基于電力線載波技術(shù)的軍工科研院所設備儀器智能化管理研究與應用

鄺浩欣，夏黃蓉，李 寶，王 強，史晨歌

(北京航天長征飛行器研究所，北京 100076)

1 研究背景

隨著社會的發(fā)展以及國防建設投入的不斷增加，軍工科研院所的設備儀器數(shù)量逐年增多，如何管好、盤活這些資產(chǎn)，成為各單位的重要課題。2011 年國務院、中央軍委公布了《軍工關(guān)鍵設備設施管理條例》，要求各單位保證軍工關(guān)鍵設備設施的安全、完整和有效使用，并對其占有、使用的軍工關(guān)鍵設備設施的名稱、規(guī)格、性能、狀態(tài)、數(shù)量、權(quán)屬等基本情況作完整記錄；“十九大”報告中指出要“完善各類國有資產(chǎn)管理體制”“促進國有資產(chǎn)保值增值”［1］。國務院發(fā)布的《關(guān)于推進大型科研儀器及科研基礎(chǔ)設施開放共享的若干意見》指出：制定大型科研儀器及科研基礎(chǔ)設施統(tǒng)計分析制度、建立財政資金購置的大型科研儀器聯(lián)合評議制度，對推進大型科研儀器及科研基礎(chǔ)設施開放共享進行了規(guī)范。國家《“十三五”戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出完善各類國有資產(chǎn)管理體制，以管資本為主加強國有資產(chǎn)監(jiān)管，防止國有資產(chǎn)流失。據(jù)調(diào)研，包括航天科技集團在內(nèi)的各集團單位均提出了“管住資產(chǎn)、管活資產(chǎn)”的管理目標，對固定資產(chǎn)的日常管理、購置計劃、節(jié)能環(huán)保等方面提出了要求。

各類設備儀器作為固定資產(chǎn)的重要組成部分，具有數(shù)量多、價值高、維護成本大等特點，其精細化管理的需求更為迫切。通過先進的管理手段，實現(xiàn)設備儀器的智能管控，提升單位設備儀器的創(chuàng)效能力，是軍工科研院所能力建設內(nèi)涵式發(fā)展的必由之路，是軍工能力建設轉(zhuǎn)型的一個關(guān)鍵維度，也是提升企業(yè)的核心能力的重要支撐［2］。為解決設備儀器管理難題，北京航天長征飛行器研究所（以下簡稱研究所）利用先進的信息通信技術(shù)和多年積累的管理經(jīng)驗［3］，不斷進行技術(shù)創(chuàng)新和管理模式升級，形成一套廣泛適用于軍工科研院所的設備儀器智能化、精細化管理平臺［4］。

2 軍工科研院所設備儀器管理現(xiàn)存問題

軍工科研院所設備儀器具有價值高、專業(yè)性強、投資來源途徑多、更新?lián)Q代速度快等特點，在管理上有別于其他單位。目前的管理難題主要有以下幾個方面。

2.1 軍工科研院所保密要求嚴格，設備儀器信息化管理手段受限

據(jù)調(diào)研，目前國內(nèi)軍工科研院所的設備儀器管理主要依靠人工模式［5］，要求設備儀器管理員和使用者手工填寫各類信息，如實驗室維修記錄表、使用情況登記表等。傳統(tǒng)人工記錄往往會出現(xiàn)漏填、錯填等問題，在數(shù)據(jù)處理、存儲和查詢方面也存在諸多不便，數(shù)據(jù)實時性更難以保證。當設備儀器數(shù)量增多時，人工管理的弊端逐漸顯現(xiàn)，設備儀器的信息化刻不容緩［6-7］。

設備儀器廣泛分布于各單位的辦公、試驗等場所，想要實時、全面地獲取設備儀器信息，就要在科研辦公區(qū)域建立設備儀器物聯(lián)網(wǎng)，進行數(shù)據(jù)的采集、傳輸及處理［8-11］。其中數(shù)據(jù)的傳輸方式是網(wǎng)絡建立的瓶頸。目前數(shù)據(jù)傳輸可以分為有線和無線兩種方式。有線方式主要采用以太網(wǎng)、光纖等介質(zhì)傳輸信息，需要在單位整個科研、辦公區(qū)域新建專用網(wǎng)絡，施工復雜、成本較高；無線方式主要通過WiFi、藍牙、移動數(shù)據(jù)通信等介質(zhì)傳輸信息。雖然能夠有效降低成本，但是不符合軍工科研院所的保密管理要求，無法在軍工單位實施［12］。

2.2 設備儀器重復購置現(xiàn)象多，利用率偏低，采購決策缺乏依據(jù)

