張 陽,謝立華,段正強(qiáng)

(四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司,四川 成都 610020)

隨著工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn),機(jī)械設(shè)備的健康狀態(tài)成為企業(yè)相關(guān)領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)[1],只有機(jī)械設(shè)備足夠健康,才能保障其安全穩(wěn)定運(yùn)行,并防止因故障導(dǎo)致的停工、停產(chǎn)問題發(fā)生[2-3]。機(jī)械設(shè)備健康狀態(tài)評價(jià)是確定機(jī)械設(shè)備健康與否的主要方式[4],因此尋求一種有效的機(jī)械設(shè)備健康狀態(tài)評價(jià)方法成為各大企業(yè)面臨的問題。單增海等[5]采用多傳感器信息融合方法構(gòu)建評價(jià)模型,結(jié)合所獲得的傳感信息獲取設(shè)備健康狀態(tài)的最終評價(jià)結(jié)果,但該方法在實(shí)際應(yīng)用過程中過于依賴傳感數(shù)據(jù),導(dǎo)致最終所得評價(jià)結(jié)果存在一定偏差;談林濤等[6]引入RB-XGBoost算法,該算法以分類器為基礎(chǔ)對設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)行評價(jià),但在實(shí)際評價(jià)過程中該方法指標(biāo)體系未考慮評估指標(biāo)的模糊性,導(dǎo)致最終評價(jià)結(jié)果在特定情況下出現(xiàn)偏差。

針對上述問題,本文提出基于ASP(應(yīng)用服務(wù)供應(yīng)商)模式的機(jī)械設(shè)備多特征參數(shù)健康狀態(tài)綜合評價(jià)體系,基于ASP模式搭建評價(jià)平臺(tái)架構(gòu),構(gòu)建機(jī)械設(shè)備健康狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)體系,采用模糊綜合評估方法,構(gòu)建評價(jià)模型,以保障機(jī)械設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

1 機(jī)械設(shè)備多特征參數(shù)健康狀態(tài)綜合評價(jià)體系

1.1 基于ASP模式評價(jià)平臺(tái)架構(gòu)

ASP是微軟.NET框架的主要組成部分,以其作為網(wǎng)絡(luò)開發(fā)工具,可豐富微軟.NET框架的類庫,同時(shí)還可有效管理和執(zhí)行較為復(fù)雜的組件,保障網(wǎng)絡(luò)效率[7-8]?；贐/S架構(gòu)的機(jī)械設(shè)備健康狀態(tài)綜合評價(jià)體系充分利用了ASP模式的優(yōu)勢,以企業(yè)Intranet為基礎(chǔ),為機(jī)械設(shè)備健康狀態(tài)評價(jià)應(yīng)用提供了信息集成平臺(tái),平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 綜合評價(jià)平臺(tái)架構(gòu)

圖1所示的平臺(tái)架構(gòu)內(nèi),數(shù)據(jù)服務(wù)層的主要功能為采集機(jī)械設(shè)備特征數(shù)據(jù),并將機(jī)械設(shè)備特征數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫內(nèi),對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。作為數(shù)據(jù)服務(wù)層與表示層的橋梁,邏輯層利用OLEDB程序接口連接數(shù)據(jù)庫,并將Microsoft IIS(互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù))作為Web服務(wù)器,同時(shí)運(yùn)用C#語言完成機(jī)械設(shè)備多特征數(shù)據(jù)采集、機(jī)械設(shè)備多特征數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、機(jī)械設(shè)備健康狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建、機(jī)械設(shè)備多特征參數(shù)健康狀態(tài)評價(jià)模型構(gòu)建。表示層作為用戶與評價(jià)方法的交互工具,可接收用戶請求,并向用戶提供最終評價(jià)結(jié)果。

1.2 邏輯層

1.2.1指標(biāo)體系構(gòu)建

評價(jià)指標(biāo)體系與評價(jià)模型是邏輯層的主要組成部分。機(jī)械設(shè)備的健康狀態(tài)可以通過其運(yùn)行情況來評估,若機(jī)械設(shè)備或其中的某個(gè)零件產(chǎn)生故障,那么對應(yīng)的技術(shù)特征數(shù)據(jù)將出現(xiàn)偏差[9]。為描述機(jī)械設(shè)備的實(shí)際健康狀態(tài),依照機(jī)械設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況[10-11],構(gòu)建綜合評價(jià)指標(biāo)體系。以機(jī)械設(shè)備故障模式及其影響分析為基礎(chǔ),能夠得到大量與機(jī)械設(shè)備健康狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的因素,比如機(jī)械設(shè)備或零件的故障對相關(guān)環(huán)境與人員安全的影響、對機(jī)械設(shè)備功能的影響[12]、對相關(guān)聯(lián)設(shè)備的影響以及所造成生產(chǎn)損失的大小、維修的難易程度等。部分因素之間存在較為顯著的相關(guān)性,為提高評價(jià)效率,依照評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建相關(guān)原則與標(biāo)準(zhǔn),從機(jī)械設(shè)備可靠性特征、維修性特征、技術(shù)性能特征、經(jīng)濟(jì)性特征、監(jiān)測性特征、安全性特征等6個(gè)方面構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系,具體見表1。

