龐晉山，賀石中，寧成云

（1.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司，廣州 510530；2.華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510641）

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)智能油液實(shí)驗(yàn)室的質(zhì)量控制

龐晉山1,2，賀石中1，寧成云2

（1.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司，廣州 510530；2.華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510641）

為實(shí)現(xiàn)對(duì)智能油液實(shí)驗(yàn)室異常值的自動(dòng)識(shí)辨、判定和處理，本研究立足于油液分析的特點(diǎn)以及故障診斷的目的，綜合應(yīng)用數(shù)據(jù)分類(lèi)、統(tǒng)計(jì)篩查、預(yù)設(shè)值判定等方法建立基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的檢測(cè)質(zhì)量控制方法。結(jié)果表明，采用Z值判定法可對(duì)同源數(shù)據(jù)的異常值進(jìn)行篩查和處理；采用相關(guān)性分析和趨勢(shì)分析設(shè)置閾值不僅可以識(shí)辨異常值，而且可以對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋和分析。本研究可以為智能實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)自動(dòng)判定和處理，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制的智能化提供思路和方法。

質(zhì)量控制；數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)；油液實(shí)驗(yàn)室

0 引言

智能油液實(shí)驗(yàn)室是指基于信息化系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)自動(dòng)處理系統(tǒng)，對(duì)來(lái)源于大型機(jī)械設(shè)備的油液進(jìn)行分析，不僅能快速獲得油液的各項(xiàng)性能指標(biāo)，而且能通過(guò)數(shù)據(jù)歸類(lèi)、統(tǒng)計(jì)分析、閾值判定以及趨勢(shì)分析較為準(zhǔn)確地對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估。與傳統(tǒng)油液檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室相比，智能實(shí)驗(yàn)室通過(guò)信息流程化和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集減少實(shí)驗(yàn)過(guò)程人員的投入和干預(yù)，并對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)辨和判定，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化分析，從而判定異常來(lái)源于實(shí)驗(yàn)過(guò)程還是設(shè)備狀態(tài)的真實(shí)反映，并基于預(yù)設(shè)數(shù)學(xué)模型或自身數(shù)據(jù)形成的驅(qū)動(dòng)性模型獲得設(shè)備狀態(tài)信息，并在擁有足夠信息的條件下，還可對(duì)設(shè)備運(yùn)行剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)和估計(jì)[1,2]。

在信息化和數(shù)字化基礎(chǔ)上的大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的蓬勃發(fā)展為油液監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、分析和判定創(chuàng)造了條件，但是有效數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)的識(shí)辨以及異常來(lái)源分析判定的自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)整個(gè)流程自動(dòng)化的核心環(huán)節(jié)，也是智能實(shí)驗(yàn)室有效運(yùn)作的基石。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制方法一般有標(biāo)物驗(yàn)證、留樣再測(cè)、比對(duì)實(shí)驗(yàn)以及相關(guān)性分析等[3～5]，如何將傳統(tǒng)質(zhì)控方法應(yīng)用于智能實(shí)驗(yàn)室或建立行之有效智能判定和質(zhì)控方法是本研究的重點(diǎn)。

1 智能油液實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)作模式

基于油液分析的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)，是通過(guò)油液分析獲得油品性能指標(biāo)的變化值，結(jié)合油液來(lái)源的各類(lèi)信息，例如設(shè)備的工況條件、維修狀況、換油周期、現(xiàn)場(chǎng)信息等綜合評(píng)估設(shè)備使用狀態(tài)，并根據(jù)其特定性能參數(shù)的變化規(guī)律和趨勢(shì)預(yù)測(cè)設(shè)備或某一特定關(guān)鍵部件的剩余有效壽命。所以油液監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室實(shí)際上是對(duì)特定油液及其相關(guān)信息進(jìn)行分析和處理，基于摩擦學(xué)、材料學(xué)等基本理論或已建立的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行判定和預(yù)測(cè)，最終獲得針對(duì)設(shè)備使用狀態(tài)的評(píng)估報(bào)告。智能油液實(shí)驗(yàn)室的工作流程如圖1所示。

智能油液實(shí)驗(yàn)室工作對(duì)象為來(lái)自于特定設(shè)備的油液樣品以及與設(shè)備相關(guān)聯(lián)的信息，對(duì)油液樣品的檢測(cè)過(guò)程實(shí)際上是通過(guò)油液特定參數(shù)的檢測(cè)分析提取油液和設(shè)備信息的過(guò)程，例如通過(guò)檢測(cè)磨損元素可以獲得設(shè)備特定摩擦副的磨損部位及磨損程度，酸值檢測(cè)可以獲得油液的老化程度并通過(guò)劣化機(jī)理及設(shè)備的換油周期估算推測(cè)其剩余壽命或重新制定更加科學(xué)的換油周期；與油液樣品相關(guān)聯(lián)的信息是設(shè)備狀態(tài)評(píng)估的必需輸入量，油液的任何性能變化取決于設(shè)備的使用工況、工作參數(shù)以及設(shè)備與油液的匹配性，而信息的處理與油液樣品的處理方式不同，需要具有較強(qiáng)專(zhuān)業(yè)知識(shí)和掌握特定信息的技術(shù)人員進(jìn)行處理和分析；診斷人員將來(lái)自樣品流的檢測(cè)數(shù)據(jù)與各類(lèi)處理后的信息進(jìn)行融合和分析判斷，對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)，并在一定數(shù)據(jù)信息積累的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值模型預(yù)測(cè)設(shè)備和油液的剩余壽命。對(duì)于基于互聯(lián)網(wǎng)信息互通的智能油液實(shí)驗(yàn)室，可以將樣品檢測(cè)理解為特定信息的提取過(guò)程，設(shè)備診斷過(guò)程即為信息輸入、信息處理和信息輸出的過(guò)程。

