某產品動力系統可靠性數據庫統計分析系統設計與實現

王亞勇 張云飛

摘要：以某產品動力系統陸上功率試驗數據、泵閥性能試驗數據、湖試和海試的實航數據為基礎，開展動力系統可靠性數據分析研究工作，設計了一個大型的數據庫查詢統計分析系統。該系統具備用戶權限管理、試驗信息查詢、試驗數據回放對比分析、故障查詢和統計分析等功能，實現了某產品從生產到功率試驗再到湖海試數據的快速查詢和對比分析，對生產和功率試驗的排故具有重要意義。

關鍵詞：動力系統;試驗數據;數據庫;統計分析

中圖分類號：TP392? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）01-0054-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.01.015

0? ? 引言

某系列產品的動力系統目前有多種型號，經歷多次試驗臺改造，產生了多種類型陸上功率試驗數據、湖海實航試驗數據、泵閥性能試驗數據等，在查找問題條次及試驗故障原因分析時，需要對相似故障及歷史數據信息進行對比分析，但這些數據信息分散在不同單位，文件格式也不相同，數據是各自孤立的，沒有建立起數據之間的相互聯系，給排故、查找、對比、分析問題帶來了困難，如何合理使用已有的試驗數據來提高動力系統可靠性，在生產、裝備故障發生時如何快速高效地診斷故障，并排除這些故障，為生產實航提供方便快捷的可靠性數據，一直是研制生產單位和使用保障單位共同關心的問題。

本系統主要是以某產品功率試驗數據為主、相關試驗數據為輔，開展對某產品試驗數據的查詢分析，從數據入手探索如何從大數據中分析出準確、可靠、對排故具有指導意義的數據信息，主要從以下幾個方面進行研究：

（1）對陸上臺架功率試驗和湖海試數據、質量信息、故障信息等進行收集、整理、分析，結合工作中信息檢索、產品排故、統計分析等需求，確認系統需要實現的具體功能模塊。

（2）根據數據信息分類和軟件功能需求，設計數據庫結構及系統的結構框架。

（3）建立數據信息之間的聯系，并根據需求選擇適當的查詢、統計方法來對數據進行分析。

（4）設計一套提供多方位、多角度的查詢、統計及分析的應用軟件系統，使用戶可以方便快捷地通過對故障現象等信息的模糊查詢，從歷史記錄的數據中檢索出相似故障的信息、發生的試驗平臺、相關的試驗數據等，為故障排查提供具有可靠性和相關性的信息參考。

通過開展某產品動力系統可靠性數據分析研究工作，編制應用軟件，建立開放性數據庫，設計了能夠實現數據查詢、對比分析、故障查詢等功能的軟件平臺，并達到以下目標：

（1）分析某產品動力系統數據信息，摸索規律，建立動力系統數據庫結構框架，并挖掘出數據信息之間的聯系及相互關系。

（2）運用權限管理，開發出可單機使用，也可網絡使用的適合不同用戶需要的應用程序。

（3）可隨時補充相關數據，對不同渠道產生的數據可以通過錄入、上傳、導入等方式將信息傳入系統，為可靠性數據庫系統的完善提供數據積累。

（4）可對陸上臺架功率試驗、湖海實航試驗數據進行快速查詢和對比分析。

（5）試驗故障時，可根據故障現象等信息快速檢索以往的故障診斷信息，進行數據對比分析，達到快速定位故障、解決問題的目的。

1? ? 系統分析與設計

1.1? ? 開發與運行環境

本系統使用Delphi 7.0作為開發工具，采用了C/S（客戶端/服務器）的架構模式，ADO數據訪問模型技術，全面實現對象化編程。后臺數據庫采用MS SQL Server 2000大型數據庫管理系統。硬件上主要可由數據庫服務器和不同分布的客戶端計算機組成，也可由單臺計算機組成。

1.2? ? 系統功能結構

如圖1所示，本系統主要由權限管理、數據上傳和試驗數據庫統計系統構成。

權限管理程序主要完成用戶權限的分配及管理。

數據上傳程序主要完成陸上功率試驗相關數據及海水泵、燃料泵試驗數據上傳至數據庫相應表中的任務。

試驗數據庫統計系統主要由基本信息、文件、試驗信息、查詢分析和結論分析等部分組成，主要完成數據信息的回放、比較、查詢、統計和分析。

1.3? ? 系統工作流程

系統工作流程首先要從權限管理的流程說起，系統初始化由高級管理員來完成，高級管理員擁有最高的管理權限，高級管理員登錄權限管理程序建立登錄本系統的用戶信息，并為這些用戶分配相應的使用權限，所有用戶只有在擁有了這些權限后方能登錄到本系統中。

