淺析工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)賦能大型裝備維修

何有 郭祥云 李為

物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識別、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應運而生。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通過對網(wǎng)絡通信、先進傳感技術的應用，加強了對工業(yè)過程各個環(huán)節(jié)的感知能力，有利于將邊緣計算、大數(shù)據(jù)分析、優(yōu)化調度方法等融入到工業(yè)生產(chǎn)中，能夠大幅提高生產(chǎn)效率、質量，降低生產(chǎn)成本與資源消耗，推動傳統(tǒng)工業(yè)提升到智能工業(yè)的新階段。隨著國際形勢日趨復雜，我國國防建設力度也隨之加大，大型復雜武器裝備日益增多，部隊不斷提高的裝備維修工作效率需求，與裝備修理企業(yè)效率低下的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式之間的矛盾逐漸凸顯。在此背景下，如何有效利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術提升大型裝備維修工作效能是一項意義重大、價值頗高的研究課題。

1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是什么

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是全球工業(yè)系統(tǒng)與高級分析技術、傳感技術與互聯(lián)網(wǎng)的高度融合，被廣泛應用于工業(yè)領域中，按結構類型可將其分解成基礎層、感知層、網(wǎng)絡層、應用層和仿真評估層，如圖1 所示。

第一層是基礎層，即實現(xiàn)數(shù)據(jù)層面的標準化；第二層是感知層，即利用傳感器、中間件、智能儀表等設備或技術獲取物體、環(huán)境等各類信息；第三層是網(wǎng)絡層，即通過工業(yè)以太網(wǎng)、低功耗廣域網(wǎng)等各種網(wǎng)絡技術，將感知層獲取的信息進行傳遞和處理；第四層是應用層，在智能制造、智慧農(nóng)業(yè)等領域的實際應用；第五層是仿真評估層，即以數(shù)字化方式拷貝物理對象，模擬現(xiàn)實行為，從而對過去或未來進行智能分析，應用在虛擬制造、應急演練、軍事模擬等各領域。

圖1.工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術架構

2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)如何賦能大型裝備維修

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術如何支撐大型裝備維修行業(yè)的發(fā)展，可以先從工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)下大型裝備的典型應用場景出發(fā)，了解工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的價值所在，再從工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術體系的五個層面深入分析如何實現(xiàn)賦能，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)下大型裝備的典型應用場景如圖2 所示。

圖2.工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)下大型裝備維修典型應用場景

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)賦能大型裝備維修的五個層面分析如下：

2.1 基礎層

標準化是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的前提，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實施能夠推動大型裝備維修企業(yè)對各類數(shù)據(jù)和通訊協(xié)議進行標準化處理，為數(shù)據(jù)的流通與共享奠定基礎。例如：產(chǎn)品方面，對產(chǎn)品或零件的類型、性能、規(guī)格、質量等建立標準；工藝信息方面，對工序類型、工序狀態(tài)、工步狀態(tài)、合格狀態(tài)等建立標準；設備方面，對檢測類型、檢測項、檢測值等建立標準。除此之外，還要對組織機構、人員、崗位等數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一編碼及標準化處理，以支持與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)互通。

2.2 感知層

傳統(tǒng)裝備維修感知手段比較單一，通常采用常規(guī)監(jiān)測儀表對產(chǎn)品進行局部檢測，憑經(jīng)驗分析判斷檢測結果，存在自動化程度低、精度低、可靠性低等問題。而工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的感知手段更為豐富，在維修現(xiàn)場，能夠通過各類傳感器全面采集維修對象的高精度數(shù)據(jù)，支持自動化分析診斷；能夠在模擬極端情況下連續(xù)采集維修對象的運行數(shù)據(jù)，感知參數(shù)動態(tài)變化，支持產(chǎn)品故障預測等應用。在戰(zhàn)場環(huán)境下，通過裝備內嵌的傳感器和便捷式設備外部測量得到裝備的狀態(tài)信息，包括裝備運行狀態(tài)、環(huán)境信息、產(chǎn)品故障信息、實時三維數(shù)據(jù)等，能夠支持裝備狀態(tài)預測和維修作業(yè)管理等應用。

