JP2016511450A - 予測および健全性管理のための制限に基づく閾値推定 - Google Patents

Abstract

実施例によれば、装置の作動を監視する方法は、装置の作動状態を示す複数の作動パラメータを決定することを含む。各作動パラメータと、そのパラメータに対する対応する制限との間の差を決定する。各制限は、装置の望ましくない作動状態に対応する、対応する作動パラメータの値を示す。決定された差のうちの少なくとも最小の差に基づいて活動指標を決定する。活動指標が装置の所望の作動に対応する範囲内にあるかを決定する。

Description

本発明は、装置の作動を監視する方法および装置の作動を監視するシステムに関する。

現在ではさまざまな複合装置が広く使用されている。これらの装置の多くは、装置が適切に機能しているか、あるいは装置の作動に問題があり得るか、を示すさまざまな作動パラメータを有する。例えば、燃料電池システムは、特定の性能変数について閾値制限を規定する。例えば、許容可能な作動状態の間、燃料電池システムのさまざまな部分について温度制限がある。燃料電池システムの多くでは出力電圧または電流に対しても制限がある。

装置が期待されるまたは所望の作動状態から逸脱する状態下で作動している時を検出する、予測および健全性管理（ｐｒｏｇｎｏｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｈｅａｌｔｈ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ）（ＰＨＭ）および主成分分析（ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ）（ＰＣＡ）に、かなりの研究が費やされてきた。そのような取り組みの限界の１つは、分析を作動パラメータに対する閾値制限に基づかせずに、装置の通常のまたは基準の作動に関して分析を行うことである。

実施例によれば、装置の作動を監視する方法は、装置の作動状態を示す複数の作動パラメータを決定することを含む。各作動パラメータと、そのパラメータに対する対応する制限との間の差を決定する。各制限は、装置の望ましくない作動状態に対応する、対応する作動パラメータの値を示す。決定された差のうちの少なくとも最小の差に基づいて活動指標を決定する。活動指標が装置の所望の作動に対応する範囲内にあるかを決定する。

実施例によれば、装置の作動を監視するシステムは、装置の作動状態を示す作動パラメータの各示度を提供する複数の検出器を備える。システムは、各作動パラメータと、そのパラメータに対する対応する制限との間の差を決定するように構成されたプロセッサを備える。各制限は、装置の望ましくない作動状態に対応する、対応する作動パラメータの値を示す。プロセッサは、決定された差のうちの少なくとも最小の差に基づいて活動指標を決定するように構成される。プロセッサは、活動指標が装置の所望の作動に対応する範囲内にあるかを決定するように構成される。

開示の例示的な実施例のさまざまな特徴および利点は、以下の詳細な説明から当業者には明らかとなるであろう。詳細な説明に付随する図面は、以下のように簡単に説明できる。

実施例の装置の作動を監視するシステムを概略的に示す図。 実施例の方法の概要を示す流れ図。 活動指標と、この活動指標に関連する停止制限との関係をグラフとして示す図。

図１は、装置３０の作動を監視するシステム２０を概略的に示す。この説明の開示のシステムおよび方法は、特定の装置３０に必ずしも限定されない。図示の実施例では、装置３０は、燃料電池電力設備から成る。実施例の燃料電池電力設備の選択された部分を説明の目的で示す。セルスタックアッセンブリ（ｃｅｌｌ ｓｔａｃｋ ａｓｓｅｍｂｌｙ）（ＣＳＡ）３２が、既知の仕方で電力を生成する複数の燃料電池を含む。燃料の供給源３４が、ＣＳＡ３２に供給する。冷却材アッセンブリ３６が既知の仕方でＣＳＡの温度を制御するように選択的に冷却材を供給する。

装置３０の作動を監視するステム２０は、装置３０の作動状態に関する示度を提供する複数の作動パラメータを検出するように配置された複数のセンサまたは検出器を備える。例示の実施例では、温度センサ４０が、ＣＳＡ３２からの排気の温度の示度を提供する。別の検出器４２は、ＣＳＡ３２内の電圧または温度の示度を提供する。別の検出器４４は、燃料供給システム３４によってＣＳＡ３２に供給される燃料の含有量または量に関する示度を提供する。別の検出器４６は、冷却材の温度または冷却材の中の特定の成分の濃度に関する情報などの、冷却材システム３６に関する情報を提供する。別の検出器４８は、ＣＳＡ３２から排出される冷却材の温度の示度を提供する。