圖1 智能油液實(shí)驗(yàn)室工作流程

2 同源數(shù)據(jù)異常值的自動(dòng)識(shí)辨與判定

對(duì)來(lái)自相同工況，相同設(shè)備具有可比性的一組樣品進(jìn)行檢測(cè)分析，所獲得的數(shù)據(jù)視為同源數(shù)據(jù)。例如某風(fēng)場(chǎng)的相同供應(yīng)商制造的風(fēng)機(jī)齒輪箱采用相同牌號(hào)齒輪油的一組樣品，如果其運(yùn)行時(shí)間相同，那么其各性能參數(shù)的檢測(cè)結(jié)果具有可比性。如果某臺(tái)風(fēng)機(jī)的某個(gè)參數(shù)為特定統(tǒng)計(jì)方法下的離群值，那么該檢測(cè)結(jié)果為可疑異常值，需采用特定的篩選方法識(shí)別出來(lái)進(jìn)行異常值的確認(rèn)。通過(guò)確認(rèn)確定數(shù)據(jù)異常是檢測(cè)異常還是設(shè)備異常的合理反應(yīng)。由于數(shù)據(jù)具有可比性，可以對(duì)同組數(shù)據(jù)通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析自動(dòng)識(shí)辨異常值。本研究采用Z值判定法可以快速準(zhǔn)確識(shí)別異常值，其基本原理為：同源樣品的所有檢測(cè)項(xiàng)目構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣，每一個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)即為矩陣中的數(shù)據(jù)單元xi,j，i為樣品編號(hào)，j為檢測(cè)項(xiàng)目，對(duì)該矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，計(jì)算每一項(xiàng)目列的平均值，和標(biāo)準(zhǔn)偏差為樣品數(shù)。通過(guò)將原檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)矩陣轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)矩陣，如果標(biāo)準(zhǔn)矩陣中的x大于3，則對(duì)于的第i個(gè)樣品的j個(gè)項(xiàng)目為異常值。其工作原理如圖2所示。

圖2 同源數(shù)據(jù)的異常值判定流程

對(duì)于同源數(shù)據(jù)，由于其檢測(cè)條件相同，檢測(cè)引起的差錯(cuò)或誤差，一般為實(shí)驗(yàn)的偶然性引起的，所以通過(guò)重復(fù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)可以確認(rèn)。實(shí)驗(yàn)的偶然性一般為：樣品的代表性不夠，比如某在用油酸值異?？赡転槿硬课粵](méi)有足夠的代表性；樣品前處理錯(cuò)誤，例如樣品稱(chēng)取量或溶劑加入量發(fā)生偶然性錯(cuò)誤；檢測(cè)過(guò)程的偶然性錯(cuò)誤，例如ICP檢測(cè)過(guò)程中，蠕動(dòng)泵的偶然性或間歇性打滑造成實(shí)驗(yàn)誤差。重復(fù)實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，對(duì)兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，若實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，表明異常為設(shè)備狀態(tài)或潤(rùn)滑油性能的客觀(guān)反映，否則為實(shí)驗(yàn)誤差引起的異常。

