黄春犁，胡美玲，赵会城
（华电郑州机械设计研究院有限公司，河南 郑州 450000）
引言近年来，随着信息技术、网络通信技术、大数据技术以及计算机辅助设计软件的快速发展，企业在设计手段和设计应用水平上有了长足的进步。但是，面对激烈的市场竞争、面对客户不断变化的需求以及对产品质量与可靠性的要求，企业不得不从技术管理、产品创新、服务升级、信息融合等方面，着手提高企业的综合竞争实力。
全寿命周期管理的理念在20世纪末被提出，目前，国内外全寿命周期管理仅应用在航空航天、交通运输业和电子电器等行业。通过进行高效、高质量的产品研发、生产，提供了系统数据管理和产品管理的方法，使整个企业工作效率提高，大大降低了开发成本。
水电站的启闭设备作为国家重点监管的特种设备之一，是水电站日常开闭闸门、泄洪及事故紧急落门等必不可少的机电设备。目前，水电站启闭设备的管理依然采用传统的管理方式，主要是针对设备在役期间的运行维修管理，从设备可靠性的角度出发，开展保障设备稳定、可靠运行的运维管理，该方式虽然能暂时保障设备的稳定运行，但安全事故依然频发，严重影响水电站的安全生产工作，无法使启闭设备从设计到报废全过程均得到科学有效的管理方案。传统的管理方式忽略了对水电站启闭设备前期规划设计、生产制造、现场安装等其他环节的信息搜集与整理，难以做到统一的闭环管理。
水电站启闭设备全寿命周期数字化管理系统所涉及的水电站启闭设备全寿命周期数字化管理的研究，在国内水电站启闭设备的设计制造领域尚属空白。随着网络通信、人工智能、云服务平台、大数据等技术的迅速发展，以及企业本身在发展过程中的管理瓶颈，水电站启闭设备的全寿命周期数字化管理也必将在该行业得到广泛的推广和应用[1]。
1 系统组成水电站启闭设备全寿命周期数字化管理是指从客户提出要求到设备报废，整个寿命周期过程中的数字化协同管理，是围绕水电站启闭设备研发设计、生产制造、安装移交、设备运行及维保、设备报废进行集成化管理的一种方法。水电站启闭设备全寿命周期数字化管理整体架构可分为四个层次：现场设备层、数据层、功能层和用户层。该系统结构图如图1所示。
图1 水电站启闭设备全寿命周期数字化管理系统结构图
2 现场设备层现场设备层包括启闭设备出厂前设计、生产过程数据的采集，安装运行阶段高性能传感器的检测数据，维修记录与升级改造数据采集。结合远程监测系统，把现场设备运行的各种参数、数据及状态通过现场总线传输给数据层，为后续的数据处理、分析提供现场数据支撑。
3 数据层数据层为整个系统提供运行服务所需的基础硬件、软件以及各种数据，包括硬件服务器、操作系统、数据库服务器、应用服务器、数据存储设备等。
水电站启闭设备全寿命周期数字化管理需结合大数据技术，根据实际情况，建立安全、可靠的数据中心，将水电站启闭设备相关设计数据、业务数据及管理数据进行输入和存储，为水电站启闭设备的全寿命周期数字化管理打下坚实的基础[2-4]。
4 功能层功能层主要实现水电站启闭设备全寿命周期数字化管理中的各种逻辑分析、数据处理以及启闭设备在研发、设计、生产、运维和服务过程中所需的所有功能。
4.1 专家系统的基本构成启闭设备专家系统是使计算机竭尽全力地模拟电气及机械专家，运用他们的知识与多年积累的实际工程经验，来解决启闭设备遇到实际操作问题的一种方法和步骤。因此，专家系统实际上是运用电气及机械专家的知识和经验，来解决启闭设备操作中遇到困难问题的一种计算机程序。该系统是运用专家知识，建立人与机器之间关系的一门技术。在启闭设备专家系统中，电气及机械知识起着非常关键的作用。其基本结构由知识库、知识获取部分、数据库、推理机、解释部分和人机接口组成。其中，知识库、数据库、推理机和人机接口为专家系统必不可少的部分，知识获取部分和解释部分为专家系统的期望部分
4.2 水电站启闭设备全寿命周期数字化管理专家系统的设计水电站启闭设备专家系统控制流程图如图2所示。
图2 水电站启闭设备专家系统控制流程图
5 用户层用户层主要完成水电站启闭设备全寿命数字化管理的人机交互环节，用户通过该环节可进行系统管理、输入数据、修改参数、监控设备运行、查看报表及设备故障信息等。