用戶通過用戶名及密碼登錄到本系統中，在權限允許的范圍內可編輯、回放比較、查看相關的信息。整個系統簡易流程如圖2所示。

1.4? ? 數據庫設計實現

數據庫是整個系統的數據組織核心和軟件設計的基礎，是理順整個系統數據流程的關鍵，負責組織與聯系所有數據，對數據進行分類和管理。在本系統中共設計了20多個數據表，相關數據表之間通過關鍵字建立關聯，相互關聯的表之間具有一定的約束限制。數據關系如圖3所示，其中主要數據信息包括以下內容：

（1）陸上臺架功率試驗采集數據文件。

某產品試驗臺歷經4次改造，試驗采集數據文件格式各不相同，之前的試驗數據分析系統已將歷年的試驗采集數據統一轉換到了一個平臺上，并以.dat文件格式保存。

該試驗臺試驗采集數據由3個文件構成：

1）Formular：存儲所有采集通道的通道配置、標定參數等相關信息;

2）Data：存儲試驗中所有模擬通道的數據;

3）Ttl：存儲試驗控制臺發出的DO信號和現場反饋的DI信號數據。

（2）功率試驗報告文件。

根據某產品的技術要求對試驗采集數據經過處理后產生的結果報告文件，以.doc格式保存，包括試驗編號、試驗日期、產品配套參數、試驗數據等。

（3）功率試驗試后分析文件。

功率試驗后根據試驗是否有效、產品是否合格而產生的相關信息文件，其中包括試驗編號、試驗日期、試驗結論、新裝狀態、產品準備情況、試驗臺情況、試驗現象、產品試后分解情況、故障分析處理、不合格品評審處置記錄單號、超差使用申請單編號等。

（4）故障分析報告文件。

故障分析報告大多是以.doc或.pdf格式存放，它是以試驗為索引逆向追溯的文件，反映了試驗設備、產品加工、裝配等方面產生故障的原因、現象及解決方法。

（5）湖、海試驗數據文件。

湖、海試驗采集的數據一般以.dat文件格式提供，主要有兩個文件：一個是記錄轉速的，采樣頻率為10次/s;另一個記錄著許多實航信息，但在本系統中只上傳了+40 V電壓、-40 V電壓、潛水深度，采樣頻率為100次/s。不論是接收一個還是兩個文件，系統都需要對文件進行格式轉換，使其滿足統一回放查看的需求。

（6）泵性能試驗報告文件。

海水泵和燃料泵的性能試驗數據按技術要求經過處理而形成的報告文件，包括試驗編號、試驗日期、產品代號、組件序號、泵（海水泵、燃料泵）試驗處理參數等。

（7）產品配套數據文件。

產品配套數據文件是某產品出廠配套及檢修的參數表，其中包括產品號、動力裝置、海水泵、燃料泵、發動機等參數信息。

以上試驗數據信息以原始數據歸檔文件形式存儲（如.dat、.data、.word、.pdf等格式），在各自歸檔的文件夾中，本系統通過在數據庫表中保存文件的存放路徑建立起與數據文件之間對應的關聯，從而實現當文件存放位置發生變化時，只需修改相應的文件存放路徑，文件鏈接即可改變。通過路徑鏈接文件而不是將大量的試驗采集數據存放到數據庫表中，實現了數據文件的多格式存放，使本系統具有更強的適應性、靈活性和可擴展性。

2? ? 軟件程序的功能實現

2.1? ? 權限管理

權限管理是用來對應用系統的所有資源（對象資源和數據資源）進行權限控制，由高級管理員來實現用戶權限的建立及分配，如對應用系統的功能菜單、各個界面的控件等進行的控制。系統保留一個高級管理員，擁有系統的管理權限，系統使用時首先由高級管理員建立一個或多個組及用戶，然后對組和用戶分配相應的使用權限。權限管理程序主要包括以下4個功能：

（1）增加組、刪除組及編輯組：根據用戶分類添加、刪除或編輯組的信息。

（2）設定組權限：對選定的組進行權限設定，其中“√”表示允許權限，“×”表示禁止權限。

（3）增加、刪除、編輯操作員：設定該操作員隸屬的組及操作屬性。

（4）操作員初始密碼設置。

權限管理是一個單獨運行的可執行程序，且只能由高級操作員來操作。它具有功能劃分清晰、通用性強、使用安全方便等特點。

2.2? ? 數據上傳

數據上傳是一個安裝在功率試驗和海水泵、燃料泵試驗采集控制臺及其他用于上傳數據的計算機上的程序，實現原始數據的上傳和數據挖掘，保證數據維護的及時性。主要功能如下：

（1）將原始數據上傳到服務器指定位置;