2.3 網(wǎng)絡層

在工業(yè)數(shù)據(jù)采集領域，很多企業(yè)存在工業(yè)通信協(xié)議標準繁多、互不兼容的問題，導致工業(yè)數(shù)據(jù)無法互通。而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心是萬物互聯(lián)，能夠真正滿足生產(chǎn)過程全流程的數(shù)據(jù)流動及智能化生產(chǎn)需求。在維修現(xiàn)場，主要通過現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)等工業(yè)通信網(wǎng)絡實現(xiàn)互聯(lián)，支持數(shù)據(jù)實時存儲與傳輸，極大降低數(shù)據(jù)響應時間。在戰(zhàn)場環(huán)境下，可以通過建立專用5G 或微波通訊基站，提供超高數(shù)據(jù)傳輸速率、超大連接量、超低時延的連接方式，能夠支持遠程數(shù)據(jù)傳輸、音視頻交流協(xié)作等應用。

2.4 應用層

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)下大型裝備維修的應用場景，主要可以分為維修現(xiàn)場和戰(zhàn)場環(huán)境。在維修現(xiàn)場，通過數(shù)字化工藝總結維修經(jīng)驗、編制和優(yōu)化工藝流程，控制設備完成數(shù)據(jù)采集、實時分析、自動填報等功能，實現(xiàn)自動化檢測和質量控制；通過數(shù)據(jù)挖掘技術，實現(xiàn)對設備運行狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、智能預警等應用。在戰(zhàn)場環(huán)境下，通過便捷式維修輔助設備，實現(xiàn)遠程技術指導、現(xiàn)場維修通信、維修過程記錄、故障數(shù)據(jù)實時采集等功能，增強現(xiàn)場維修人員的故障診斷和維修能力；基于AR、SLAM 等傳感器技術和設備，通過對裝備環(huán)境信息、各系統(tǒng)性能情況以及三維數(shù)據(jù)的采集，實現(xiàn)單機健康、履歷本表管理和預測性維修。

2.5 仿真評估層

對于大型裝備，通過構建數(shù)字模型、采集并輸入裝備運行過程中的各類數(shù)據(jù)，實現(xiàn)模型狀態(tài)與真實狀態(tài)的完全同步，能夠在下一次執(zhí)行任務前，及時分析與評估裝備的各項性能，從而實現(xiàn)預警式維修服務，降低故障風險與維修成本。

3 大型裝備維修企業(yè)的未來發(fā)展

現(xiàn)代化武器裝備體系龐大、技術復雜、耗資巨大，技術和器材配套單位多，維修過程中協(xié)調關系復雜，這些特點使得裝備維修周期長，成本高，質量難以有效控制。傳統(tǒng)的修理模式難以滿足現(xiàn)代化戰(zhàn)場對武器裝備高效保障的需求，企業(yè)需在“快、準、精”上下功夫，利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)轉型升級，適應戰(zhàn)場需求。

3.1 通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)對戰(zhàn)場需求的敏捷響應

武器裝備維修，特別是戰(zhàn)傷搶修，是以保障戰(zhàn)時裝備需求為目的，需要及時互通前后方信息，實現(xiàn)對戰(zhàn)場武器裝備需求的快速響應。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術在實現(xiàn)裝備維修對戰(zhàn)場需求的敏捷響應上具有積極的促進作用。利用物聯(lián)網(wǎng)技術，可以有效地實現(xiàn)大型裝備維修模式的變革。通過以信息技術為核心的一系列先進技術的綜合應用，建立一個集成化的數(shù)據(jù)環(huán)境，提高信息技術和數(shù)據(jù)的共享性，保證修理企業(yè)能夠實時獲取并利用先進的制造技術、器材、技術資料和裝備使用故障信息，有效降低裝備維修成本，縮短維修周期，實現(xiàn)對裝備需求的快速響應。同時，基于物聯(lián)網(wǎng)技術可以動態(tài)掌握戰(zhàn)場急需裝備信息和應急器材的保障情況，有針對性地快速補充急需裝備，及時保障應急器材的生產(chǎn)供應，提升了裝備維修對戰(zhàn)場需求的敏捷響應。

