基于B/S架構(gòu)的港口機械設(shè)備智能維保系統(tǒng)

韋燚，吳波

（上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125）

0　引言

在碼頭作業(yè)過程中，除了設(shè)備精確高效地運作，對機械設(shè)備的維護保養(yǎng)、設(shè)備運行數(shù)據(jù)的分析、操作人員的管理也占據(jù)著十分重要的地位。隨著港口自動化程度的不斷提高，智能維保系統(tǒng)的應用是自動化碼頭發(fā)展的趨勢，也是自動化水平提升的重要標志。原有的線下維保管理系統(tǒng)逐漸滿足不了用戶的需求，為了滿足自動化碼頭發(fā)展的需求，更好的為客戶提供服務(wù)，迫切需要一種能針對碼頭設(shè)備的智能維保系統(tǒng)，能夠使整個碼頭的業(yè)務(wù)流程數(shù)字化、標準化、自動化。

當前大多數(shù)碼頭企業(yè)還在采用計劃維修保養(yǎng)的方式[1]，定期的對起重機設(shè)備及部件進行定期的檢查和保養(yǎng)，沒有考慮到設(shè)備的實際使用情況及其真實的健康狀態(tài)，也造成了時間和人力物力的浪費。智能維保系統(tǒng)是針對岸橋、輪胎吊等港口機械設(shè)備，科學地提出設(shè)備維護保養(yǎng)計劃，對備品備件的品種和數(shù)量做出合理規(guī)劃。這種預測性的維修模式，具有減少起重機的計劃外停機次數(shù)和時間，提高維修效率，人員管理效率，降低維修成本等優(yōu)點[2-4]。

1　系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)基于振華重工自主研發(fā)的ZPMC WEB SCADA與ZPMC OPC UA軟件研發(fā)而成，提供全方位港口機械設(shè)備故障報修、日常維保、關(guān)鍵績效分析、人員管理等功能，包括緊急維修、維護保養(yǎng)、備件庫、基礎(chǔ)信息維護、關(guān)鍵績效指標、臨時任務(wù)六大模塊。

1.1　系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

相較于C/S（即Client/Server）結(jié)構(gòu)而言，B/S（即Browser/Server）結(jié)構(gòu)提供了一種包含客戶、WEB服務(wù)器以及應用服務(wù)器的三層結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)的傳輸由WEB服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器完成，減少了系統(tǒng)開發(fā)人員該方面的工作量[5]。其次，該系統(tǒng)不需要安裝本地服務(wù)器或者軟件，直接通過瀏覽器或者APP便可查看碼頭設(shè)備運行情況，用戶體驗感增強。

智能維保系統(tǒng)整體采用B/S架構(gòu)，用戶可以通過網(wǎng)頁和移動端登錄系統(tǒng)，不僅有利于用戶使用，也有利于系統(tǒng)的升級維護；讓用戶從原有繁重的客戶端系統(tǒng)和復雜的線下操作方式中解放出來。系統(tǒng)采用層級架構(gòu)，各層之間設(shè)計使用松散耦合，從技術(shù)層面分為六層，如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖Fig.1 System logical architecture diagram

(1) 數(shù)據(jù)源層

數(shù)據(jù)源層包括起重機機構(gòu)傳感器數(shù)據(jù)，起重機運行數(shù)據(jù)，設(shè)備數(shù)據(jù)，第三方系統(tǒng)數(shù)據(jù)如維修記錄、TOS數(shù)據(jù)等。

(2) 數(shù)據(jù)采集層

對應不同數(shù)據(jù)源采用不同的通訊協(xié)議或者工具采集。其中振華重工自主研發(fā)的OPC UA支持各類驅(qū)動及通訊協(xié)議，負責采集底層數(shù)據(jù)；OPC UA支持Kafka將數(shù)據(jù)及文件通過消息機制發(fā)送給數(shù)據(jù)服務(wù)器。

(3) 數(shù)據(jù)存儲

對系統(tǒng)涉及的機械設(shè)備信息、備件品信息、人員信息、維護保養(yǎng)信息采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進行樹形結(jié)構(gòu)存儲，和上次數(shù)據(jù)分析層對接，提供高性能的數(shù)據(jù)存取服務(wù)。

(4) 數(shù)據(jù)分析

對于維護保養(yǎng)模塊，采用自動排程算法，科學排程，減少人工排程工作量及錯誤排程。對于人員排班，采用科學排班算法，及時反饋人員狀態(tài)，請假或者在崗。對于Alarm故障點，采用科學關(guān)聯(lián)，自動關(guān)聯(lián)生成維修工單。

(5) 業(yè)務(wù)層

提供包含緊急維修、維護保養(yǎng)、備件庫、關(guān)鍵績效指標、基礎(chǔ)信息、臨時任務(wù)在內(nèi)的六大業(yè)務(wù)。

(6) 展示層

最終用戶通過瀏覽器或移動端訪問智能維保系統(tǒng)，在線填報、查看維修維保進度，并將各類數(shù)據(jù)分析結(jié)果以圖表、報表等形式呈現(xiàn)。