表1 評價(jià)指標(biāo)體系

1)可靠性特征所描述的是機(jī)械設(shè)備及其零件在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)與相應(yīng)條件下完成既定工作的能力,即機(jī)械設(shè)備及其零件不出現(xiàn)故障的能力。該特征能夠反映機(jī)械設(shè)備在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行情況[13]。一般情況下,描述機(jī)械設(shè)備可靠性特征的參數(shù)包括可靠度、平均無故障運(yùn)行時(shí)間與故障率。

2)維修性特征作為機(jī)械設(shè)備的固有屬性特征之一,所反映的是機(jī)械設(shè)備及其零件在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間與相應(yīng)條件下恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)的能力,也就是機(jī)械設(shè)備及其零件易維修的程度。當(dāng)機(jī)械設(shè)備及其零件出現(xiàn)故障后,機(jī)械設(shè)備將無法運(yùn)行,導(dǎo)致生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)損失,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)威脅人的健康和生命安全[14]。一般情況下,描述機(jī)械設(shè)備維修性特征的參數(shù)包括設(shè)備維修時(shí)間、設(shè)備維修難易度和設(shè)備及零件購買難易度。

3)技術(shù)性能特征所反映的是機(jī)械設(shè)備及其零件的精度等級、結(jié)構(gòu)特征、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)行參數(shù)與生產(chǎn)能力等。一般情況下,描述機(jī)械設(shè)備技術(shù)性能特征的參數(shù)包括設(shè)備的精度、設(shè)備生產(chǎn)效率、設(shè)備的工作能力、設(shè)備維修性的優(yōu)劣和設(shè)備的機(jī)械化程度。

4)經(jīng)濟(jì)性特征所反映的是機(jī)械設(shè)備及其零件出現(xiàn)故障時(shí),進(jìn)行故障維修、設(shè)備改裝、零件更新等的經(jīng)濟(jì)性,通過研究該特性能夠獲取最優(yōu)利潤。由此可知,該指標(biāo)與機(jī)械設(shè)備維護(hù)策略技術(shù)應(yīng)用之間的關(guān)系較為密切。一般情況下,描述機(jī)械設(shè)備經(jīng)濟(jì)性特征的參數(shù)包括不同維護(hù)策略的費(fèi)用、故障導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失與安全事故導(dǎo)致的相關(guān)經(jīng)濟(jì)損失。

5)監(jiān)測性特征所反映的是機(jī)械設(shè)備及其零件在運(yùn)行過程中對狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢測的能力。機(jī)械設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)同其自身健康狀態(tài)之間具有映射相關(guān)性,如果能夠獲取機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù),那么將大大提高獲得描述健康狀態(tài)特征參數(shù)的概率。通過這樣的方式,提高對機(jī)械設(shè)備健康狀態(tài)評價(jià)的準(zhǔn)確性,因此機(jī)械設(shè)備的健康狀態(tài)評價(jià)受到這一特征的直接影響。一般情況下,描述機(jī)械設(shè)備監(jiān)測性特征的參數(shù)包括數(shù)據(jù)精確度、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性與數(shù)據(jù)完整性。

6)安全性特征。機(jī)械設(shè)備的健康與故障具有對立性,但故障只是不健康的其中一種表現(xiàn)形式,不健康并不一定會(huì)出現(xiàn)故障,機(jī)械設(shè)備不健康時(shí)可能存在一些潛在的危險(xiǎn),因此在確定機(jī)械設(shè)備健康狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)過程中,需整體分析影響機(jī)械設(shè)備安全的全部因素。一般情況下,描述機(jī)械設(shè)備安全性特征的參數(shù)包括人員安全性、機(jī)械設(shè)備安全性與環(huán)境安全性。

1.2.2評價(jià)模型構(gòu)建

由于實(shí)際評價(jià)過程中,各評價(jià)指標(biāo)的計(jì)算往往存在一定程度的模糊性,因此在構(gòu)建評價(jià)模型過程中采用模糊綜合評估方法,具體評價(jià)模型構(gòu)建過程如下。

1)確定待評價(jià)的機(jī)械設(shè)備。

2)根據(jù)表1構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)集X=[x1,x2,…,xi]。

3)根據(jù)表2所示的機(jī)械設(shè)備健康狀態(tài)等級得到評價(jià)結(jié)果集G。

表2 機(jī)械設(shè)備健康狀態(tài)等級

4)采用熵權(quán)法確定評價(jià)指標(biāo)x1,x2,…,xi的權(quán)重,各指標(biāo)的權(quán)重以w1,w2,…,wi表示,滿足式(1):

(1)

6)構(gòu)建機(jī)械設(shè)備多特征參數(shù)健康狀態(tài)綜合評價(jià)模型,如式(2)所示:

(2)