3.2 通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)裝備和器材的精準保障

器材保障是大型裝備維修和使用維護的重要一環(huán)。在器材保障中，由于各種器材基數(shù)種類多、品種數(shù)量大，傳統(tǒng)記錄管理模式下，要為每個基數(shù)武器裝備配備相應的標準手冊、器材裝箱清單和所儲存的位置等信息，工作量非常大，導致維修保障器材的查找和使用十分繁瑣。

利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術可以有效解決上述問題，實現(xiàn)器材的精準保障：一是器材入庫出庫時，讀寫器自動獲取射頻卡的內容，同時將讀取的信息傳遞到與其連接的信息管理系統(tǒng)，經(jīng)檢驗后準予入庫，并做相應的記錄，出庫時同樣能讀取設備信息，并可在出庫的設備標簽中寫入配送單位、到達時間等信息；二是在運輸調撥過程中，利用設置的基站可隨時遠距離快速讀取標簽信息數(shù)據(jù)，并不斷更新數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全程監(jiān)控，同時可以定位重要的裝備和器材，防止丟失；三是在維修使用中，將使用時間、維修記錄、故障情況等信息寫入RFID 電子標簽，通過查詢可以準確掌握裝備的使用情況，以便于統(tǒng)計分析和使用管理。四是可提高裝備使用狀態(tài)的可預測性，以便于提前研判風險，避免可預測事故的發(fā)生，提高維修管理效率。通過裝備和器材的精準保障，有效提高裝備維修的效率。

3.3 通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)大型裝備維修的實時高效

高技術武器裝備的技術復雜性加大了故障判斷和分析的難度；同時，在基于信息系統(tǒng)的體系作戰(zhàn)中，戰(zhàn)場環(huán)境風云突變、高度透明，對武器裝備維修的快速性、及時性、準確性提出了更高要求。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的射頻識別技術利用無線射頻方式進行非接觸雙向通信以實現(xiàn)識別目的，通過數(shù)據(jù)交換可以實現(xiàn)多目標識別，可在更廣泛的武器裝備維修保障場合中應用，有效提高裝備維修效率。首先，利用物聯(lián)網(wǎng)技術，通過在武器裝備系統(tǒng)中嵌入傳感器，實現(xiàn)武器裝備運行狀態(tài)、故障狀態(tài)信息的自動生成，有助于對武器裝備完好形態(tài)的實時掌控。其次，通過物聯(lián)網(wǎng)技術，為遠程技術服務提供了直觀的情景，有利于后方專家對戰(zhàn)場維修的準備指導。第三，通過物聯(lián)網(wǎng)技術，使互聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下的先進維修手段呈現(xiàn)直觀的表示方式。通過故障和維修指導信息直觀、實時地雙向傳遞，提升了交互式電子技術手冊對戰(zhàn)場維修的直觀指導能力。第四，利用物聯(lián)網(wǎng)技術，通過建立電子賬簿，有助于維修保障器材信息的快速定位查詢，從而實現(xiàn)武器裝備維修全資產(chǎn)可視化。第五，通過物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)裝備戰(zhàn)傷建模和仿真，支持和協(xié)助裝備戰(zhàn)傷智能評估系統(tǒng)提前預知和分析戰(zhàn)傷情況，研究損傷機理，制定修復方案，為戰(zhàn)場決策提供依據(jù)?？梢姡锫?lián)網(wǎng)技術對于實現(xiàn)武器裝備維修“實時”“精確”“高效”具有很高的應用價值。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應用不局限于維修生產(chǎn)或戰(zhàn)場維修環(huán)節(jié)，而是通過萬物互聯(lián)，實現(xiàn)企業(yè)全流程的管理與全資源的整合。在數(shù)字經(jīng)濟高速發(fā)展今天，大型裝備維修企業(yè)需要利用這一良好的發(fā)展機遇和平臺，狠抓基礎標準建設，拓展維修和檢測技術能力，凝練裝備維修經(jīng)驗，努力提升維修生產(chǎn)效率，實現(xiàn)跨越式發(fā)展。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通過工業(yè)優(yōu)化分析技術、傳感技術、以及網(wǎng)絡等技術的高度融合，有效賦能大型裝備維修企業(yè)，助力實現(xiàn)數(shù)字化轉型，可望為國家國防安全提供有力的支撐。