DE60313698T2

DE60313698T2 - System zur Überwachung des Zustandes eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE60313698T2
Application number: DE60313698T
Authority: DE
Inventors: Angela Richland Trego; Roy Seattle Ikegami; Eric D. Normandy Park Haugse
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2002-04-04
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2023-03-25
Also published as: EP1353252A3; US6691007B2; CA2422611C; EP1353252B1; US20030191564A1; BR0301659A; EP1353252A2; CA2422611A1; DE60313698D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein Fahrzeugwartungssysteme und spezieller die Beschaffung von Daten bezüglich eines Fahrzeugzustandes.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Gesamtlebenszykluskosten für Fahrzeuge beinhalten die Kosten für den Betrieb und die Wartung der Fahrzeuge. In vielen Fällen müssen Fahrzeuge inspiziert werden, bevor Wartung an den Fahrzeugen durchgeführt werden kann.
Ein beträchtlicher Anteil der Kosten für die Inspektion von Fahrzeugen, wie z. B. Flugzeugen, auf Korrosion, Stress oder andere Beschädigungen, ist verbunden mit dem Zugang zu versteckten Teilen der Fahrzeugstruktur. Beispielsweise für ein kommerzielles Transportflugzeug vom Typ 747-400 müssen mehr als 36 000 Arbeitsstunden aufgebracht werden, um das Flugzeug wegen Ermüdungsbrüchen und Korrosion zu inspizieren. Davon müssen 25 000 Stunden für die Inspektion auf Korrosion aufgebracht werden. Über 21 000 Stunden oder 84 % dieser Stunden müssen aufgebracht werden, um Zugang zu den zu inspizierenden Bereichen zu erhalten, und nur 16 % oder 4 000 Stunden werden aufgebracht, um die aktuelle Inspektion durchzuführen. Zusätzlich sind weitere Kosten verbunden mit einer etwaigen Beschädigung, die der Struktur selbstverschuldet zugefügt werden kann, während Zugang zu den verdeckten Bereichen genommen wird.
Die US-Patentanmeldung US-A-5210704 offenbart ein System für eine Fehlerprognose und -diagnose und für eine Verschleißüberwachung und für die Vorhersage von Lebenserwartung von Helikoptergetrieben und anderem rotierendem Gerät. Der Verschleißmonitor für die Fehlerprognose ist ein Prognosetool zur Vorhersage von beginnenden Fehlern in rotierendem mechanischem Gerät und stellt mit Informationen, die für die Planung von präventiven Wartungsstrategien wesentlich sind, ein Wartungsmanagement für eine Anlage oder ein Verfahren zur Verfügung.
Die US-Patentanmeldung US-A-5306414 offenbart eine elektrochemische Korrosionssensoranordnung, die in-situ Korrosions-/Umweltüberwachung zur Verfügung stellt und die geeignet ist, in eine zu überwachende Struktur eingebettet oder auf diese aufgebracht zu werden, wobei sie eine Sensormatrix umfasst, einschließlich einer Vielzahl von individuellen Sensoren, wobei bestimmte aus der genannten Vielzahl von individuellen Sensoren für chemische Ionen und Umweltfaktoren empfindlich, und bestimmte der genannten Vielzahl von individuellen Sensoren aus einem Material konstruiert sind, welches dasselbe ist wie das Metall- oder Metalllegierungsstrukturmaterial, das überwacht werden muss, so dass sein Korrosionspotential/seine Korrosionsrate gemessen werden kann.
Das US-Patent US-A-5195046 offenbart ein System zum Überwachen einer Struktur und zum Erkennen von Störungen und Fehlern, die mit solch einer Struktur verbunden sind. Das System umfasst eine Aktuatorvorrichtung zur mechanischen Erregung der Struktur, eine Sensorvorrichtung zum Übertragen von Vibrationen, die von der Struktur erfahren wurden, und eine digitale Signalverarbeitungsvorrichtung zum Verarbeiten von Signalen, die von der Sensorvorrichtung ausgegeben werden. Die Antwort der Struktur auf die mechanische Erregung wird analysiert und eine Basislinie oder Normalantwort bestimmt. Vibrationen der Struktur werden dann analysiert und mit der Normalantwort der Struktur verglichen und die Natur der Störungen identifiziert.