3 參數(shù)相關(guān)條件下的異常值識(shí)別

由于油液在實(shí)際工況的使用的過(guò)程中，某個(gè)性能的變化會(huì)同時(shí)應(yīng)起若干個(gè)性能指標(biāo)的變化，表現(xiàn)出普遍的相關(guān)性。例如，潤(rùn)滑油在使用過(guò)程中隨著設(shè)備溫度的升高，酸值隨著油品的老化不斷升高，同時(shí)不溶物、清潔度、漆膜傾向、耐磨性能等指標(biāo)都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。由于油液的性能變化受諸多因素影響，相關(guān)函數(shù)或規(guī)律因油液本身性能、使用條件、外部環(huán)境等因素不同而不同。對(duì)于無(wú)法確切獲得相關(guān)機(jī)理的數(shù)據(jù)，可以通過(guò)灰色理論分析數(shù)據(jù)間的相關(guān)關(guān)系?，F(xiàn)有理論或經(jīng)驗(yàn)支持的相關(guān)關(guān)系，可通過(guò)特定的統(tǒng)計(jì)方法回歸獲得相關(guān)函數(shù)。如圖3所示，發(fā)動(dòng)機(jī)油在使用過(guò)程中，氧化值與酸值具有顯著的相關(guān)性。這表明，油液的氧化會(huì)顯著引起酸值的升高，當(dāng)氧化值與酸值不能呈現(xiàn)相關(guān)性時(shí)，即檢測(cè)點(diǎn)落在相關(guān)區(qū)域外時(shí)，需要重復(fù)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，如果檢測(cè)結(jié)果無(wú)誤，則表明該酸值的升高不是由于樣品氧化引起的，可能為外界污染或補(bǔ)充酸性添加劑引起的。通過(guò)相關(guān)性分析不僅能確定需要檢測(cè)確認(rèn)的數(shù)據(jù)，而且能快速分析某一指標(biāo)異常的原因，進(jìn)行有效的故障診斷。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)油氧化值和酸值的相關(guān)性

對(duì)于一組近似同源數(shù)據(jù)，例如同一風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)機(jī)齒輪箱，采用相同的齒輪油，但投用時(shí)間不同，所以其黏度和酸值一般隨投用時(shí)間的延長(zhǎng)而逐步升高，黏度和酸

【】【】值體現(xiàn)出灰色相關(guān)性。當(dāng)某一油樣的酸值與黏度沒(méi)有體現(xiàn)出這種規(guī)律性時(shí)，例如酸值較高，則需要進(jìn)行數(shù)據(jù)確認(rèn)，排除實(shí)驗(yàn)差錯(cuò)或粗大誤差造成的偏離，如果數(shù)據(jù)確認(rèn)無(wú)誤，則油樣可能被其他酸性物質(zhì)污染或由于添加酸性添加劑造成樣品數(shù)值偏離。

4 偏離趨勢(shì)條件下的異常值判定

單臺(tái)設(shè)備所用的特定油液，隨著設(shè)備或油液工作時(shí)間的延長(zhǎng)，特定參數(shù)的檢測(cè)值會(huì)呈現(xiàn)出特有的規(guī)律性。例如磨損元素鐵，隨著設(shè)備使用時(shí)間的延長(zhǎng)，磨損量不斷增加，在檢測(cè)角度表現(xiàn)為油液中光譜元素鐵持續(xù)升高，可以根據(jù)其升高的規(guī)律建立鐵含量與時(shí)間的函數(shù)，并進(jìn)行檢測(cè)值預(yù)測(cè)，當(dāng)檢測(cè)值偏離預(yù)測(cè)范圍時(shí)，該檢測(cè)值需要進(jìn)行確認(rèn)。

圖4 酸值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)

如圖4所示，某風(fēng)電場(chǎng)減速機(jī)齒輪箱采用MOBIL SHC XMP320，其酸值從新油的0.62mgKOH/g逐步升高，可以計(jì)算其在不同時(shí)間點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ，以3σ為控制線(xiàn)，超過(guò)控制線(xiàn)為異常值，需要數(shù)據(jù)復(fù)查或確認(rèn)，經(jīng)確認(rèn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)誤，則表明該齒輪油發(fā)生異常性老化，如風(fēng)機(jī)齒輪箱溫度異常升高，或油液受到外界酸性物質(zhì)污染，繼續(xù)使用會(huì)對(duì)設(shè)備造成腐蝕或腐蝕磨損，須進(jìn)行換油處理。

5 結(jié)束語(yǔ)

異常數(shù)據(jù)的自動(dòng)識(shí)辨、判定以及處理是智能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)質(zhì)量控制以及實(shí)現(xiàn)智能檢測(cè)的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)質(zhì)量控制方法，如標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)驗(yàn)證、留樣再測(cè)等很難發(fā)現(xiàn)同組數(shù)據(jù)中的異常值，所以智能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室需在檢測(cè)流程基于數(shù)據(jù)和信息建立適合檢測(cè)需求的質(zhì)控方法。對(duì)于油液檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，基于標(biāo)準(zhǔn)偏差的Z值判定法可對(duì)同源數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值識(shí)辨和判定；通過(guò)相關(guān)性分析可以確定相關(guān)參數(shù)的異常性能；趨勢(shì)分析可以識(shí)辨隨時(shí)間序列的異常值。這些方法不僅能快速、自動(dòng)識(shí)辨和判定異常值，而且可以為基于油液分析的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供有效的分析判據(jù)。

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Quality control based on data driven of intelligent oil testing laboratory

PANG Jin-shan1,2, HE Shi-zhong1, NING Cheng-yun2

TH117

：A

：1009-0134(2017)05-0052-03

2017-01-21

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2016B020245001）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAA06B02）；廣州市珠江新星項(xiàng)目（201506010043）

龐晉山（1974 -），男，高級(jí)工程師，博士后，研究方向?yàn)闉橛鸵悍治雠c監(jiān)測(cè)。