水电站启闭设备全寿命周期数字化管理系统客户端安装后即可进入客户端的运行界面。客户端的运行界面主要是由登录界面、地图总览界面和电站详情界面组成。登录界面负责验证登录者的身份，地图总览界面呈现电站位置信息，电站详情界面对各个电站启闭设备的详细状况进行介绍。
5.1 起始登录界面为了防止非专业操作人员对相关启闭设备进行非法查看和操作，保证设备的安全运行，本软件加强了对操作权限的管理，只允许获得登录权限的相关人员进行使用。
水电站启闭设备全寿命周期数字化管理系统“起始登录界面”如图3所示，包含：“账号”“密码”“验证码”输入框，“获取验证码”“登录”“退出”按钮等。
图3 起始登陆界面
5.2 地图总览界面通过点击“起始登录”界面的“登录”按钮，进入“地图总览”界面，如图4所示。
图4 地图总览界面
地图总览界面显示了使用水电站启闭设备全寿命周期数字化管理系统的电站位置信息。通过该界面可以了解到该系统分布的位置信息，当使用鼠标右键单击地图时，会弹出“选择列表”，如下页图5所示。通过列表可以选择即将进入的电站详情信息界面。使用鼠标滚轮可以实现对地图的放大缩小，详细地图信息可达20级放大。
图5 选择列表
在“地图总览”界面“右击”鼠标打开“选择列表”，在“选择列表”的下拉框中选择想要观看的电站。点击“确定”跳转到相应的“电站详情”界面。点击“取消”返回“地图总览”界面。
5.3 电站详情界面电站详情界面显示了目标水电站启闭设备的详细状况信息，界面由五部分组成，分别为标志栏、导航栏、侧边栏、标签栏和主界面。该界面如图6所示。
图6 电站详情界面
在侧边栏界面可以打开想要浏览的信息页面，导航栏则展示了该页面标签的级目录级别，当页面打开后也可以通过标签栏切换已打开界面信息。另外，在导航栏的尾端也设置了返回“地图总览”界面的按钮，可以用于返回上一级重新选择电站。当点击侧边栏的“梨园水电站”后，即可展开侧边栏二级目录，二级目录包含设备采购管理、设备设计管理、设备制造管理、设备安装调试管理、设备运行状态、设备运维管理、设备报废管理和系统管理等8项内容。
6 系统功能6.1 设备基础信息管理设备基础信息管理主要实现在设备设计、制造和安装过程中产生的相关交互信息的录入、查询、修改及分析等功能，包括设计前期提出的相关技术要求以及与业主沟通的往来函件、设计过程中输出的相关设计图纸、生产过程中各个零部件的生产及组装工艺流程、设备现场施工过程中安全施工、进度及质量保障的管理等，实现各个环节数据的一致性，保障设备在设计、制造、安装过程中不留安全隐患，同时也大大提高了项目执行的效率。
6.2 设备运行状态管理设备运行状态管理主要通过设备现地控制系统以及远程监测系统，实时采集设备待机、运行过程中产生的各种数据，结合大数据技术，对采集的数据进行存储、分类、量化和分析，建立设备运行状态模型及数据库，根据模型最终确定设备运行状态，对操作人员给出实时故障报警信息以及日常操作指导意见，同时对设备进行故障预测输出，保证设备的安全稳定运行。
6.3 设备维护保养管理设备维护保养管理包含设备日常的维护保养管理、特种设备定期检验管理以及设备的报废回收管理等。通过设备运行状态模式以及采集的故障报警数据，建立设备故障模型，通过对所有项目常用设备一定时期内的所有故障进行统计、分析，根据故障发生的概率给用户提供设备健康评估报告、预测性故障报警、特种设备定期检验提醒、寿命预警及报废回收提醒等服务，同时，提出日常维护保养意见，供操作人员参考。
6.4 远程诊断功能通过现场数据的采集，在远程管理系统进行数据分析，不仅提高设计与制造能力，还能帮助设备用户实现预测性维保。
7 结论该研究通过数字化技术的应用，建立有关水电站启闭设备工艺规程的数据库，使水电站启闭设备在设计研发、生产、运维和服务等方面进行全面提升，实现产品全过程一体化数据环境，并与远程监测系统相结合，实现水电站启闭设备的全寿命周期的数字化管理。理论上，各个电站可通用，考虑到各个电站的设备种类及参数存在部分差异，在设备参数上还需要根据实际情况进行调整。