Die US-Patentanmeldung US-B-6192759 offenbart einen akustischen Rotormonitor, der ein autonomes selbst versorgtes Messinstrument ist, welches eingebettete und versteckte Ermüdungsbrüche in nicht zugänglichen, entfernten Vorrichtungen wie z. B. Helikopterrotorsystemkomponenten entdecken kann, und ein Verfahren zum Bestimmen des Wachsens eines Ermüdungsbruchs in einem entfernten rotierenden Metallstrukturelement.
Die US-Patentanmeldung US-A-5182449 offenbart ein System und ein Verfahren zur strukturellen Überwachung unter Verwendung der optischen Bildgebung von Fasersensoren, wobei das Sensorsystem wenigstens eine Laserdiode oder eine LED-Lichtquelle umfasst, die mit einem Bündel von optischen Fasern gekoppelt ist, mit denen optische Sensoren verbunden sind, die in die Struktur integriert sind.
US-B-6219597 bezieht sich auf eine Verarbeitungsvorrichtung zur Unterstützung der Wartung eines komplexen Systems, speziell eines Flugzeugs. Gemäß der US-B-6219597 umfasst die Wartungsvorrichtung Einheiten zum Bestimmen und zum iterativen Aufnehmen von Überwachungsdaten während des Betriebs des komplexen Systems, die repräsentativ für den aktuellen Betrieb von wenigstens einem Element des komplexen Systems sind, eine Einheit zum Bestimmen wenigstens eines Schadensniveaus dieses Elements auf der Basis der aufgenommenen Überwachungsdaten und mit der Hilfe von Degradationsmodellen, und eine Einheit zum Bestimmen wenigstens von Wartungsfristen für das genannte Element auf der Basis dieses Schadensniveaus und eine Einheit zum Signalisieren dieser Wartungsfristen an einen Operator des genannten komplexen Systems.
Es besteht ein Bedarf zum Entwickeln eines Systems und Verfahrens zum Reduzieren der Zeit zum Beenden von Fahrzeuginspektionen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt ein System und ein Verfahren zum Reduzieren der strukturellen Zustandswartungskosten durch Überwachen eines Fahrzeugzustands in Echtzeit zur Verfügung.
Die vorliegende Erfindung ist ein System und ein Verfahren zum Überwachen der Zustände eines Fahrzeugs gemäß der Ansprüche 6 bzw. 1.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die bevorzugten und alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend im Detail unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben.
