可通過待辦任務(wù)進行工單接轉(zhuǎn)、工單審批。

（3）輸油機組故障預(yù)警?；诙嘣串悩?gòu)數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)建模等技術(shù)，對泵、電機的歷史數(shù)據(jù)、維修保養(yǎng)數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析與特征優(yōu)選，建立基于多參數(shù)機器學(xué)習(xí)故障識別模型，實現(xiàn)輸油機組的故障預(yù)警診斷。本項目對長輸泵、熱油泵、輸油泵、電機等輸油泵機組設(shè)備的振動、溫度、壓力等實時數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析，通過無監(jiān)督聚類機器學(xué)習(xí)建立故障診斷模型，實現(xiàn)了對輸油泵機組的實時在線分析診斷，有效避免人為經(jīng)驗決策以及不能及時發(fā)現(xiàn)故障而造成的損失，為相關(guān)管理人員及時采取措施避免經(jīng)濟損失、保障安全生產(chǎn)提供了有力技術(shù)支撐。

①數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理的第一步是數(shù)據(jù)清洗，也是保證后續(xù)結(jié)果正確的重要一環(huán)。若不能保證數(shù)據(jù)的正確性，則可能得到錯誤的結(jié)果，比如因小數(shù)點錯誤而造成數(shù)據(jù)放大10倍、百倍甚至更大等。在數(shù)據(jù)量較大的項目中，數(shù)據(jù)清洗時間可達整個數(shù)據(jù)分析過程的一半或以上。對收集的項目數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)存在的空值、亂序、缺失值、時間錯位等問題，需要通過進行清洗、處理才能進一步將各個特征數(shù)據(jù)進行整合集成，為下一步進行特征提取、數(shù)據(jù)分析做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。數(shù)據(jù)處理分為空值缺失值處理、時間錯位處理和異常值處理三種方式。

空值缺失值處理：通過分析數(shù)據(jù)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)缺失數(shù)據(jù)前后數(shù)值差別不大，如果用前面的值填補上缺失值符合數(shù)據(jù)實際變化規(guī)律。

時間錯位處理：通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)在實際數(shù)據(jù)采樣過程中，每個傳感器上傳數(shù)據(jù)的時間并不能完全對齊，這樣在特征合并時不能直接對同一個時間點進行對齊合并，因此采用不同點位數(shù)據(jù)時間進行最小化差值對齊，即兩個點位時間差值在一定范圍內(nèi)，認(rèn)為是同一時間點采集的數(shù)據(jù)。對時間對齊后中間差值的數(shù)據(jù)，采用插值的方式進行填補處理。插值也分好多種：比如拉格朗日插值，分段插值，樣條插值。本項目采用樣條插值法進行填充。

異常值處理：異常值可能是因為測量儀器干擾或故障造成，此種異常值應(yīng)該剔除，而對于由實際運行工藝參數(shù)變化導(dǎo)致的較大變化，此時不應(yīng)該當(dāng)做異常值。分析異常值規(guī)律后發(fā)現(xiàn)其主要呈現(xiàn)單突變特征，因此對呈現(xiàn)此種特征的數(shù)據(jù)進行剔除即可。

②特征提取。通過對泵、電機等動設(shè)備健康監(jiān)測手段分析，建立以振動特征分析為主、其他特征輔助進行綜合分析的特征故障診斷模式。通過大量的文獻與相關(guān)領(lǐng)域的調(diào)研分析，泵、電機等動設(shè)備本身的運行參數(shù)數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、振動數(shù)據(jù)特征，都能較好的反映設(shè)備運行對設(shè)備進行故障診斷的顯著特征。

③數(shù)據(jù)分析。繪制時間序列散點圖進行直觀數(shù)據(jù)分析，通過變量之間相關(guān)性分析，定量計算變量相關(guān)性，去除同類別相關(guān)性高的特征變量、減少變量個數(shù)，降低特征維度，優(yōu)選不同類別具有較大差異特征進行綜合分析。量化兩個時間序列之間的相關(guān)性可以從很多方向著手?；谛盘栴愋?，對信號作出的假設(shè)，以及想要從數(shù)據(jù)中尋找何種同步性數(shù)據(jù)的目標(biāo)，來決定使用哪種相關(guān)性測量方法。相關(guān)性測量方法包括Pearson相關(guān)，時間滯后互相關(guān)（TLCC）以及加窗的TLCC，動態(tài)時間扭曲（DTW）和瞬時相位同步等。

考慮到計算時效性簡便性同時兼顧準(zhǔn)確性，我們采用Pearson相關(guān)系數(shù)計算法來計算各個特征變量之間的相關(guān)性，從而進一步降低數(shù)據(jù)維度，具體計算公式如下所示：