各單位、部門、型號科研隊伍在設備儀器信息互聯(lián)互通上的局限，導致在申報設備儀器特別是通用設備儀器時依然容易產(chǎn)生“小而全”的設備購置模式，設備儀器盲目購置、重復購置的現(xiàn)象層出不窮。設備的重復購置使得資本和資源的整體配置不合理，設備儀器的整體利用率較低，甚至出現(xiàn)大量閑置現(xiàn)象，進而影響了軍工科研院所整體的效率和效益［13-15］。由于設備儀器管理部門缺乏有效的手段獲知設備儀器的實際使用情況，在采購決策時缺乏科學依據(jù)，仍難以避免重復購置問題［16］。

2.3 軍工科研院所難以實現(xiàn)設備儀器成本精細化管理，核算缺乏支撐數(shù)據(jù)

按照財政部新近印發(fā)的《國防科研試制費管理辦法》（財防［2019］18 號文第十二條）的要求，“燃料動力費根據(jù)批準的研制內(nèi)容明確的產(chǎn)品和部件數(shù)量、試驗次數(shù)以及消耗標準和價格計列，不包括單位日常運行所發(fā)生的間接同類費用。”多數(shù)軍工科研院所的燃料動力費中，電費占據(jù)了較高比重，但由于缺乏直接計量手段，智能在間接費用中列支。目前的管理手段無法直接體現(xiàn)項目研制過程中的電能消耗的計價，難以滿足獨立計算的要求。根據(jù)新發(fā)布的18 號文要求，軍方審價將不再接受原方法分攤計入的燃料動力費。

此外，對于不同單位或型號項目共享的設備儀器，由于缺乏統(tǒng)計手段，也無法精細核算和分攤其購置費、折舊費和響應的人工成本［17-18］。此類問題將直接影響各單位開展實驗室經(jīng)濟建設工作，阻礙設備儀器的共享共用和效益的提升。

2.4 管理部門資產(chǎn)盤點難度大，“管住盤活”困難重重

首先，設備種類和數(shù)量繁多，出入庫的手工登帳相當費時；其次，設備在年終盤點時常出現(xiàn)遺失或與賬上不符等問題；三是往往在設備故障后才查找維保信息，進行維保工作，耽誤了試驗進度；四是由于設備使用人員的調(diào)動導致盤點時的混亂；五是設備在長期使用過程中產(chǎn)生大量管理記錄和數(shù)據(jù)，這對查找、更新和維護設備管理信息帶來了不少的困難。

3 采用電力線載波通信技術(shù)實現(xiàn)設備儀器智能化管理的方案研究

北京航天長征飛行器研究所針對上述軍工科研院所普遍面臨的設備儀器管理難題，尋找管理突破口，進行技術(shù)創(chuàng)新，研發(fā)了基于電力線載波通信的設備儀器智能管理系統(tǒng)。系統(tǒng)采用電力線進行數(shù)據(jù)傳輸，既不需重新布線，又滿足了軍工科研院所的保密管理需求，具有施工方便、使用靈活、成本低廉的優(yōu)勢，有較強的推廣意義。

3.1 技術(shù)方案

系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1 所示。通過增加小型設備PLC 適配器、大型設備PLC 采集器以及監(jiān)測設備儀器的工作時間、電壓、電流、功率等參數(shù)，通過電力線載波技術(shù)將數(shù)據(jù)信息上傳到PLC 集中器，再通過專用以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)到管理平臺進行數(shù)據(jù)分析與處理。系統(tǒng)掌握設備儀器的使用信息后，可自動計算出利用率、能耗等數(shù)據(jù)，按管理者的需求進行對比分析，為設備儀器管理提供數(shù)據(jù)支撐。

在軟件平臺的設計上，系統(tǒng)采用基于SOA 的多層架構(gòu)，在前端展現(xiàn)上采用B/S 模式，服務組件層采用J2EE 模式，充分發(fā)揮Java 語言的優(yōu)勢，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、易擴展性、安全性以及低耦合性。

圖1 設備儀器智能管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.2 管理方案

為解決上述管理難題，系統(tǒng)充分利用獲取的設備儀器使用數(shù)據(jù)，提出以下管理方案。

（1）優(yōu)化資源配置，支撐采購決策。系統(tǒng)通過對管理范圍內(nèi)設備儀器的監(jiān)測，掌握了各類設備的利用率數(shù)據(jù)并進行對比，發(fā)現(xiàn)設備使用緊張部門/項目以及設備閑置較多的部門/項目，及時指導管理人員進行跨部門/項目的設備儀器流轉(zhuǎn)，從而減少盲目購置、重復購置行為，可幫助優(yōu)化資源配置。如圖2 所示，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)項目2 只有1 臺示波器，利用率達到89%，項目3 擁有4 臺示波器，平均利用率只有21%，設備管理部門可以將項目3 的示波器調(diào)配給項目2 使用，在數(shù)據(jù)的支撐下實現(xiàn)跨單位/部門/項目的資源流轉(zhuǎn)，提升整體效益。對高耗能低利用率的資產(chǎn)，資產(chǎn)報廢申請中可加入利用率統(tǒng)計數(shù)據(jù)，將對資產(chǎn)實際使用價值進行準確估量，對處置決策起到重要作用。