1 illustriert Komponenten der vorliegenden Erfindung, implementiert in ein Flugzeug;
2 illustriert die Komponenten der Datensammeleinheit, implementiert in ein Fahrzeug; und
3 und 4 sind Flussdiagramme, die beispielhafte Datensammelvorgänge illustrieren, die durch die in den 1 und 2 dargestellten Komponenten durchgeführt werden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein System und ein Verfahren zum Sammeln von Fahrzeugzustandsinformation in einer nicht-intrusiven Art für eine Schadens- und Benutzungsanalyse zur Verfügung. Wie in 1 gezeigt, ist ein Zustandsdatensammelsystem 20 in einem Fahrzeug 21 untergebracht und umfasst ein oder mehrere Sensoren 22, die elektrisch oder optisch mit der Datensammeleinheit 26 verbunden sind. Die Sensoren 22 erzeugen elektrische oder optische Signale, die einen Zustand wiedergeben, für dessen Erfassung die Sensoren 22 bestimmt sind. Die Datensammeleinheit 26 sammelt die elektrischen oder optischen Signale von den Sensoren 22 und verarbeitet die empfangenen elektrischen oder optischen Signale für eine Analyse durch ein Strukturzustandsmanagementsystem 30, welches sich außerhalb des Fahrzeugs befindet. Die Datensammeleinheit 26 kann eine diagnostische oder prognostische Vorverarbeitung der empfangenen Signale, basierend auf dem Typ des empfangenen Signals, und einen vordefinierten Test, der mit den empfangenen Signalen durchgeführt werden soll, durchführen. Es sei darauf hingewiesen, dass das Strukturzustandsmanagementsystem 30 ein System ist, welches derzeit in einigen Programmen für kontinuierliche Fahrzeugwartung benutzt wird, wie das, welches in der Flugzeugindustrie benutzt wird. Die vorliegende Erfindung stellt eine elektrische oder drahtlose Verbindung zwischen der Datensammeleinheit 26 und dem Strukturzustandsmanagementsystem 30 zur Verfügung, um die Übertragung der aufgenommenen elektrischen oder optischen Signale von der Datensammeleinheit 26 zu dem Strukturzustandsmanagementsystem 30 zu ermöglichen. Es sei darauf hingewiesen, dass das Fahrzeug ein Flugzeug, ein Raumflugkörper, eine Rakete, ein Schiff oder ein Unterseeboot oder ein Landfahrzeug sein kann.
Eine Anzahl von digitale Signale verarbeitenden Algorithmen können in die Datensammeleinheit 26 kodiert werden, um Funktionen wie Filterung und Datenkompression, Fourier-Transformation, Spektralleistungsdichteberechnungen mit dynamischen Daten und Diagnose der überwachten Strukturkomponenten wie z. B. Ermüdungslebensdauer und Benutzung, Überlastungszustände und Umwelteinflüsse usw. durchzuführen. Das Strukturzustandsmanagementsystem 30 ist ein Computersystem wie ein Laptop oder PC, welches die Sensordaten und den kodierten Verarbeitungsalgorithmus beinhaltet und zusätzliche diagnostische Beurteilungen des Strukturzustandes (Gesundheit) durchführt. Das Strukturzustandsmanagementsystem 30 umfasst prognostische Algorithmen, die den aktuellen Zustand (Gesundheit) des Fahrzeugs 21 beurteilen, um auf der Grundlage von angenommener Belastung, Benutzung, Szenario oder Umwelteinflüssen den Zustand in der Zukunft vorherzusagen. Die prognostischen Algorithmen können Bruchwachstum oder Belastungslebensmodelle, Vorhersagemodelle für Korrosionsschäden oder andere ergänzende Beanspruchungs- und Lebensdauervorhersagemodelle umfassen. Das Strukturzustandsmanagementsystem 30 speichert dann die Daten in einem Format, welches von dem Fahrzeugwartungspersonal spezifiziert wurde, zum Zweck der Planung von zukünftigen Wartungsaktionen.
Einige der Sensoren 22 sind im Fahrzeug in verdeckten Bereichen untergebracht, die für eine vollständige Zustandsinspektion eine physikalische Demontage des Fahrzeugs bei Verwendung von bekannten Inspektionsverfahren verlangen würden. (Dies bezieht sich auf frühere Inspektionsverfahren.) Die Sensoren 22 sind geeignete standardmäßige, mikroelektromechanische Vorrichtungen (MEMS) oder extrinsische interferometrische Fabry-Perot-Sensoren (EFPI), langperiodische Gittersensoren (LPG) und faseroptische Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Sensoren. Die Sensoren 22 umfassen geeignete Korrosions-, Feuchtigkeits-, pH-, Natriumionen (Cl-)-, Metallionen-, Temperatur-, Beschleunigungs-, Stress-, Zug-, Druck-, Belastungs- und Kraftsensoren. Faseroptische Sensoren sind relativ tolerant oder immun gegenüber Effekten von hohen Temperaturen, hoher elektromagnetischer Störung (EMI) und hoch korrosiven Umweltbedingungen. In einem nicht beschränkenden Beispiel ist der Sensor ein faseroptischer LPG-Feuchtigkeitssensor, der in Gebieten eines Fahrzeugs untergebracht ist, wo Wasser sich sammeln oder Probleme verursachen kann, beispielsweise in den Unterböden von Waschräumen und Küchen, der Innenisolation um Türen und in Bilge-Bereichen.
