试验数据管理系统在船用柴油机可靠性设计中的应用

贺林?张伟?吴先武

摘要：在进行船用柴油机的设计与研发过程中，为了提高其可靠性，需要进行许多试验，因而会生成许多复杂的试验数据，试验数据的生成将进一步影响后续的试验数据，进而推动研究和开发的进行。基于此，从对现阶段试验管理现状的分析出发，指出其存在的问题，并对试验数据管理系统（Test Data Management，TDM）从系统功能以及架构进行研究，并对试验数据管理系统与传统数据管理模式进行对比，总结了试验数据管理系统在船用柴油机可靠性设计中的应用效果。以期为船用柴油机研发和设计过程中的试验数据管理提供帮助与借鉴。

关键词：试验数据管理；船用柴油机；试验数据管理系统；分层结构

一、前言

由于运行环境的不同，船用柴油机相较于陆用的柴油机要更为适应颠簸的环境，因此要求船用柴油机在设计和研发时，需要让其能够在纵倾15°～25°和横倾15°～35°的条件下可靠工作、并且具有更高的热效率、更为容易的启动方式[1]。因此在所需性能要求下，保证船用柴油机的可靠运行需要进行大量的试验，通过试验、测试等将柴油机中存在的故障和隐患暴露出来[2]。同时，在进行可靠性测试时，会生成许多测试资料，随着测试内容的不断增加，测试资料的数量也越来越多，常规的测试资料记录方法已不能适应目前的需要，加之缺少对测试资料的有效管理，使得测试资料很难得到深入的发掘和充分的利用。为解决试验数据的管理问题，本文对试验数据管理系统在船用柴油机可靠性设计中的应用进行了研究。

二、试验数据管理现状及存在的问题

由于在船用柴油机设计过程中需进行大量各种类型的试验，且实验所生成的资料种类较多，分布于各种仪器之中，对实验资料的处理与使用造成了很大困难。试验数据管理主要存在以下问题：

（一）试验的数据较为分散、相对独立

由船用柴油机试验中获取的大量各类相关试验数据在采集后储存于不同的计算机、储存设备和仪器设备中，无统一的管理平台，导致研究人员难以对试验数据进行有效统计。与此同时，由于统一管理平台的缺失，试验数据难以在各部门之间流动、共享，无法对数据进行及时的汇总和分析，进而导致数据分散严重、难以关联和高效的利用[3]。

（二）试验流程信息缺乏完整性

在船用柴油机的试验中，从计划的制定、设计的进行，到数据的采集和分析工作，每个步骤开展时均是相对独立的状态，导致工作人员难以对流程信息进行收集和整理，而这部分流程信息中存在着大量的试验细节，可以为试验提供重要的参考，让工作人员汲取相关改进经验。试验流程信息缺乏完整性则会导致对实验结果的判断、分析缺乏准确性，进而影响后续试验结果的可靠性。

（三）试验信息的管理缺乏标准

不同厂家、型号、年代的各类仪器设备运行时产生的数据格式不同、保存的方式存在差异，导致原始试验数据的格式杂乱，应用时存在较大阻碍。因此需建立统一的数据标准、规范试验数据定义、制定试验信息标准化处理流程[4]。

（四）试验数据缺乏安全性管理

在船用柴油机设计和测试中，采集的数据往往存储于不同网络的计算机或其他设备中。由于一般试验数据为单机管理，缺乏对于访问权限的控制，导致试验及过程数据的安全性降低；同时，仪器设备容易脱离管控、难以追踪，试验数据与固定仪器设备的绑定性也会导致信息不能被有效地导出。数据的分散导致关联性缺失，长时间储存后会丢失背景、关系信息。试验数据缺乏完善的备份系统，一旦储存设备发生故障便会导致数据彻底丢失。

三、试验数据管理系统

试验数据管理系统（Test Data Management，TDM）是产品生命周期管理（Product Life-Cycle Management，PLM）中的组成部分，能够帮助用户组建一个准确、完整的试验数据库，进而管理试验数据并与其相关过程的有关信息[5]。TDM从本质上讲是一种数字化管理技术，主要围绕试验业务中的试验任务管理、试验流程管理、试验资源管理，参与从试验发起到试验结束时报告生成的信息化管理中，通过对试验业务的数字化管理构建覆盖整个船用柴油机可靠性设计试验全流程管理、全数据管理、全资源管理的综合管理平台。

（一）系统功能

TDM主要由负责业务和数据传输的网络系统、试验业务数据库系统、存储及安全等基础信息软件、硬件组成，其中网络系统包含传输协议、终端显示等，数据库系统包括数据的标准、试验的规范要求等，储存及安全系统则主要包括数据的储存格式标准、历史数据的储存以及权限的设置等[6]。