此外，系統(tǒng)通過智能計算，統(tǒng)計出各種類型設備的利用率以及不同品牌/型號利用率。管理者在采購決策時可參考這些利用率數(shù)據(jù)，將有限的資金投入到真正需要的項目上，提升資金投入效益比。在今后的固定資產(chǎn)決策中，對數(shù)據(jù)分析的依賴程度將會加強，固定資產(chǎn)增加、減少、狀態(tài)變更，都需要利用率、耗電量數(shù)據(jù)作為支撐，固定資產(chǎn)智能管理系統(tǒng)將從數(shù)據(jù)維度扮演決策助手的角色。如圖3所示，溫箱的平均利用率較轉(zhuǎn)臺和示波器高，可考慮增加采購，通過查看不同品牌溫箱利用率，找到更受歡迎的品牌/型號，指導采購方向。

（2）挖掘資源潛力，提升綜合利用率。系統(tǒng)的日、周、月利用率統(tǒng)計功能可準確統(tǒng)計出設備儀器的具體使用情況，并通過趨勢圖等方式直觀展現(xiàn)給管理者。管理者可通過系統(tǒng)獲得利用率高峰、低谷規(guī)律，增加閑暇時段任務分配，充分挖掘試驗資源潛力，提高軍工科研院所的綜合利用率水平（見圖4）。

（3）精確核算成本，實現(xiàn)降本增效。系統(tǒng)可監(jiān)測設備儀器的用電信息，從而實現(xiàn)能耗分析，準確計算燃料動力費。從此各設備儀器可按單位/部門/型號項目進行成本核算，系統(tǒng)提升了各單位精細化管理水平，有效支撐了報價及項目獨立核算。通過測算各個試驗設施的使用活力和頻率周期，對評估試驗室獨立核算有了第一手的直接數(shù)據(jù)支撐，可進一步建立大型試驗設施績效管理評價，通過試驗投入產(chǎn)出測算試驗效益，從而加速各試驗室獨立核算的進程。

此外，系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)未知或不必要的能耗點，提醒管理者考慮提升設備能耗等級，更換更節(jié)能設備，或者通過行政規(guī)范等手段降低電能消耗。對于高強度的試驗設備開機運行時間進行甄別，判斷是否屬于必要的高強度試驗運轉(zhuǎn)，在保證產(chǎn)品測試完成質(zhì)量的前提下，探索可以降低試驗次數(shù)的途徑。在日常辦公能耗方面，通過月度監(jiān)測與能耗類別對比，分析耗能因素與規(guī)律并與內(nèi)部管理措施相結(jié)合，可采取與全所職工進行耗能共享的方式，培養(yǎng)所職工節(jié)能意識，引導向降本增效思維轉(zhuǎn)變。通過以上管理方式實現(xiàn)節(jié)能減排、降本增效，為單位帶來更大的經(jīng)濟效益。

（4）智能定位盤點，提升管理能力。系統(tǒng)可自動識別設備儀器所在樓宇并上報。系統(tǒng)對長時間未上線設備進行自動預警，提醒管理員關(guān)注該設備情況，從而實現(xiàn)智能定位、盤點，有效減少設備儀器盤點工作量，實現(xiàn)設備儀器管理的“智能化、便捷化、精細化”。

圖2 優(yōu)化資源配置方案示意圖

圖3 支撐采購決策方案示意圖

圖4 挖掘資源潛力方案示意圖

4 設備儀器智能化管理系統(tǒng)的應用效果

目前系統(tǒng)已在研究所及院內(nèi)其他單位上線試運行，自2018 年9 月起，已監(jiān)測大型設備19 臺，包含5 臺套振動臺，小型儀器63 臺，能耗監(jiān)測點40 個。

4.1 大型設備監(jiān)測效果

研究所大型設備利用率情況見表1，通過年利用率數(shù)值，可將設備分為三類。

（1）利用率較高類（紅色標記）：包括高變溫速率溫度試驗箱和頻率參數(shù)測試系統(tǒng)，年利用率均超過100%，說明設備的試驗任務較為繁重，資源緊張，建議考慮繼續(xù)增加投資建設；

（2）利用率合理類（綠色標記）：包括低溫測試系統(tǒng)、動力測試系統(tǒng)、高低溫試驗箱3 個設備，利用率在50%～100%之間，利用較為合理，建議維持現(xiàn)狀；