2 zeigt, dass die Datensammeleinheit 26 einen Analog-Digital-Konverter (A/D) 40, einen Signalprozessor 44 und einen Speicher 46 umfasst. Der A/D-Konverter 40 empfängt die Signale von den Sensoren 22, konvertiert die empfangenen Signale in ein Digitalsignalformat und sendet die digitalen Signale an den Signalprozessor 44. Der Signalprozessor 44 verarbeitet die von den Sensoren 22 empfangenen Signale, um digitale Daten zu erzeugen, und speichert die digitalen Daten in dem Speicher 46. Nachdem das Strukturzustandsmanagementsystem 30 mit der Datensammeleinheit 26 verbunden wurde, holt der Signalprozessor 44 die gespeicherten digitalen Daten aus dem Speicher 46, basierend auf Anforderungen des Strukturzustandsmanagementsystems 30. In einem nicht beschränkenden Beispiel ermöglicht ein serielles RS-232-Portinterface eine Verbindung mit verschiedenen Computer- oder Daten herunterladenden Serialportvorrichtungen, wie z. B. einem personellen Datenassistenten (PDA), einen Laptop oder einer direkten oder drahtlosen Verbindung mit dem Strukturzustandsmanagementsystem 30. Es sei darauf hingewiesen, dass andere Interfacevorrichtungen benutzt werden können, um es der Datensammeleinheit 26 zu ermöglichen, Daten an externe Vorrichtungen zu übertragen.
In einer nicht beschränkenden Ausführungsform ist die Datensammeleinheit 26 durch eine Batterie gespeist, die nicht mit anderen Komponenten des Fahrzeugs verbunden ist. Die Datensammeleinheit 26 mit einer Batterie wird ein Stand-Alone-System, welches nicht auf die Funktionalität von irgend einem anderen Fahrzeugsystem angewiesen ist.
3 zeigt einen beispielhaften Prozess 55, der durch das Zustandsdatensammelsystem 20 und das Strukturzustandsmanagementsystem 30 durchgeführt wird. Als erstes beim Block 60 empfängt die Datensammeleinheit 26 Signale von den Sensoren 22. Ein beispielhafter Samplingprozess für den Empfang von Signalen wird nachfolgend in 4 detaillierter beschrieben. Danach bei Block 62 digitalisiert die Datensammeleinheit 26 die von den Sensoren 22 empfangenen Signale. Bei Block 63 führt die Datensammeleinheit 26 eine anfängliche Verarbeitung der digitalisierten Signale durch, basierend auf diagnostischen oder prognostischen Algorithmen, die durch die Einheit 26 ausgeführt werden. Der Typ von diagnostischem Algorithmus beruht auf dem Typ des Sensors, der das Signal sendet. Bei Block 64 speichert die Datensammeleinheit 26 die digitalisierten und verarbeiteten Signale für eine spätere Verwendung. Dann bei Block 66 werden die gespeicherten digitalisierten und verarbeiteten Signale auf das Strukturzustandsmanagementsystem 30 heruntergeladen. Das Herunterladen der gespeicherten digitalisierten und verarbeiteten Signale wird vorzugsweise in einer geplanten Wartungsperiode durchgeführt. Endlich bei Block 68 verarbeitet und analysiert das Strukturzustandsmanagementsystem 30 die heruntergeladenen digitalisierten und verarbeiteten Signale entsprechend zugeordneter diagnostischer oder prognostischer Anwendungsprogramme, die durch das Strukturzustandsmanagementsystem 30 ausgeführt werden.