（2）對實驗數據進行挖掘，完成數據庫數據的自動添加。

2.3? ? 試驗數據庫統計系統

2.3.1? ? 基礎信息

基礎信息是本系統的基本元素，是為權限管理、文件上傳等功能做準備的。這些信息包括操作人員信息、文件存放路徑、試驗臺類型、試驗類型代碼。

2.3.2? ? 試驗及配套信息

試驗及配套信息是系統結構設計和功能分析的基石，是系統功能體現的最基本保障。這些信息來自不同的地方，主要是在某產品試驗及配套時產生的，記錄了在不同試驗情況下采集、處理、分析等產生的產品數據信息，包括陸上臺架功率試驗采集文件和報告數據、海水泵和燃料泵性能試驗報告、湖海試驗數據及出廠配套參數等。本系統對這些信息設置了根據權限進行維護的功能，主要功能有：

（1）通過錄入、導入、上傳等方式將信息存入數據庫表中;

（2）可通過修改、刪除對信息進行維護;

（3）可設置條件對表中信息進行任意組合查詢;

（4）可將顯示的結果導出到Excel表中進行二次運用;

（5）可對功率試驗報告中的數值按查詢條件參數進行統計，計算出平均值、最大值、最小值、和、計數、方差值。

2.3.3? ? 試驗數據查看

試驗數據查看可對功率試驗數據、湖海試驗數據以曲線的方式進行回放、對比分析，分為單次試驗數據查看和多次不同試驗數據對比分析查看兩種，通過選定通道的數據以曲線圖形的形式展現。

湖、海試的實航數據與陸上功率數據的數據格式不同，通道配置不同，采樣頻率不同，本系統為使它們具有良好的一致性，以曲線的形式將它們各自在相同的界面上展現出來，但鑒于它們的種種不同，不同種類的試驗數據不能進行比較（例如：陸上臺架功率試驗與湖海試驗的數據不能在一起進行比較）。

試驗數據查看主要包括以下功能：

（1）可以對一個試驗，也可以對不同的試驗，以時間函數的曲線圖形形式同時再現10個以內選定通道的參數（包括數字參數和計算參數）;

（2）對打開或比較的通道參數可以選擇通道在設定時間段內，以給定的時間間隔輸出到Excel表格中;

（3）對以曲線圖形展現的參數可以.bmp、.jpg圖形文件的形式存放到指定的位置或嵌入到Word文件中，便于編輯;

（4）通過建立一個計算通道定義文件*.calc，對計算通道進行定義和編寫計算公式，完成對計算通道的編寫、設置、保存等工作，經編譯后生成相應的*.dll文件，數據查看時調用*.dll文件，即可得到計算參數;

（5）數據查看以3種方式輸出試驗數據：屏幕曲線顯示、Excel表格數據和.jpg格式的圖片文件，在不同的輸出方式中，可以選擇設置一個或多個（最多10個）通道、時間點、步距等參數進行輸出。

2.3.4? ? 查詢統計

查詢統計是將試驗信息經過整合、關聯后建立起一個綜合查詢方式，為實現方便快捷地查詢信息，本系統具備兩種查詢方式：綜合查詢和試驗查詢。

（1）綜合查詢。綜合查詢整合了與功率試驗密切相關的所有信息，其功能如下：

1）可以根據需要按試驗有效、無效，試驗編號，試驗日期，動力裝置編號等進行明確定位查看分析，也可以對列表中的各項如試驗類型、試驗結論、現象分類等進行分類過濾查詢和升降序排列查詢;

2）可對所選定的某次功率試驗顯示其試驗情況、產品準備情況、試驗臺情況、配套參數和報告結果參數、產品試后分解情況、故障分析處理情況、不合格品處置單號、超差使用申請單號等信息;

3）可直接關聯打開原始數據文件并直接進入相應的數據曲線查看分析模式;

4）可打開與之關聯的試驗報告文件和故障報告文件，進一步深入了解此次試驗結果報告的詳細內容或故障診斷報告中對此次試驗故障的分析內容;

