大型机械设备全生命周期管理体系结构研究

周奇才,沈鹤鸿,刘星辰,赵 炯

(同济大学 机械工程学院,上海201804)

周奇才(1962—),男,教授,博士.E-mail:qczhou@tongji.edu.cn

大型机械设备全生命周期管理体系结构研究

周奇才,沈鹤鸿,刘星辰,赵 炯

(同济大学 机械工程学院,上海201804)

在大数据、云计算和物联网等技术快速发展的背景下,以研究大型机械设备全生命周期管理体系结构为出发点,首先给出了产品全生命周期管理的定义,详细分析了其各阶段之间的联系;之后首次提出了更为形象的产品全生命周期管理屋,作为全生命周期管理系统的开发依据,并以此来构建全生命周期管理系统建设框架;阐述了其运行机制及新形式下的4大具体应用;最后通过斗轮机全生命周期集成管理系统的案例,验证了该体系结构的可行性.

产品全生命周期管理; 体系结构; 大型设备; 斗轮机

众所周知,制造业是国民经济和国防安全发展的脊梁,是立国之本、兴国之器、强国之基,是国家实体经济的主体,是社会经济发展和增强综合国力的主导产业[1].以起重机械为代表的制造企业内部以及企业之间的分工合作越来越细化,大部分只是建立了一个独立的信息子系统,而产品生命周期的复杂性、异域性和独立性导致了绝大多数操作的不当、性能的浪费以及无谓的开销.

纵观近几年出台的重大文件,《智能制造工程实施指南》中将设备全生命周期健康检测诊断装备列为关键技术装备研制重点之一,并指出要重点开发产品全生命周期管理软件;《网络协同制造指导意见》也指出以互联网领域与工业制造领域的融合,推动制造业发展模式的创新和生态化现代产业体系构建是当下的重大任务,其中明确点明了支撑价值链重构的服务生命周期管理体系的重大意义,将产品服务生命周期集成管理平台研发与应用列为重要任务之一.产品全生命周期管理(Product Life-cycle Management,PLM)正是符合当下网络协同制造要求的制造业内部各环节、制造业与服务业间互相融合、信息互通、互为指导，且能以产品生命进程为线索针对闭环生命周期各个环节，提供增值服务的价值链协同集成管理平台系统.

1 产品全生命周期管理简述

产品生命周期的概念最早诞生在经济管理领域,经过了20多年的发展，这个概念才扩展到工程领域.为了解决“信息孤岛”而提高市场应变能力和竞争能力,产品生命周期管理作为产品数据管理的扩展,突破数据管理有限的范围,抽离对专业工程技术背景要求的依赖[2],它贯穿了产品从市场预测到报废回收整个过程,目的在于给企业提供更多与产品生命周期相关的信息,并为企业产品相关知识的创造、组织和分发提供公共平台.进入21世纪以后,随着产品复杂性的不断提升、客户需求的变化、制造和管理技术的突破以及大数据、云计算和物联网等新兴技术的发展,无论是在学术界还是在实务界,全生命周期管理都得到了越来越多的关注[3].Kutin等[4]通过在产品制造的生产系统使用阶段和设计生产阶段建立联系,使得新产品制造时间缩短30%～40%.Siemens公司针对PLM推出了Teamcenter软件,意图推动下一代精益思想.

对于产品全生命周期管理的定义尚无统一标准,这里综合林海旦等[5]、Farouk等[6]和Shin等[7]学者的观点后给出定义:产品全生命周期管理包含从需求分析、设计、制造、营销、物流、使用、维护、维修直到淘汰报废或回收再处置的产品全部生命历程,着力于监控产品全生命过程实时状态,统筹优化产品全过程相关服务,综合协调产品、用户以及环境利益,支持在任意环境下与产品任意阶段进行无缝交互,以实现产品经济价值和社会生态价值最大化.在任何可能的地方,PLM都将用低廉的信息比特的运动来代替昂贵的物理原子的运动.