1.2　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

智能維保系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括了數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，WEB服務(wù)器，管理員工作站，智能維保平臺（PC移動客戶端）。

圖2　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖Fig.2 System network architecture diagram

(1) 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器

負責各種數(shù)據(jù)的存貯，數(shù)據(jù)包括關(guān)系型數(shù)據(jù)以及非關(guān)系型數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)內(nèi)容包括采集的傳感器物理信號，故障數(shù)據(jù)，設(shè)備參數(shù)，維修數(shù)據(jù)等，是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心。

(2) WEB服務(wù)器

負責數(shù)據(jù)的分析處理及可視化業(yè)務(wù)。實現(xiàn)機械設(shè)備智能維保、維保人員自動排班、關(guān)鍵績效分析等。

(3) 智能維保平臺

支持在線報修，維護保養(yǎng)進度跟蹤，備件品領(lǐng)取，臨時任務(wù)報修及進度跟蹤，機械設(shè)備績效分析等。提供專家?guī)煲约芭c電氣信息、健康診斷系統(tǒng)的接口。對用戶提供PC端瀏覽器訪問及移動端APP訪問。

2　智能維保系統(tǒng)

2.1　模塊設(shè)計

傳統(tǒng)碼頭對機械設(shè)備的維保大多采用計劃式線下維保方式，針對日常維保任務(wù)，維保主管將每次所需保養(yǎng)的設(shè)備信息及維保內(nèi)容打印成冊，維保人員領(lǐng)取后對應紙上計劃內(nèi)容一一作業(yè)。針對緊急維修任務(wù)，采用口頭傳達方式，維修人員根據(jù)自身經(jīng)驗完成任務(wù)并填寫工單，主管再對照驗收。針對備件領(lǐng)取，由于現(xiàn)場急需及領(lǐng)料手續(xù)繁瑣，不得不先領(lǐng)取備件急用，過后再補領(lǐng)料手續(xù)等等。這些不僅影響機器的作業(yè)效率，降低維保的可靠性，也不可避免地重復做計劃排程工作，降低效率。智能維保系統(tǒng)通過WEB瀏覽器及手機APP部署，使操作員及主管可以隨時隨地分派和獲取任務(wù)，提高維?？煽啃约皩崟r性。同時，本系統(tǒng)對岸橋、輪胎吊等港口機械設(shè)備，在維修保養(yǎng)、備件存取、人員績效、權(quán)限管理、臨時任務(wù)等流程設(shè)計包括緊急維修、維護保養(yǎng)、備件庫、關(guān)鍵績效指標（KPI）、基礎(chǔ)信息維護和臨時任務(wù)在內(nèi)的六大模塊：

(1) 緊急維修模塊

該模塊提供用戶針對港口設(shè)備故障進行在線報修、派工、完工驗收整套流程。實時監(jiān)控采集的故障信息自動關(guān)聯(lián)形成待派工工單，派工人員可按需分派工單。維修完工填寫的人工耗時、能源損耗將作為港口人員與設(shè)備績效考量的重要指標。通過與WEB SCADA對接，故障信息可自動管理至維修工單，進入維修流程。

(2) 維護保養(yǎng)模塊

該模塊針對設(shè)備日常保養(yǎng)自動生成保養(yǎng)工單，以及一套完成的派工、保養(yǎng)、驗收流程。自動排程算法根據(jù)碼頭用戶規(guī)則產(chǎn)生日計劃、周計劃、月計劃等。同樣，維保產(chǎn)生的能耗、人工耗時也作為績效考量的重要指標。

(3) 備件庫模塊

該模塊提供備件入庫、領(lǐng)料申請及審批流程，記錄備件品的庫存信息以及入庫、出庫記錄，及時提醒采購部對短缺備件品進行采購。

(4) 臨時任務(wù)模塊

該模塊提供非緊急維修、日常維護的臨時任務(wù)流程，記錄突發(fā)任務(wù)或企業(yè)額外服務(wù)等。

(5) 關(guān)鍵績效模塊

該模塊根據(jù)上述采集數(shù)據(jù)，形成機械設(shè)備效率、能耗分析，港口人員績效分析，采用直觀的折線圖、餅圖、柱狀圖等展示港口維保過程的績效信息。

