電力電子實驗室資產定量化建模及管理措施

毛健琨，張 政，肖文勛，謝 帆，張 波，丘東元，陳艷峰

（華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510641）

電力電子技術是一門基于電力半導體器件，融合電力變換技術、電子技術、自動控制技術、電磁工程技術等以實現電能有明確目的變換的工程技術[1-2]。

電力電子實驗室擁有許多高精度的實驗設備，在管理上高度強調實驗安全、對實驗人員綜合能力有較高要求，有必要采用成體系的成本管理、安全管理和人員管理方法。其中，在成本管理方面，文獻[3]將高校實驗室成本分為建設成本、管理成本和運行成本三大類；文獻[4]運用工作負荷模型和多元回歸分析揭示了實驗室設備總價值與研究人員的相關性，為進一步的進行成本管理提供了指導。在安全管理方面，文獻[5]介紹了東北大學實驗室安全管理的實踐經驗；文獻[6]總結了近年來高校實驗室發生的安全事故，并給出了相關的管理建議。在人員管理方面，文獻[7]簡單介紹了一種實驗人員工時的建模方法；文獻[8]闡述了高校實驗室文化體系建設的重要性。

電力電子實驗又具有自身的特點。例如，不同于其他工程實驗，電力電子實驗由于常伴隨高電壓和大電流而非常強調用電安全以及實驗設備在長期使用中的熱老化和熱疲勞等問題。因此，為針對性地提高電力電子實驗安全，優化電力電子實驗設備的使用情況，以及提高實驗人員的綜合能力，專門建立電力電子實驗室的管理制度是必要的。

然而，學者在討論電力電子實驗室建設方面，多放在實驗室管理制度的定性討論[9-12]，以及實驗室軟硬件基礎建設方面[13-17]。在管理層面上對電力電子實驗室的量化建模與實踐未見有報道。本文提出電力電子實驗室的一種量化管理方法，并以某高校電力電子實驗室為對象展開實踐。

1 電力電子實驗室的管理現狀及存在問題

實驗室現擁有大量先進的各類測試測量儀器，可以測量電參數、磁參數、光照、溫度等物理量，具有優異的實驗資源與良好的實驗環境。在安全管理方面，實驗室長期以來已經形成了特色的安全文化。實驗人員能掌握實驗室常用設備的安全操作規范，能自覺遵守實驗室的安全管理制度，且有經驗的實驗人員常常以身作則，親手指導新進實驗人員安全實驗。然而，實驗室在資產管理方面仍存在明顯問題。

目前，實驗室雖然建立了設備借用登記制度，卻沒有建立相應的定量化管理方法，且登記制度長期得不到嚴格執行。因此，一方面存在大量實驗設備借用數據缺失的情況，另一方面已有的數據也沒有成體系的指導方法進行分析，無法形成有效的管理措施。

登記制度執行不嚴、未建立成體系定量化管理方法又帶來了其他的問題。在設備的使用中，難免會出現實驗人員因為疏忽或各種原因導致設備損壞的情況，但實驗人員往往害怕擔責而瞞報設備故障情況，導致設備長期處于損壞或功能缺失狀態，錯過最佳維修時間，甚至在多次使用中加劇了設備損壞的程度與范圍。在登記制度執行不嚴、未建立成體系定量化管理方法的情況下，既難以及時追蹤設備的使用情況，也很難找到當事人員進行相關的操作規范教育，從而增加了實驗室的維護成本及教育成本。

此外，實驗人員往往傾向于使用操作簡單而功能單一的設備，許多高價值、多功能且性能更強的設備由于操作復雜而沒有得到充分運用。這一點顯然造成了對實驗資源的浪費。因此不僅有必要定量評估浪費的情況，還需要根據評估的結果制定相應的措施改善這一現況。而常用實驗設備中，由于同種多個設備購入的時間和型號不同，往往新購入、新型號設備會更受實驗人員歡迎。實驗人員在進行實驗時更傾向于借用新購入、新型號的設備，導致這些設備往往比舊設備損耗得更快，進而也造成實驗資源的浪費。定量化評估這種情況有利于更好地制定相應的對策，以改善這一現狀。