式中:P為綜合評價(jià)模型,W為評估等級矩陣,p1,p2,…,pu為健康狀態(tài)指標(biāo),pj為多特征參量。

7)利用式(3)計(jì)算機(jī)械設(shè)備多特征參數(shù)健康狀態(tài)綜合評價(jià)結(jié)果:

(3)

式中:Gr為健康狀態(tài)函數(shù),βj為設(shè)備維修評價(jià)函數(shù)。

2 測試結(jié)果與分析

為驗(yàn)證本文方法實(shí)際應(yīng)用性能,選取某大型食品加工公司內(nèi)所使用的7臺(tái)機(jī)械設(shè)備為測試對象,數(shù)據(jù)來源為2018—2023年該大型食品加工公司7臺(tái)機(jī)械設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)。測試對象基本情況見表3,采用本文方法對測試對象的健康狀態(tài)進(jìn)行評估,所得結(jié)果如下。

表3 測試對象基本情況

2.1 評價(jià)指標(biāo)信度檢驗(yàn)結(jié)果

將Cronbach's α系數(shù)值作為判斷本文方法評價(jià)指標(biāo)體系信度的標(biāo)準(zhǔn),以此判斷本文方法中所構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系的可應(yīng)用性。一般情況下,信度分析中定義Cronbach's α系數(shù)值高于0.7即可說明評價(jià)指標(biāo)體系信度較高,也就是可應(yīng)用性較強(qiáng)。本文方法評價(jià)指標(biāo)的Cronbach's α系數(shù)值見表4。由表4可以看到,本文所使用的各評價(jià)指標(biāo)的Cronbach's α系數(shù)值都在0.8以上,同時(shí)評價(jià)指標(biāo)體系整體Cronbach's α系數(shù)值大于0.8,均高于標(biāo)準(zhǔn)值0.7,由此說明本文評價(jià)指標(biāo)體系可應(yīng)用性較強(qiáng)。

表4 評估指標(biāo)信度分析結(jié)果

2.2 評價(jià)結(jié)果

以設(shè)備編號(hào)為3的發(fā)酵機(jī)為例,采用本文評價(jià)指標(biāo)體系對其健康狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)。圖2所示為各指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算結(jié)果。由圖2得到,一級指標(biāo)的權(quán)重為w={0.20,0.15,0.19,0.14,0.17,0.15}。這表明在本文方法所構(gòu)建的指標(biāo)體系內(nèi),可靠性特征對于設(shè)備檢測結(jié)果的影響最為顯著,技術(shù)性能特征也較為顯著,經(jīng)濟(jì)性特征對設(shè)備檢測結(jié)果的影響最為微弱。在權(quán)重計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上,由式(2)和式(3)計(jì)算得到其Gr值為0.63,設(shè)備編號(hào)3的發(fā)酵機(jī)健康狀態(tài)為亞健康,表明該測試對象處于一種不太理想的運(yùn)行狀態(tài)。盡管它仍然能夠繼續(xù)運(yùn)行,在一段時(shí)間內(nèi)能保持正常運(yùn)轉(zhuǎn),但需要進(jìn)一步關(guān)注和采取適當(dāng)?shù)木S護(hù)措施,以確保其長期穩(wěn)定運(yùn)行和延長使用壽命。

圖2 權(quán)重計(jì)算結(jié)果

2.3 評價(jià)性能分析

基于上述評價(jià)過程,對全部測試對象進(jìn)行健康狀態(tài)評價(jià),并與測試對象健康狀態(tài)的專家評價(jià)結(jié)果進(jìn)行對比,由此驗(yàn)證本文評價(jià)指標(biāo)體系的性能,結(jié)果如圖3(a)所示。同時(shí)為進(jìn)一步驗(yàn)證本文評價(jià)指標(biāo)體系的評價(jià)性能,對比采用本文評價(jià)指標(biāo)體系前、后一年內(nèi)各測試對象的故障率變化情況,結(jié)果如圖3(b)所示。分析圖3得到,本文評價(jià)指標(biāo)體系對各測試對象的健康狀態(tài)評價(jià)結(jié)果與專家評價(jià)結(jié)果完全一致,由此說明本文評價(jià)指標(biāo)體系具有較好的評價(jià)準(zhǔn)確性。同時(shí)采用本文評價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行健康狀態(tài)評價(jià)后,各測試對象的故障率均下降10%以上,由此說明本文評價(jià)指標(biāo)體系能夠有效降低測試對象故障率,確保測試對象安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3 評價(jià)性能分析

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了基于ASP模式的機(jī)械設(shè)備多特征參數(shù)健康狀態(tài)綜合評價(jià)指標(biāo)體系,并對本文評價(jià)指標(biāo)體系的性能進(jìn)行測試,結(jié)果顯示本文評價(jià)指標(biāo)體系具有較好的評價(jià)性能。由于時(shí)間所限,本文對評價(jià)指標(biāo)體系的研究還存在一定的不足,在后續(xù)研究中,將主要以機(jī)械設(shè)備的全生命周期為主要方向優(yōu)化本文評價(jià)指標(biāo)體系,提升本文評價(jià)指標(biāo)體系的評價(jià)性能。