（3）利用率較低類（黃色標記）：包括環(huán)境測試系統(tǒng)A、溫箱、振動測試臺等5 個設備，年利用率在50%以下，其中參數(shù)測試系統(tǒng)C、材料性能測試設備利用率較低，不足10%，建議開放這些試驗設備資源，承接更多任務，充分發(fā)揮這些設備的價值；

（4）建設維修類：包括3 臺處在建設或維修狀態(tài)的設備以及1 臺剛安裝監(jiān)測單元的設備，這4 臺設備利用率數(shù)據(jù)不具參考性，在此不做分析。

以頻率參數(shù)測試系統(tǒng)為例分析其燃料動力費核算情況，具體數(shù)據(jù)如表2 所示。統(tǒng)計出各項目使用該系統(tǒng)的時間和相應的能耗后，可進一步精確統(tǒng)計出各項目燃料動力費，為向軍方報價和全面成本核算提供了數(shù)據(jù)支撐。

振動臺利用率排名見表3，其中35T（噸）振動臺日利用率曲線見圖5。

根據(jù)表3 和圖4 中數(shù)據(jù)可以看出，10T（噸）振動臺利用率較高，35T（噸）振動臺利用率最低。3臺UD 均為9T（噸）振動臺，功能相同，其中NUD利用率最高，用電量最低，具有成本優(yōu)勢。

根據(jù)振動臺監(jiān)測數(shù)據(jù)，提出如下建議：

（1）在9T（噸）振動臺中，NUD 具有明顯成本優(yōu)勢，如果需添置購買，優(yōu)先考慮NUD；

（2）35T（噸）振動臺閑置時間較多，大多數(shù)時間利用率不超過30%，建議為其多承攬任務。

圖5 35T（噸）振動臺日利用率趨勢圖

表1 研究所大型設備利用率排名表

表2 頻率參數(shù)測試系統(tǒng)能耗分布表

表3 振動臺利用率排名

4.2 小型設備監(jiān)測效果

對于監(jiān)測的小型儀器，按類型統(tǒng)計的年利率如表4。

表4 小型設備利用率統(tǒng)計表

各類設備的部門利用如圖6 所示。

其中，信號源在全所的利用率為10.93%，總利用率較低，其中部門1 只有一臺信號源，利用率較高，達到87%，資源較緊張；其他部門利用率較低。建議在沒有新需求的情況下，不再采購添置，可回收其他部門的部分儀器，調(diào)配給部門1 使用。

示波器在全所的利用率為8.37%，總利用率較低，各部門利用率均未超過50%。建議在沒有新需求的情況下，不再采購添置。

網(wǎng)絡分析儀在全所的利用率為6.90%，總利用率較低，各部門利用率均未超過50%。建議在沒有新需求的情況下，不再采購添置。

頻譜分析儀在全所的利用率為10.97%，總利用率較低，其中部門1 只有一臺，利用率較高，達到93%，資源較緊張；其他部門利用率較低。建議在沒有新需求的情況下，不再采購添置，可回收其他部門的部分儀器，調(diào)配給部門1 使用。

圖6 各類設備部門利用率展示圖

5 基于電力線載波技術(shù)的設備儀器智能化管理的創(chuàng)新點及技術(shù)進步點

5.1 實現(xiàn)設備儀器全壽命周期監(jiān)測和管理

系統(tǒng)可導入設備儀器編號、名稱、型號、廠家、原值、凈值、類屬等參數(shù)，并對設備儀器使用情況進行全時段監(jiān)測，通過分析設備運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)統(tǒng)計設備利用率、預約排期、設備離線管理、統(tǒng)計能耗信息、設備故障監(jiān)測等功能，從而實現(xiàn)設備儀器全壽命周期的監(jiān)測和管理。

5.2 實現(xiàn)有效數(shù)據(jù)傳輸與備份存儲

系統(tǒng)采用先進的冗余設計，對設備儀器使用數(shù)據(jù)進行備份存儲，確保設備外出使用時仍能進行監(jiān)測，當設備回到單位，即可實現(xiàn)缺失有效數(shù)據(jù)的自動傳輸與獲取。

5.3 基于電力線的物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)實現(xiàn)保密管控與低成本化布設

系統(tǒng)創(chuàng)新地將電力線載波技術(shù)應用于設備儀器管理場景，研發(fā)可廣泛適用于各類大型設備和小型儀器的監(jiān)測產(chǎn)品，通過建筑內(nèi)原有電力線進行通信，滿足了軍工科研院所的保密管理需求，且具有無需重新布線、即插即用、通信速率高、數(shù)據(jù)可靠等優(yōu)勢。