2 产品全生命周期管理理论分析

2.1PLM阶段划分

现阶段广为接受的全生命周期划分方式以产品生命过程为主线，将全生命周期划分为3个阶段,如图1所示,这3个阶段分别为产品生命初期(Beginning of Life,BOL)、产品生命中期(Middle of Life,MOL)以及产品生命末期(End of Life,EOL).其中BOL包括产品的设计和制造阶段，MOL包括产品的物流、使用、维护和服务阶段，EOL包括产品的回收、再制造、再利用和报废过程[8].

图1 全生命周期阶段划分Fig.1 Life-cycle stage division

产品生命初期主要是一个产品从无到有的过程.从根据现实需求进行新产品或是新一代产品的规划起,包含着整个概念设计及细节设计的过程,由于产品整个生命周期的成本约有75%取决于设计阶段[9],因此,在设计时需要综合考虑包括设计成本、制造成本、销售成本、运维成本、使用成本和回收报废成本在内的全生命周期成本.通过建立全生命周期数据库,实现信息从设计到制造的无纸化传递,进而指导制造阶段的工艺制定、原材料采购、零部件生产或采购以及装配工作的完成.建立全生命周期数据库是实施智能制造两化融合的必然途径,通过全生命周期数据库的建立,缩短开发周期,降低风险与成本,提高产品质量,实现生产管理的信息化与可视化.

产品生命中期主要涉及产品的物流、营销、使用、运维及维修.产品生命周期理念中对于产品全过程跟踪的理念要求随时掌握确定仓储情况,运输过程中对运输工具进行实时跟踪.使用与维护、维修可以看作一个整体,为了使产品在本次生命周期中实现效益的最大化,需要对其进行实时监控及故障诊断,利用远程维护技术在故障即将出现之时提前进行维护或是维修,尽可能将停机时间降到最低,保证日常工作正常运转.

产品生命末期并非是产品的寿终正寝,在这个阶段尚未报废的零部件将会重新回到之前2个阶段进行新一轮的生命周期过程,或是通过再制造技术将产品的性能重新提升一个档次,只有经检测已达到使用极限的零部件才会被报废.在这个阶段比显而易见的重用零部件更重要的是经历一个完整生命周期所收集得到的数据,通过一系列数据分析手段给前2个阶段的生命历程提供指导,实现生命周期的闭环连接.在提高重用效率、降低回收成本的同时,实现产品族生命周期[10]的优化过程.

全生命周期的3个阶段联系紧密,如图2所示，任意2个阶段之间都有信息的传递,从而形成闭环.各阶段处理自身事务时都会受到其他2个阶段的影响,同时影响着另外2个阶段的事务,这些信息传递包括正向传递和反向传递.所谓正向传递就是信息按照产品生命进程方向传递,反向传递自然就是信息按照产品生命进程反方向传递.

图2 全生命周期各阶段联系Fig.2 Relation between different life-cycle stages

BOM向MOL和EOL传递产品的设计参数、制造参数以及功能指标等产品固有信息,以此支持MOL的运维决策、EOL回收再利用或是报废处理的判断.MOL向EOL传递产品整体及各零部件的运维记录及剩余寿命预估值等信息，以此作为将产品分解、对不同零部件按剩余价值进行处理的判断依据.MOL向BOL传递产品维修保养记录和使用中出现的BOL没有考虑到的问题或是不便之处,以此指导BOL工作.EOL向BOL和MOL传递产品对设计工作参数的完成度以及零部件回收再用和报废情况等信息,以此对BOL工作相对应环节进行改善，从而实现产品族的优化,同时分析寿命低于设计值零部件的失效方式等对MOL运维方式的改进提供支撑.

2.2产品全生命周期管理屋

为了实现产品从生到死的全方位管控,产品全生命周期管理需要集成生命周期各个阶段所有相关数据,通过一系列处理分析手段完成从数据到信息再到知识的全过程转化,而智能物件、无线传感网、大数据分析以及云计算等新兴技术使得这一设想成为可能.下面提出一种产品全生命周期管理体系架构,如图3所示,即产品全生命周期管理屋(Product Life-cycle Management House,PLMH).