Resultate der diagnostischen oder prognostischen Anwendungsprogramme produzieren einen Zustandswartungsplan für das Fahrzeug 21. Die diagnostischen Anwendungsprogramme bestimmen den Fahrzeugzustand durch Analyse der Sensorsignale. Die prognostischen Anwendungsprogramme sagen einen zukünftigen Fahrzeugzustand voraus, indem sie die Sensorsignale analysieren, basierend auf einem angenommenen Benutzungsszenario. In einem nicht beschränkenden Beispiel zeigt das analysierte Signal eines ersten Korrosionssensors einen nicht-korrosiven Zustand an einem Abschnitt des Fahrzeugs in der Nähe des ersten Korrosionssensors an. Dann wird in den Strukturzustandswartungsplan eine Nicht-Wartung des Fahrzeugabschnitts in der Umgebung des ersten Korrosionssensors eingestellt. Jedoch zeigt das analysierte Signal von einem zweiten Korrosionssensor einen Korrosionszustand an, der in einem Teil des Fahrzeugs in der Umgebung des zweiten Korrosionssensors existiert. Im Hinblick auf den Abschnitt des Fahrzeugs in der Umgebung des zweiten Korrosionssensors schließt der Strukturzustandswartungsplan für den betroffenen Abschnitt des Fahrzeugs eine erforderliche Inspektion und/oder Wartung ein.
4 zeigt einen beispielhaften Sensorsignalaufnahmeprozess 75. Zuerst bei Block 80 werden die Signale von dem Sensor mit einer ersten Abtastrate empfangen. Dann bei Entscheidungsblock 81 wird der Prozess fortgesetzt, vorausgesetzt ein Abtastschwellwert wurde nicht erreicht. Der Schwellwert beispielsweise könnte ein vorgeplanter Wartungsabbruch sein. Bei Entscheidungsblock 82 bestimmt der Signalprozessor 44, ob die empfangenen Signale die Notwendigkeit für eine höhere Abtastrate anzeigen. Ein nicht beschränkendes Beispiel einer Anzeige für die Notwendigkeit für eine höhere Abtastrate ist, wenn der Sensor ein Temperatursensor ist und das empfangene Temperatursignal sich von einem zuvor empfangenen Temperatursignal durch mehr als einen Schwellwertbetrag unterscheidet. Die Analyse, die beim Entscheidungsblock 82 durchgeführt wird, wird durch ein Abtastsignalanalyseanwendungsprogramm durchgeführt, welches von dem Signalprozessor 44 ausgeführt wird. Wenn beim Entscheidungsblock 82 keine Anzeige einer Notwendigkeit für eine höhere Abtastrate besteht, setzt der Prozess das Abtasten mit der ersten Abtastrate fort. Wenn jedoch im Entscheidungsblock 82 eine Anzeige für eine Notwendigkeit für eine höhere Abtastrate existiert, werden die Sensorsignale mit einer zweiten Abtastrate abgetastet, die höher ist als die erste Abtastrate, siehe Block 84. Es sei darauf hingewiesen, dass zusätzliche Abtastraten angewendet werden können, basierend auf den Bedürfnissen der Datensammeleinheit 26 nach verschiedenen Abtastraten.