TDM功能架构主要功能包括：试验任务的管理、试验资源的管理、试验流程的管理、试验报告的管理等，以及作为不同角色如试验委托者、试验管理者、试验辅助者的门户。

1.试验任务管理功能

试验任务管理功能的核心是对任务的管理、对试验状态的监视、对系统软件的配置以及在前台对用户进行显示。其中任务管理的主要运作方式是接受试验规划和管理系统下达的关于开展试验任务的有关资源调度信息，并基于此，对根据信息的相关配置要求进行统筹分配，在试验开展命令下达的同时，对数据管理、储存软件下达资源调度任务，使其收集各类试验数据。

例如，在船用柴油机可靠性试验的负荷特性试验中，利用任务管理功能可现实对测试所需的设备进行调节，使试验样品在试验中满足相应的转速规范并拟定测量点等，与此同时下达资源调度命令采集柴油机的进气状态、扭矩、燃料消耗量等，并根据TDM中的试验数据管理功能，对数据进行管理、转化、关联，将管理处理后的数据展示给前台的操作人员[7]。通过对试验状态的监视和前台展示，可以将有利于试验参数的情况与主要部件的监控情况进行对比，有利于相关人员在现场及时地进行分析，尽早地发现试验存在的问题，并且，在整个试验过程中，有关的管理人员可根据项目的内容，随时、远程的判断试验的进行是否正常，在不影响试验按序进行的基础上，发布相关的调整、变更信息。

2.试验资源管理功能

试验资源管理功能主要是对实验人员以及对试验所需的台架设备、试验原料、损耗物资通过建立相应的数据库进行管理。在人员管理中，通过将船用柴油机试验开发人员的信息录入库中，根据各岗位的职责，对开发人员的能力进行统计，并购根据对试验任务的统计，将开发人员按照合理的数量、能力安排到不同的试验开发任务之中。设备管理则是建立包括仪器设备、计量器具、台架测功机[8]等的设备数据库，对设备的基本信息以及动态信息例如校准、维修、使用、故障等进行随时记录，以便后续的查阅。除此之外，还通过建立试验物质数据库，对试验所需的物资的类型、型号、存放信息等进行记录，并且通过物资出入库的过程，实现物资数据的动态更新，通过试验资源的管理，使相关人员明确资源的使用情况，提供一定的提醒和告警功能。

3.试验数据管理功能

试验数据管理用于管理所有与试验相关的数据信息。在试验的过程中存在大量的结构化、非结构化数据，主要包括试验的原始数据、过程有关的数据、异常数据和文档报告、多媒体数据等的录入。在数据录入后，对数据中存在的非结构化数据应用算法[9]容器和脚本，利用公式编辑器自行将格式进行统一处理，使其形成可以用二维表进行表征的规则、完整的结构数据，通过结构化数据的储存以便后续的编辑要求。并将数据分类保存，以结构树的形式进行体现，以便业务人员对于数据的灵活查看，并可以结合系统的权限设置，按照用户的权限等级有选择性的提供相应数据，保证数据的安全。并将试验所收集的数据信息，自动储存于数据库，完善数据知识。

4.试验流程管理功能

试验过程中的操作很多，需要不同部门、不同人员分工合作，对试验流程进行实时监测，了解试验的进度和流程是否符合规定，并且需要有足够的时间进行规划和审批。可借由过程控制的函数，对有关的过程进行界定，使相关人员按程序完成各种工作，并完成对实验过程的统计追踪或修正。它还能与PLM整合，从而实现工程管理的一个关键环节。

5.其他功能

在上述功能的基础上，还提供一定的数据处理分析功能，可通过系统自带的部分分析手段，对录入试验数据管理系统中的数据进行处理后分析，例如对原始数据进行回放，将试验数据绘制成相应的曲线，并实现对曲线的裁剪、编辑、拷贝等，或者对数据的采样率进行变换等。还可以自行设计所需报告的排版格式或者业务人员自行编辑数据导出所需的格式，通过数据库中数据字段与模板需要显示数据的位置，建立相关的链接，最终生成报告。

（二）分层式系统功能架构

在船用柴油机可靠性试验中，TDM系统通过分层式结构实现系统的结构化、整体化功能，其功能架构主要分为五层，分别为网络环境层、数据库层、平台层、应用层以及界面/接口层，如图1。

其中网络环境层的主要作用是构建一个统一的实验网络，并且是一个独立于外部网络环境的局域网，通过与船用柴油机可靠性试验中所有相关的IT终端进行接入与汇总，并建立相应的防火墙、杀毒软件等安全防护措施，实现试验局域网的的安全，保证试验数据的安全。