5）可打開選定功率試驗所對應的海水泵、燃料泵性能試驗報告表。

（2）試驗查詢。試驗查詢是以出廠配套信息為主線，通過產品號、動力裝置號、海水泵、燃料泵的組件序號連接起各試驗數據。信息與其對應的各種試驗是一對多的關系，以產品號（或動力裝置號）牽頭將所有與之相應的功率試驗、湖海試驗和海水泵、燃料泵性能試驗查詢出來，不但通過產品號將各試驗之間建立了聯系，同時也為反向查找問題提供了便利。

2.3.5? ? 統計分析

數據分析是通過適當的統計方法對收集來的大量數據進行分析，將它們加工、匯總、理解和消化，以最大化地開發數據的功能，發揮數據的作用，并從中發現數據的內部關系和規律，為發現問題和解決問題提供參考依據。

本系統采用描述性統計方法、對比分析法、分組分析法、平均分析法等分析方法直觀、準確地反映數據之間的變化和差距，通過表格、圖形來展示數據分析結果。系統通過對故障現象等信息的模糊查詢，從歷史記錄的數據中檢索出相似故障的信息、發生的試驗平臺、相關的試驗數據等，為排故提供具有可靠性和相關性的信息參考。

（1）曲線分析：曲線分析主要是通過對不同功率試驗臺上產生的數據進行統計分析，建立預測模型，通過模型來分析某次或某段時間內試驗數據的變化范圍、離散程度和數據波動情況，并可用預測模型來對選定試驗數據進行擬合度和離散性的分析。

1）預測模型建立：通過對幾次功率試驗數據中某些測量通道的數據進行計算，擬合出最大值、最小值、平均值、方差值等數值，以曲線圖形的形式顯示出來，并可以新文件的形式保存在指定的位置，方便后期使用。

2）同測量通道數據分析：不同試驗數據的比較，可通過選擇試驗編號的方式快速將選定試驗臺上多次試驗的某測量通道數據保存在指定的文件中，同時可以曲線圖形的形式與預測模型一起顯示在同一界面中，方便查看和分析問題。

（2）趨勢分析：通過對試驗性能、試驗結果參數的圖形分析，可以分析出在一定時間內某些試驗各參數值的變化規律和變化趨勢。如按年、季度、月對功率試驗報告參數進行平均后，通過曲線圖形的形式分析其變化規律。

（3）占比分析：使用結構分析法對數據進行分析，基于指定的時間段內功率試驗數據結果做出試驗類型、試驗結論、試驗判定和試驗名稱的占比分析。

（4）對比分析：將兩個或兩個以上的數據進行比較，分析其中差異，從而揭示這些數據所代表的事物的變化情況和變化規律。通過對某次或某批功率試驗結果參數的對比分析，可以柱狀圖的形式非常準確地量化出其中的變化和差距。在本系統中可以選擇一對一、一對多或多對多的對比分析，從中發現不同次、不同批試驗數據之間的變化規律。

3? ? 結論

本系統以某產品試驗數據為基本點，通過對數據的收集和整理，建立了具有特定意義及代表性的信息平臺，并在減少數據冗余、保障信息安全的前提下將相關信息納入其中，為技術和管理人員提供了一個查詢、統計分析某產品數據信息的操作平臺，為快速定位問題、解決問題提供了可以借鑒的方法和途徑。

（1）本系統將有關某產品的試驗數據整合到一個平臺，為用戶提供了一個界面統一、操作靈活、功能強大的查詢、查看、分析平臺。

（2）為湖、海試驗數據提供了一個可回放查看、比較、分析的平臺。

（3）為某產品試驗數據（陸上功率試驗、湖海試驗、泵試驗）建立了聯系，可方便快捷地通過任意試驗查找到相應的試驗信息。

（4）本系統既可單機使用也可網絡使用，具有很強的適應性。不論安裝在何處，都可通過接收數據文件完成系統數據的傳輸。

（5）對試驗數據進行深度分析，通過統計分析從中發現問題、定位問題。

本系統可同時滿足研制、生產、使用以及保障等不同單位的使用需求，為某產品的試驗分析提供一個信息化的使用環境，幫助有關部門和技術人員及時掌握試驗信息，對產品試驗情況、裝配情況以及故障情況進行統計分析，快速高效地進行故障診斷及定位，實現信息共享，提高資源的利用率，降低故障排查成本，減少部隊對維修保障資源的需求，為公司科研、生產、管理信息的充分利用和深度挖掘探索了新思路，為決策分析提供了素材和依據。

收稿日期：2021-09-22

作者簡介：王亞勇（1994—），男，山西臨汾人，助理工程師，研究方向：質量監督。