(6) 基礎(chǔ)信息模塊

該模塊用于管理用戶基礎(chǔ)信息，權(quán)限信息，能源信息，機器信息。

2.2　核心算法

該系統(tǒng)的核心算法優(yōu)勢體現(xiàn)于自動排程算法，高效智能地對維保周期不同在不同時刻生成不同維保工單，大大減少了計劃式排班的工作量，減少任務(wù)遺漏，準時準確地派發(fā)維保任務(wù)。排程內(nèi)容包括：維保設(shè)備名稱、標準編號、周期、維保項目、派工人員、上次任務(wù)完成日期、最新排程日期。業(yè)務(wù)邏輯上，自動排程計劃分為日計劃、周計劃、月計劃、季度計劃、半年計劃、年計劃，程序上分為日計劃、周計劃、月計劃，1季度=3個月，半年=6個月，1年=12個月，以此類推。自動排程算法考慮智能維保系統(tǒng)首次啟動時，正常運行時，系統(tǒng)更新時三種情況：

(1) 智能維保系統(tǒng)首次啟動

從啟動日期計算，自動排程算法默認給出所有下一周期計劃。

(2) 系統(tǒng)正常運行

系統(tǒng)按照計劃默認生成維保工單，日計劃于每天晚上12點生成第二天工單，周計劃于每周二晚12點生成下周工單，月計劃于每月15號晚12點生成下月工單，季度計劃于3月1日、6月1日、9月1日、12月1日晚12點生成下個季度工單，半年計劃于5月15號、11月15號晚12點生成下半年工單，年計劃于11月1日晚12點生成次年工單。

(3) 系統(tǒng)更新

系統(tǒng)更新導致數(shù)據(jù)庫更新時，默認生成下個周期所有計劃工單。也可根據(jù)實際情況忽略某個工單的某個任務(wù)，系統(tǒng)會在下次生成任務(wù)中恢復并提醒。

2.3　系統(tǒng)效益

(1) 經(jīng)濟層面

對系統(tǒng)提供者來說，通過智能維保平臺達到對現(xiàn)場機械設(shè)備的維護管理，可以減少系統(tǒng)維護工程師到現(xiàn)場的費用和時間，大大節(jié)省了人力物力成本，也能快速提供系統(tǒng)更新維護服務(wù)。對碼頭客戶來說，通過瀏覽器或手機APP智能維保平臺，準確有效的分派、完成、驗收維修維保任務(wù)，加快設(shè)備維修維保流程，減少設(shè)備故障帶來的經(jīng)濟損失。通過智能維保平臺提供的知識庫，有助于設(shè)備維修維保的高效復用等，實現(xiàn)為碼頭客戶及系統(tǒng)開發(fā)維護者提供雙贏服務(wù)[6-8]。

(2) 管理層面

通過對已有的OPC數(shù)據(jù)的以及WEB SCADA技術(shù)二次開發(fā)利用，基于智能維保系統(tǒng)的模塊設(shè)計及算法設(shè)計，為碼頭用戶提供人員、能耗、設(shè)備、備件管理，并通過豐富的圖表了解碼頭的生產(chǎn)效率，能耗占比以及人員績效等信息，拓展了機械設(shè)備維保的應用，填補了碼頭該領(lǐng)域的市場空白，進一步提高了碼頭業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)輕量化的管理水平[9-11]。

2.4　系統(tǒng)效果

該系統(tǒng)已交于上海振華重工國際集團試運行，系統(tǒng)根據(jù)碼頭設(shè)備維保類型（STSRTGAGV）、故障類型（機械、電氣、其他）進行人員權(quán)限分配，各角色根據(jù)具體職能分配不同權(quán)限，使整個維保信息流可以在不同角色中高效流通，提高維保的效率。圖3為智能維保主界面，操作人員可以監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)，瀏覽故障信息。圖4是故障報修界面，操作人員可以通過此界面實時報修設(shè)備故障，提交派工主管。圖5是日常保養(yǎng)派工列表界面，派工人員將任務(wù)分派至相應維保人員，開始維保。圖6是機器效率界面，用戶可根據(jù)此界面了解一段時間內(nèi)設(shè)備的作業(yè)效率等。

圖3　智能維保主界面Fig.3 Intelligent maintenance main interface

圖4　故障報修界面Fig.4 Fault repair interface

圖5　維護保養(yǎng)派工列表界面Fig.5 Maintenance dispatch list interface

圖6　機器效率界面Fig.6 Machine efficiency interface

3　結(jié)語

碼頭業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)輕量化是傳統(tǒng)碼頭向自動化碼頭發(fā)展的一個趨勢，智能維保系統(tǒng)能夠減少集裝箱岸橋的計劃外停機次數(shù)和時間，降低設(shè)備維修難度，降低維修成本，提高人員、資源管理效率。傳統(tǒng)的計劃式維保模式對發(fā)展迅速的碼頭機械設(shè)備，合作化的碼頭管理模式越來越不適應。本文提出的基于B/S結(jié)構(gòu)的智能維保系統(tǒng)可以很好的解決這些問題。我們將專家知識庫、碼頭監(jiān)控診斷信息、自動排程算法等科學方法融合與WEB技術(shù)中[12-13]，給碼頭機械設(shè)備的維護保養(yǎng)、日常管理提供了一個很好的技術(shù)方案。

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