数据库层则是通过Oracle数据库[10]将所有与船用柴油机可靠性试验有关的数据进行汇总与整理，从而构建数据信息库，服务于TDM整体的数据调动。与此同时还建立电子文件仓库，利用电子文件仓库对各种电子文件进行管理，包括将电子文件存放于相应的专属存储区内，或者将某一个专用的储存区内电子文件进行取出，在此基础上，对电子文件的存放与取出过程产生的数据信息进行记录。

平台层在TDM中起到系统运行的支撑作用，不仅包括方便使用Oracle数据库进行二维数据表进行表征的结构化数据，而且包含对结构化数据高速存储的应用需求、数据备份需求、数据共享的需求以及数据容灾需求；同时还包括了无法用二维表表征的结构不规则、不完全的非结构化数据，以及TDM在船用柴油机可靠性试验应用所需的流程引擎、查询引擎等。

应用层则是TDM的主要业务功能层，包含了TDM在船用柴油机可靠性试验应用所需的各类功能，例如试验任务管理功能、试验资源管理功能、试验数据管理功能、试验流程管理功能等。

而界面/结构层则是通过基于角色/权限的Web用户界面体现了试验任务管理功能的中前台对用户进行显示的功能，并且利用开放接口Rest API与其他Web Service接口，以及数据分析所需工具集成结口、算法扩展的结口，实现了与其他工具、系统的联动与集成。

四、试验数据管理系统与传统管理模式对比

以本文作者所在公司的柴油机实验室为例，该实验室进行的试验主要包括船用柴油机整机试验、单缸机试验以及相关零部件的试验为主。根据以往进行的试验，按照试验项目的具体情况与试验要求，将实验室对于试验数据管理的功能需求分为六部分，并将原使用的数据管理模式与应用试验数据管理系统的应用效果进行对比。各模式功能对比如表1。

通过对船用柴油机可靠性开发与设计的数据管理，采用试验数据管理系统，实现了对于柴油机测试中对转子信息、装机信息、测试信息等多种数据详细的、无纸化记录功能。并且通过试验数据管理系统中储存的数据文件和日志文件，实现了对数据库修改、调用的记录，并可以自动管理事物处理的记录，避免了因出现异常故障导致的数据丢失等情况，可根据相应的记录对数据库中的数据进行有效的恢复。通过试验数据的自动记录、存储，以及高效查询等功能降低了人工记录、储存时因失误造成的数据准确性下降、丢失等风险，并通过数据实时显示的功能，可帮助试验人员对试验结果进行提前的预判，降低了因多次重复试验带来的人力与物力的消耗，一定程度上降低了试验的试错成本。并且随着系统的应用，数据库中会储存大量的、详细的试验数据，数据的不断积累和完备，可以为船用柴油机可靠性开发与设计提供一定的指导和促进作用。在此基础上，还可以通过历史的故障数据，为柴油机的故障与诊断提供信息的支撑，利用故障原因和机理数据建立相应的故障诊断系统，进而提高船用的柴油机可靠性。

五、结语

在船用柴油机可靠性设计中设计大量的试验，通过试验获取的数据可为提高柴油机的可靠性提供信息支持，提升船用柴油机的使用效果与质量。因此对于数据的管理至关重要。通过试验数据管理系统的应用可实现对试验数据的全流程管理、试验中所有涉及相关资源的全资源管理以及全数据管理。通过试验数据管理系统的应用，可以改善船用柴油机可靠性设计数据管理现状中存在的试验数据较为分散且相对独立、试验流程信息缺乏完整性、试验信息的管理缺乏标准、试验数据缺乏安全性管理等问题。实现对试验数据中有关数据的集中管理，将试验中的设备、分析软件等进行集成，将试验和分析数据贯穿于整个船用柴油机可靠性设计和研发之中，并通过试验数据管理系统持续积累试验经验，为后续先进技术和分析手段的引入和传递提供便利，进而提高使用企业的自主创新能力。

参考文献

[1]鞠媛媛，杨慧青，王靖宇，等.CF质量等级船用柴油机油性能研究[J].石油商技，2022，40（04）：48-53.

[2]赵宸翦，张权，李昕珏.基于数理统计的柴油发电机组可靠性试验[J].机电设备，2022，39（04）：44-49+155.

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[4]郭硕，杜鑫，盛世伟，等.基于TDM的燃油调节器试验台的自动测试软件系统设计[J].现代制造技术与装备，2022，58（04）：18-20+24.

[5]肖欧.试验数据管理系统设计与开发[J].科技视界，2021，366（36）：43-45.

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[9]顾鹏程.一种新颖的嵌入式数据管理算法设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2021，21（11）：27-29.

[10]熊学锋，彭小庆，曹鑫.基于改进ORM的Oracle数据库异构资源整合方法研究[J].电子设计工程，2020，28（21）：38-41+46.