图3 产品全生命周期管理屋Fig.3 Product life-cycle management house

产品全生命周期管理屋的地基部分是全生命周期核心数据库,正如不先打地基就无法造房子一样,没有数据库那么所有事情都无从谈起.数据是关于具体事物的符号表示,是全生命周期管理得以进行的媒介.数据库则是长期储存在计算机内、有组织的、可共享的数据集合,规划合理的数据库是任何系统高效运行的前提条件,它能让用户有效地对数据进行管理和应用,或者将数据与其他程序进行合理的融合使用[11].近年来随着数据量的不断增长,非关系型数据库得到了飞速发展.

在地基之上的产品全生命周期管理屋的4根支柱,代表着一个PLM系统应具备的4个层次,它们依次是采集层、通信层、透析层和应用层.采集层采得的数据经过必要的预处理后通过通信层传输至数据中心并进行存储,透析层提取这些数据,运用一系列算法对数据进行分析,挖掘数据背后隐含的信息,支持应用层功能的实现,同时应用层给用户提供一个获取信息、实现在线增值的通道.以下将分别对这4个层次展开叙述.

采集层负责通过在线获取或是离线获取，从产品处获取所需的状态数据和事件数据等,此外需要对取得的数据进行必要的预处理,例如滤波、A/D转换或是特征提取等.再者需要具备数据暂存的功能,这不但可以解决处理器与存储器的存取、运算、处理间速度差异的问题,而且能有效防止传输过程中的突发状况而导致数据丢失.常用的数据采集方式有DNC网卡采集、宏指令采集、PLC采集以及RFID采集等[12].

通信层负责采集端与数据中心的连接,实现数据的传输,即系统各部分之间的通信,可以选用3G/4G或者是WIFI实现数据的远程传输.数据传输需要通信协议,可以是常用的TCP/IP,NETBEUI或者IPX/SPX网络协议,也可以按需设计符合要求的通信协议,但是要保证数据传输的稳定性和可靠性,例如当数据包出现错误或是连接断开得到修复后的重传和补传.此外，远程用户与采集端的连接，可以利用VPN建立专用连接.

透析层负责分析数据中心接收到的数据,根据实际情况建立数学模型,通过一系列算法挖掘采集得到的数据背后隐含的种种规律和联系,实现从数据到信息再到知识的全过程转化.比较常用的算法有大经典算法,在实际运用时，往往需要针对具体情况，在经典算法的基础上，进行改进或是利用统计的方法探寻新的关系,使一行行数字成为我们需要的、能够从中得到指导的信息甚至知识,然后在平台中展示出来.

应用层利用经过挖掘分析的数据实现系统的各种功能,向用户提供满足多种需求的系统集,例如办公自动化系统、生产计划管理系统、施工过程监控系统或是库存管理系统等,支持根据不同的用户权限等级使用系统不同权限等级的功能以及访问不同权限等级的数据库.以制造业为例,应用层可以提供无纸化传递、设计制造协同、实时监测、故障诊断、远程维护、预判性维护、失效分析以及质量追溯等功能.

4根支柱所支撑着的就是产品全生命周期管理的整个流程,包括全生命周期3个阶段在内，从生到灭而后新生的产品生命族连续循环过程,此部分前文已进行了较为详细的描述,需要注意的是必须建立信息交换模型来促进EOL到BOL的反馈,从而完善循环产品生命周期信息流[13].

在这之上是产品全生命周期管理屋的房顶和窗户.房顶部分由标准体系和安全体系组成,离开了标准和安全性,一切系统的逻辑性和稳定性都将无从保证.常用的标准有ISO-10303,ISO-13373,IEEE 1451,IEEE 1232,MIMOSA OSA-EAI和OSA-CBM等.此外有一种PLM支持标准的层次分类[14],第0类标准是实现语言标准,例如FORTRAN,C++或者Java等;第1类标准是信息建模标准,例如EXPRESS,UML或者XML等;第2类标准是内容标准,这个等级可以分为产品信息建模标准,例如包括STEP,PLCS的IOS30303以及MIMOSA;产品信息建模标准,例如SOAP;产品可视化标准;电子商务价值链支持标准以及安全标准;第3类是构架框架标准,例如EPCglobal.另外PROMISE架构虽不是标准,但却几乎能满足PLM的所有要求[15].