缺乏定量化管理，直接受到這兩個問題影響的是新設備的購入。目前，實驗室購入新設備時沒有有效數據的指導，只能憑借經驗判斷。設備的購入沒有針對性，造成一部分實驗設備資源緊缺卻得不到及時補充，另一部分實驗設備資源豐富卻仍在加強，加劇了實驗資源的浪費程度。

綜上所述，建立資產定量化管理方法可以有效評估各類設備的使用情況，以更好地指導維護與補充實驗資源。針對上述遇到的問題，本文提出了基于統計的實驗室資產定量化管理模型。

2 定量化模型

定義i類設備中第j個為(i,j)，共有m0類設備，且每類設備有mi個，則

定義p表示月份，q表示日期，d(p)表示第p月份的總天數。

定義如下指標：

某個設備(i,j)日閑置率

某個設備(i,j)月閑置率

某類設備i日閑置率

某類設備i月閑置率

某類設備i某一天的占用率

其中，t(i,j)(p,q)表示第i類第j個設備在p月第q日被借出的總時間；tday(p,q)表示第p月第q日實驗室開放的時間；n(i,p,q)表示第i類設備在第p月第q日同時被借出的數量。

通過每月統計上述指標，可以得到一系列的統計數據，不僅可以進行進一步的統計處理，還可以更好地觀察到各類設備乃至各個設備的使用情況，并根據不同的使用情況確定不同的維護計劃和采購計劃。例如，定義第i類設備閑置率均方差為：

定義第i類設備月最大占用率為

在上述定義的基礎上，可以依照不同設備的統計數據進行進一步分類。根據統計時間尺度、數量尺度的不同，可以分類如下：

（1）高/低月閑置率類設備。設備的高閑置率直接說明了設備資源充分，沒有緊迫的必要進行更新，可以安排更寬松的維護計劃。在時間尺度上考慮這類設備時，由于受到具體實驗計劃與實驗進程的限制，日閑置率的意義不大，因此該分類主要以月閑置率為分類標準。在數量尺度上考慮這類設備時，單個設備的高閑置率意味著該設備沒有被充分利用，而一類設備的高閑置率則說明該類設備資源充足。從資產管理的角度來看，應當保持一類設備的閑置率大于并接近某個預設值，同時應當保持這類設備中每個設備的閑置率盡可能小。

（2）高/低閑置率均方差類設備。該統計指標僅對多于一個同類的設備有意義。它說明了同類中不同單個設備借用的均衡情況。考慮設備在長期使用中容易產生疲勞和損耗，應盡量保持每個設備的使用時間大致相等。該指標越小，則同類不同單個設備借用的越均衡，不同單個設備的損耗程度越可能相近。同時，日/月閑置率一定程度上受到實驗室經費和設備購入計劃的影響，相比較下該指標不受外部資源的影響，更能反映考核實驗室管理人員的管理能力。

（3）高/低月最大占用率類設備。高最大占用率意味著該類設備曾大量被同時借用。對于電力電子實驗室而言，一般的萬用表、電流探頭、電壓差分探頭等通用電氣測量設備具有這樣的特點。一般而言，高最大占用率意味著該類設備資源短缺。但是，部分設備例如精密阻抗分析儀、電橋等關于被動器件參數測量的設備，往往同時具有高最大占用率和高閑置率的情況。在實踐當中，這些設備使用頻次很高而單次使用時間很短，因此即使具有高最大占用率，仍不能認為這些設備是資源短缺的。因此，該統計指標需要與閑置率綜合考慮，并根據具體設備具體分析以確定使用情況。

3 管理措施

應用第2節的模型，對具體設備進行具體分析以形成相應的管理措施。

3.1 定量化管理

實驗室內目前共有22類58臺設備，可分為探頭、其他測量設備、電源、負載、通信與控制設備5大類，具體數量見表1：

表1 實驗室中各類公共設備

以探頭類設備為例，2018年9月探頭類設備各項統計數據如表2所示。

表2 探頭類設備各項數據

從表2中可以看出，2018年9月實驗室中的高頻電流探頭未曾有被借出的記錄。電流探頭總體閑置率達到 86.0%，說明從總體時間來看，9臺電流探頭中有接近8臺長期處于閑置狀態。電壓探頭總體閑置率達到 79.5%，說明從總體時間來看，6臺電壓探頭中有接近5臺長期處于閑置狀態。從最大借用率的角度來看，電流探頭最大借用率達到 45.5%，9臺電流探頭中最多出現5臺被同時借用。電壓探頭最大借用率達到 50.0%，6臺電壓探頭中最多出現 3臺被同時借用。僅考慮9月數據，則以上現象說明，實驗室的探頭類設備資源充足，甚至略有冗余，且相比較而言電壓探頭資源比電流探頭資源稍微缺乏。