この説明が与えられるならば、関心のある特定の装置を扱っている当業者は、その当業者の扱っている装置の作動状態を監視するのに必要な作動パラメータ情報を提供するように一組の検出器を配置することができるであろう。図示の検出器は、説明の目的で提供される。開示の例示的な実施例は、特定の装置または特定の検出器配置に必ずしも限定されない。

プロセッサ５０は、装置３０の作動状態を監視するように検出器４０〜４８から情報を収集する。プロセッサ５０によってなされた決定に基づいて、ユーザーインターフェース５２を通してユーザーに出力が提供される。出力は、可視または可聴の警告、または装置３０の作動を調節しまたは停止させる理由が存在するという何らかの表示とすることができる。特定の装置および監視されている状態に依存して、ユーザーインターフェース５２によって提供される出力は、特定の状況の必要を満たすように必要に合わせて変更することができる。

図２は、図１の装置３０の作動状態を監視する実施例の方法の概要を示す流れ図６０を含む。６２において、複数の作動パラメータを決定する。これは、検出器４０〜４８から情報を集め、検出器の情報を使用可能な形態にするようにそれらをプロセッサ５０内で処理することで行う。６４において、各作動パラメータと対応する制限との間の距離に関する決定を行う。一実施例では、距離は、対応する検出器によって示される作動パラメータ値と、その特定のパラメータについて決定される制限との間のユークリッド距離として決定される。実施例の装置３０として燃料電池の場合、装置３０内のさまざまな構成要素の温度に対して制限がある。温度に対する許容可能な制限は、装置３０の適切な作動を確保するように、かつ装置について所望の寿命を達成するのを促進するように、許容可能な作動パラメータに関する既知の情報に基づいて決定する。特定の装置３０が与えられるならば、問題となっている作動パラメータに対する特定の制限は、既知であるか、または特定の状況の必要を満たすように決定できる。

開示の実施例が先のＰＨＭ技術からはずれる仕方の１つは、観測された作動パラメータがそのパラメータについての基準または期待される値からどれくらい異なるかを決定する代わりに、作動パラメータと、そのパラメータに対する制限との間の差または距離を決定することである。開示の実施例では、作動パラメータとそれらの対応する制限との間の距離または差を考慮することで、装置３０の作動を停止する要望または必要をもたらし得る状態の早めの警告を得ることができる。早めの警告を得ることで、例えば装置３０を停止する必要がある前に、装置３０の状態に対処する際により事前に対応することができる。開示の実施例の方法を行う別の特徴は、それによって、作動パラメータに対して制限を課する閾値を設定するのがよりゆるやかにできることである。特定のパラメータに対する制限を満たす場合に装置が停止されるであろう状況では、これらの制限は、装置の破局的な故障を回避するために、厳密に設定する必要がある。開示の実施例の方法を行い、作動パラメータに対する制限に作動パラメータが近づいているという早めの警告を得ることで、その点に対する絶対的な閾値を満たす前に装置の作動状態に対処できるようになるので、閾値を設定する際により大きな余裕が得られる。

各作動パラメータとその対応する制限との間の距離を決定すると、プロセッサ５０は、これらの距離のうちのどれが最小であるかを決定する。すなわち、プロセッサ５０は、作動パラメータのうちのどれがそのパラメータに対する制限に最も近いかを特定する。

６６において、決定された距離のうちの少なくとも最小の距離に基づいて活動指標を決定する。一実施例では、活動指標は、停止指標を含む。故障を回避するために装置を停止する目的で装置の作動を監視する状況では、活動指標は、装置を停止するための活動を行うことに関する情報を提供する。他の多くの指標の中で、冷却材交換指標、充電指標、燃料調節指標、などの可能なその他の活動指標がある。停止指標は、説明の目的で実施例のために使用される。

一実施例では、活動指標は、修正観測値に基づいて決定される。観測された作動パラメータ値を、その値と対応する制限との間の重み付けされたユークリッド距離と組み合わせることで、それぞれの観測された作動パラメータを修正する。すなわち、各作動パラメータについてのユークリッド距離に重みを掛け、次いで、観測されたパラメータ値と組み合わせる。一実施例では、重み付けされたユークリッド距離を、観測された作動パラメータ値に加えて、修正された値を得る。

作動パラメータとそれらの対応する制限との間の距離のうちの最小のものを決定することは、修正された作動パラメータ値を得る目的で、距離の重み付けを設定するために有用である。一実施例では、最小の距離を最も大きく重み付けする。このように、修正された作動パラメータ値が、活動指標を決定するのに有用である場合、その対応する制限に最も近い作動パラメータ値が、その活動指標に対して最も大きな影響を有する。