最后就是屋顶上的窗户了,一个PLM系统必须能够与外界通信,与用户交互,而网络就是实现连接与数据传输的媒介.通过Internet技术实现与CAD,CAM,CAPP,ERP,SCM以及CRM等系统的集成,进而完善PLM系统所应具备的功能.

2.3PLM运行机制

就用户而言,只要通过Web界面登录PLM系统就可以进行一系列的查看管理操作.如图4所示,所管理产品信息经过传感器、RFID或是人工操作采集,预处理后经由网络传输存入数据库,所得数据融合专家经验知识,通过算法模型分析后为实现各类功能提供数据支撑,最后以Web形式展示给用户.不同用户可以根据对应权限进行操作,例如通过系统查看设备的各项静态或动态信息,对设备进行全生命周期质量追溯,分析设备实时运行状态，提前制定维护计划或是根据使用过程中的问题优化产品本身性能等.

图4 产品全生命周期管理运行机制Fig.4Product life-cycle management’soperating mechanism

2.4PLM的应用

基于PLM所能实现的功能贯穿整个生命过程,对实现现代制造服务以及生产性服务起到强烈的推动作用.利用全生命周期信息交互平台可以将各项指标的设计值与实际值进行比较,直观地判断产品的价值实现是否达到预期值,并根据其面向全生命周期的固有属性并结合实际外部因素,实时评价其可维护度[16].通过全生命周期数据链来追溯产品的历史、使用情况或所处位置等信息,出现问题时通过正向追溯确定缺陷产品的去处并及时实施召回,通过反向追溯发现出现错误的环节找出责任点并及时修正.在设备使用过程中对其进行状态监测、故障诊断、预测评估以及远程维护,在事故发生之前提前采取措施.此外可以参考ISO 14000等标准进行数据统计分析、敏感性分析以及影响评价等,利用基于PLM数据库的产品模块数据挖掘方法[17]将生命周期数据反馈到设计端,优化整个产品族,从而实现生命周期的完整闭环.

3 应用案例

某企业以斗轮机为主要产品之一,在制造业信息化的时代背景下，积极推进大型机械设备的服务增值,在本文所提出的全生命周期管理体系结构的指导下,开发了大型设备全生命周期集成管理系统,提出现场检测、数据集成、故障诊断、维护决策等技术方法,通过互联网实现使用多目标的维护决策优化技术,实现基于设备状态的维护,达到港口装卸系统大型设备高效、环保、安全、节能运行的工程示范应用的目的.

斗轮机全生命周期集成管理系统能够准确获取和快速跟踪设备设计、制造及运维等阶段动态信息,其整体架构如图5所示.系统具备数据管理、实时监测、历史查询与质量追溯等基本功能,同时兼具统计分析与预测评估等扩展功能.系统采用B/S模式,以具有优良的跨平台特性,并且能够统一维护更新,客户使用方便，无需安装.

图5 斗轮机全生命周期集成管理系统架构Fig.5 Structure of integrated life-cycle management system of bucket wheel

4 结语

本文以研究大型机械设备全生命周期管理体系结构为出发点,详细阐述了产品全生命周期管理的含义及其理论,分析了全生命周期各阶段之间的联系.此外深入分析研究了全生命周期管理体系结构,首次提出了更为形象的全生命周期管理屋,作为全生命周期管理系统的开发依据,并以此来构建全生命周期管理系统建设框架;紧接着讲述了其运行机制及新形式下的4大具体应用;最后通过斗轮机全生命周期集成管理系统的案例验证了该体系结构的可行性.

下一步的工作将着重于大型设备整机预判性维护、全生命周期数据集成在线增值技术以及建立闭环信息交换模型的研究.

[1] 陶永,王田苗,李秋实,等.基于“互联网+”的制造业全生命周期设计、制造、服务一体化[J].科技导报,2016(4):45.

TAO Y,WANG T M,LI Q S,et al.Integration of manufacturing industry life cycle design,manufacturing and service based on the ‘internet plus’[J].Science and Technology Review,2016(4):45.

[2] AMERI F,DUTTA D.Product lifecycle management:closing the knowledge loops[J].Computer-Aided Design and Applications,2013,2(5):577.