④模型預(yù)測。通過對輸油泵機組溫度壓力、振動特征、波形特征等進行聚類分析，進一步優(yōu)選判別設(shè)備故障的特征參數(shù)，進而不斷優(yōu)化訓(xùn)練出故障診斷預(yù)測模型，根據(jù)模型可對設(shè)備運行狀態(tài)進行故障預(yù)測判斷。聚類分析是一種不需要任何先驗知識條件就能將樣本進行自動分類的多元統(tǒng)計模式識別方法，它是一個無監(jiān)督的觀察式學(xué)習(xí)過程。該方法特別適用于無法獲得故障數(shù)據(jù)樣本或故障數(shù)據(jù)樣本獲取相對困難情況下的故障模式識別問題。K-means聚類是源于信號處理的一種向量量化方法，現(xiàn)在則更多地作為一種聚類分析方法流行于數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域。K-means聚類算法的目的是：把n個點劃分到k個聚類中，使得每個點都屬于離它最近的均值(此即聚類中心)對應(yīng)的聚類中，以此作為聚類的標(biāo)準(zhǔn)。

⑤故障預(yù)警。將輸油泵機組的實時數(shù)據(jù)輸入模型進行分析，判斷可能存在的故障，給出相應(yīng)的預(yù)警信息。a.設(shè)備與實時庫參數(shù)關(guān)聯(lián)。建立設(shè)備與實時庫參數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。b.實時數(shù)據(jù)獲取。根據(jù)設(shè)備在實時庫中參數(shù)名稱，實時獲取設(shè)備參數(shù)值：泵前x軸振動、泵前y軸振動、泵前z軸振動、泵后x軸振動、泵后y軸振動、泵后z軸振動、泵前溫度、泵后溫度。c.故障預(yù)測。將獲取到的設(shè)備實時參數(shù)輸入模型，進行預(yù)測。d.預(yù)警結(jié)果展示。將每個設(shè)備的預(yù)警結(jié)果在頁面上進行展示。

綜合數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。綜合分析油庫設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)、保養(yǎng)維護數(shù)據(jù)和風(fēng)險防范數(shù)據(jù)，形成一系列完整的報表和圖表，展示供應(yīng)商評價、零部件廠商及使用壽命評價、設(shè)備維修保養(yǎng)質(zhì)量評價等信息，在維修保養(yǎng)質(zhì)量、設(shè)備供應(yīng)商選擇、部件供應(yīng)商選擇方面輔助管理者決策。

其中設(shè)備供應(yīng)商、部件供應(yīng)商評價的實現(xiàn)思路如下：基于設(shè)備、部件的維修保養(yǎng)數(shù)據(jù)，分析使用單位的所有設(shè)備（部件）自投用日期以來，發(fā)生的所有故障信息；并從設(shè)備（部件）生產(chǎn)廠家角度出發(fā)，以圖形化的形式展示每個生產(chǎn)廠家自所選日期以來在該單位投用的設(shè)備（部件）數(shù)量，以及這些設(shè)備（部件）發(fā)生的故障次數(shù)，展示自所選日期以來每個廠家生產(chǎn)的并投用到該單位的設(shè)備（部件）的故障率。

部件壽命評價的實現(xiàn)思路如下：分析設(shè)備維修保養(yǎng)記錄以及部件更換記錄，以圖形化形式展示每個廠家生產(chǎn)部件的所屬設(shè)備信息，以及部件投用日期、報廢日期等信息，展示每個廠家生產(chǎn)部件的使用壽命，輔助領(lǐng)導(dǎo)決策。

4 應(yīng)用效果

原油儲庫設(shè)備完整性管理平臺已在多個油庫進行了有效應(yīng)用，實現(xiàn)了油庫設(shè)備全生命周期中各類基礎(chǔ)信息、特種設(shè)備定期檢查、日常啟用前安全檢查，以及維修、保養(yǎng)、轉(zhuǎn)移、變更、報廢等信息的在線管理，提高了設(shè)備的完整性管理水平，降低了設(shè)備管理成本及人員勞動強度；實現(xiàn)了輸油泵機組故障自動預(yù)警，并結(jié)合維保策略，實現(xiàn)設(shè)備管理傳統(tǒng)事故應(yīng)對式到預(yù)防性管理的轉(zhuǎn)變，有效減少設(shè)備管理過程中的盲目性和隨機性；實現(xiàn)了設(shè)備維修保養(yǎng)統(tǒng)計分析，以及設(shè)備供應(yīng)商、部件供應(yīng)商以及部件使用壽命的評價，在維修保養(yǎng)質(zhì)量、供應(yīng)商選擇方面輔助管理者決策。