若考察月閑置率均方差，電流探頭月閑置率均方差達到1.26%，電壓探頭月閑置率均方差達到4.01%，說明電壓探頭借出情況比電流探頭更不均衡，設備借用更加集中。觀察到電流探頭1、4、9沒有被借用，而電流探頭2閑置率僅40.5%。電壓探頭3、4、5沒有被借用，而電壓探頭 1、2的閑置率都達到了 50%以下。因此，部分探頭的損耗情況或會更加嚴重。

再考察一下函數信號發生器在2018年9月的使用情況，從表3中可以看出，2018年9月實驗室中的函數信號發生器月閑置率只有 42.9%，且最大占用率達到 100%，說明實驗室的函數信號發生器已經發生了資源緊缺的情況。

表3 函數信號發生器各項數據

綜上所述，在探頭的借用管理上，尤其應當重視電壓探頭借出的管理。借出探頭時，應減少電流探頭2、電壓探頭 1、2的借出，增加電流探頭 1、4、9、電壓探頭3、4、5的借出，以平衡各探頭的損耗情況。實驗室應合理使用經費，暫停繼續購入探頭類設備，增購新的函數信號發生器。

3.2 對實驗室管理員要求

以上定量化管理方法，需要管理員有足夠的責任感，并做好以下幾點：

（1）做好每一項設備借出登記工作。實驗室管理員必須以認真負責的態度完成本工作，確保每次設備借用都有據可查。設備的借出時間登記，最好能夠精確到分鐘。為完成這項工作，實驗室的各種設備應當配備唯一的設備鎖或存放在帶鎖的柜子中，而由實驗室管理員持有相應的鑰匙。

（2）做好每一項設備歸還登記工作。每次設備歸還時，實驗室管理員都應當口頭詢問并簡單檢查設備的工作情況，并記錄下任何可能的異常情況。設備的歸還時間登記也應當精確到分鐘。歸還登記完成后，設備應放置在規定的唯一位置，且進行上鎖處理。

（3）實時監控各類設備的使用情況，并依當前使用情況合理調配資源。例如得知電流探頭1、4、9閑置率較高后，需要把資源的優化調配落實，即鼓勵實驗人員借用閑置率高的設備。

同時，管理員有必要熟悉實驗室所有設備的操作和安全規范。只有管理員了解所有實驗設備足夠的細節后，才能使每個實驗人員充分了解各種實驗設備的操作規范、適用情況，在這個基礎上實驗人員才會愿意接受功能更加豐富強大的新設備，進而提高實驗設備資源的利用率、間接提高研究產出的效率。

3.3 輔助管理手段

除此以外，實驗室如有可能也可以建立數字化的管理系統，將各種設備鎖升級為數字鎖，對不同實驗人員進行相關的權限管理，并通過中央服務器進行數據處理。對于實驗室的數字化建設，已有學者進行相關的研究，本文不再贅述。

另外，實驗室還可以建立相應的日志系統，以記錄新設備的購入與老舊設備及壞設備的報廢信息。合適的日志系統在資產管理方面可以做到更加細粒度的記錄，例如可以單獨對新設備進行統計處理，也可以定性定量登記耗材的使用情況，擴大定量化資產管理的范圍。同時，日志系統也可以記錄諸如外來人員訪問等事件，作為其他方面如安全管理的基礎。

4 結語

本文針對電力電子實驗室提出了一種新的資產定量化管理方法。通過定義各種實驗設備的閑置率、占用率并進一步得到的閑置率均方差、最大占用率等統計指標，實驗設備可被分為幾種類型。分別對幾種類型的設備采用不同的管理措施，并以各項指標為準，優化實驗設備的使用情況。應用該管理方法，實驗室在監控設備使用情況、優化資源配置方面取得了直觀顯著的良好效果。同時實踐結果也表明這種方法對實驗室管理員提出了新的要求。