[3] OLIVEIRA P S G D,SILVA D D,SILVA L F D,et al.Factors that influence product life cycle management to develop greener products in the mechanical industry[J].International Journal of Production Research,2016(15):4547.

[4] KUTIN A,DOLGOV V,SEDYKH M.Information links between product life cycles and production system management in designing of digital manufacturing[J].Procedia Cirp,2016,41:423.

[5] 林海旦,樊冰,俞丹亚.大型仪器设备开放共享平台全生命周期管理研究[J].实验技术与管理,2014,31(4):240.

LIN H D,FAN B,YU D Y.Study on lifecycle information platform for opening and sharing of large-scale instruments[J].Experimental Technology and Management,2014,31(4):240.

[6] BELKADI F,TROUSSIER N,HUET F,et al.PLM-based approach for collaborative design between OEM and suppliers:case study of aeronautic industry[J].Computer-Aided Innovation(CAI),2008,277:157.

[7] SHIN J H,KIRITSIS D,XIROUCHAKIS P.Design modification supporting method based on product usage data in closed-loop PLM[J].International Journal of Computer Integrated Manufacturing,2015,28(6):551.

[8] JUN H B,KIRITSIS D,XIROUCHAKIS P.Research issues on closed-loop PLM[J].Computers in Industry,2007,58(8):855.

[9] 陈晓川,方明伦.制造业中产品全生命周期成本的研究概况综述[J].机械工程学报,2002,38(11):17.

CHEN X C,FANG M L.Summary of the product life cycle cost management in manufacturing industry[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2002,38(11):17.

[10] 纪杨建,祁国宁,顾巧祥.产品族生命周期数据模型及其演化研究[J].计算机集成制造系统,2007,13(2):240.

JI Y J,QI G N,GU Q Y.Lifecycle data model & its evolvement for product family[J].Computer Integrated Manufacturing Systems,2007,13(2):240.

[11] 钱坤.信息管理中计算机数据库技术的应用探析[J].电脑知识与技术,2014(34):8093.

QIAN K.Application of information technology management in the computer database[J].Computer Knowledge and Technology,2014(34):8093.

[12] 张芬,杜朋,杨亚非.离散制造企业MES中的生产数据采集实践[J].机械设计与制造,2011(3):245.

ZHANG F,DU P,YANG Y F.Practice of product data collecting of MES for discrete manufacturing enterprise[J].Machinery Design & Manufacture,2011(3):245.

[13] LINKVIST L,SUNDIN E.The role of product-service systems regarding information feedback transfer in the product life-cycle including remanufacturing[J].Procedia Cirp,2016,47:311.

[14] NAGARGADDE A,SRIDHAR V,RAMAMRITHAM K.Representation and processing of information related to real world events[J].Knowledge-Based Systems,2007,20(1):1.

[15] KIRITSIS D.Closed-loop PLM for intelligent products in the era of the Internet of things[J].Computer-Aided Design,2011,43(5):479.

[16] 简小刚,蔡帅博,陈前锋,等.面向全生命周期的产品可维护度评价[J].中国工程机械学报,2016(1):6.

JIAN X G,CAI S F,CHEN Q F,et al.Entire life cycle oriented product maintainability evaluation[J].Chinese Journal of Construction Machinery,2016(1):6.

[17] LEI T Y,PENG W P.A product module mining method for PLM database[J].Journal of Central South University,2016,23(7):1754.

Researchonproductlife-cyclemanagementstructureoflargemechanicalequipment

ZHOUQicai,SHENHehong,LIUXingchen,ZHAOJiong

(School of Mechanical Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China)

This paper illustrates the product life-cycle management structure under the background of the rapid development of new technologies such as big data,cloud computing and internet of things.The definition of product life-cycle management is proposed before analyzing the connection among different stages in detail.Then a more vivid system diagram called product life-cycle management house is proposed and described specifically as the basis of building product life-cycle management system.The operating mechanism is also stated and four specific applications of product life-cycle management are presented.Finally an integrated life-cycle management system of bucket wheel is given to show the effectiveness of this structure.

product life-cycle management; structure; large equipment; bucket wheel

TP 391.7

A

1672-5581(2017)04-0318-06