Claims

Verfahren zum Überwachen des Zustandes einer Struktur eines Fahrzeugs (21), umfassend: Erzeugen von Signalen entsprechend eines Strukturzustandes des Fahrzeugs (21), an einem oder mehreren Zustandssensoren (22), die im Fahrzeug (21) positioniert sind; und Speichern der erzeugten Sensorssignale in einer Datensammeleinheit (26) im Fahrzeug 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherschritt ferner folgende Schritte umfasst: Bestimmen, ob die erzeugten Sensorssignale mit einer ersten Abtastrate zu speichern sind; Speichern der erzeugten Sensorsignale mit einer ersten Abtastrate, wenn festgestellt worden ist, dass die erzeugten Sensorsignale mit der ersten Abtastrate gespeichert werden sollen; und Speichern der erzeugten Sensorssignale mit einer zweiten Abtastrate, die sich von der ersten Abtastrate unterscheidet, wenn festgestellt worden ist, dass die erzeugten Sensorsignale nicht mit der ersten Abtastrate gespeichert werden sollen.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend die Vorverarbeitung der erzeugten Signale, basierend auf wenigstens einem Diagnose- oder Vordiagnosealgorithmus.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend Übermittlung der gespeicherten Sensorsignale von der Datensammeleinheit (26) zu einem Managementsystem (30) für Strukturzustände.
Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend: Verarbeiten der übertragenen Sensorsignale in dem Managementsystem (30) für Strukturzustände, basierend auf einem oder mehreren zugeordneten vordefinierten Zustandsbewertungsalgorithmen; und Erzeugen eines Wartungsplans basierend auf den verarbeiteten Sensorsignalen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der wenigstens eine Sensor (22) wenigstens einen Korrosions-, Feuchtigkeits-, pH-, Chloridionen-, Metallionen-, Temperatur-, Beschleunigungs-, Stress-, Belastungs-, Druck-, Last- oder Kraft-Sensor einschließt.
System (20) zum Überwachen des Zustands einer Struktur eines Fahrzeugs (21), umfassend: ein oder mehrere Sensoren (22) zum Erzeugen von Signalen entsprechend des Strukturzustands des Fahrzeugs (21) von einem Ort in dem Fahrzeug (21); und eine Datensammeleinheit (26) zum Speichern der erzeugten Sensorsignale, dadurch gekennzeichnet, dass die Datensammeleinheit (30) umfasst: Mittel zum Bestimmen, ob die erzeugten Sensorsignale mit einer ersten Abtastrate gespeichert werden sollen, Mittel zum Speichern der erzeugten Sensorsignale mit einer ersten Abtastrate, wenn festgestellt worden ist, dass die gespeicherten Sensorsignale mit der ersten Abtastrate gespeichert werden sollen, und Mittel zum Speichern der erzeugten Sensorsignale mit einer zweiten Abtastrate, die sich von der ersten Abtastrate unterscheidet, wenn festgestellt worden ist, dass die gespeicherten Sensorsignale nicht mit der ersten Abtastrate gespeichert werden sollen.
System nach Anspruch 6, wobei die Datensammeleinheit (26) eine Vorverarbeitung der erzeugten Signale durchführt, basierend auf wenigstens einem Diagnose- oder Vordiagnosealgorithmus.
System nach Anspruch 6, ferner umfassend ein Managementsystem (30) für Strukturzustände zum Empfangen der gespeicherten Sensorsignale aus der Datensammeleinheit (26), wobei das Managementsystem (30) für Strukturzustände sich außerhalb des Fahrzeugs (21) befindet.
System nach Anspruch 8, wobei das Managementsystem (30) für Strukturzustände die empfangenen Sensorsignale verarbeitet, basierend auf einem oder mehreren zugeordneten vordefinierten Bewertungsalgorithmen, und einen Wartungsplan erzeugt, basierend auf den verarbeiteten Sensorsignalen.
System nach Anspruch 6, wobei der wenigstens eine Sensor (22) wenigstens einen Korrosions-, Feuchtigkeits-, pH-, Chloridionen-, Metallionen-, Temperatur-, Beschleunigungs-, Stress-, Belastungs-, Druck-, Last- oder Kraft-Sensor einschließt.
System nach Anspruch 6, wobei das System (20) eine eigene Stromversorgung beinhaltet.
System nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei ein oder mehrere Sensoren (22) Faseroptiksensoren sind.
Fahrzeug, umfassend das System nach einem der Ansprüche 6 bis 11.