一実施例では、決定された距離のうちの最小のものであるユークリッド距離は、ほぼ１の重みを受け取り、他の全てのユークリッド距離は、係数０で重み付けされる。

一実施例では、活動指標は、以下の関係式

を用いて計算され、ここで、

は、修正された観測値とそれらの値に対する対応する制限との間の距離のベクトル行列であり、Ｐは、各作動パラメータについての標準のまたは期待される作動値を含む、主成分ベクトル行列であり、λは、主成分固有値の対角行列であり、Ｐ^Tは、主成分ベクトル行列の転置であり、

は、修正された作動パラメータ値とそれらの作動パラメータに対する対応する制限との間の距離のベクトル行列の転置である。Ｐの意味のさらなる定義および主成分分析法の話題については、「産業システムにおける故障検出および診断（Ｆａｕｌｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｉｎ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ）」、ＩＳＢＮ １−８５２３３−３２７−８ に見出される。

式中のＰλＰ^T項によって可能になる行列の乗法演算は、「ｘ」ベクトルを主成分部分空間に投影するのに役立つ。それは、Ｐ主成分の選択と矛盾のない適切に尺度の設定された活動指標を計算するために、「ｘ」ベクトルを適切に回転し、尺度を再設定する。そのような尺度の設定がないときは、複数の誤った警報のリスクが大幅に高まる。

図２では、６８において、活動指標が許容可能な範囲内にあるかの決定が行われる。一実施例では、適切な下限が活動指標に課せられる。例えば、指標が、０．１より小さい値を有する場合、それは、装置３０の現在の作動状態に基づいて何らかの活動を行う必要があるという表示である。活動指標が停止指標である実施例では、活動指標が、０．１より小さい値を有する場合、それは、装置３０を停止する必要があるという表示である。ユーザーインターフェース５２は、一実施例では装置３０を停止する必要があることを示す表示を提供する。別の実施例では、プロセッサ５０は自動的に装置３０を停止し、ユーザーインターフェース５２は、停止が行われたことの表示を提供する。ユーザーインターフェース５２はまた、作動パラメータ値、活動指標値、またはこれらの組み合わせに関する情報、および、例えば装置３０の問題解決作動のために個人にとって有用となるであろう任意の他の情報を提供する。

図３は、活動指標値の上限および下限を概略的に示す。破線７０は、上方活動指標制限（ｈｉｇｈｅｒ ａｃｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ ｌｉｍｉｔ）（ＨＡＩＬ）を示し、実線７２は、下方活動指標制限（ｌｏｗｅｒ ａｃｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ ｌｉｍｉｔ）（ＬＡＩＬ）を示す。システム性能に基づく複数の指標値を７４で示す。計算された活動指標がＨＡＩＬおよびＬＡＩＬの制限の外側にある限り、システムは、制御されていると判断される。ＨＡＩＬおよびＬＡＩＬの実際の値は、システムに関連するリスクおよび誤り警報の間の均衡に基づいて決定される。さらに、実際の活動指標がＨＡＩＬおよびＬＡＩＬの制限にどれくらい近づくかに応じて、高まる警報戦略を取ることができる。この場合、活動指標値０が、停止制限への到達を意味することに留意されたい。

上記の説明は、本質的に限定ではなく例示である。本発明の本質から必ずしも逸脱しない、開示の実施例に対する変更および修正が、当業者には明らかとなり得る。本発明に与えられる法的保護範囲は、添付の特許請求の範囲を検討することでのみ決定可能である。

Claims (19)

1. 装置の作動を監視する方法であって、
   （Ａ）装置の作動状態を示す複数の作動パラメータを決定し、
   （Ｂ）決定された各作動パラメータと、その作動パラメータに対する対応する制限との間の差を決定し、
   （Ｃ）決定された差のうちの少なくとも最小の差に基づいて活動指標を決定し、
   （Ｄ）活動指標が装置の所望の作動に対応する範囲内にあるかを決定する、
   各ステップを含み、
   各制限は、装置の望ましくない作動状態に対応する、対応する作動パラメータの値を示すことを特徴とする方法。
2. ステップ（Ｂ）は、
   決定された各作動パラメータの、対応する制限からのユークリッド距離を決定する、
   ことを含み、
   決定されたユークリッド距離が、決定された差であることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 決定された各作動パラメータについてユークリッド距離の二乗を決定することを含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
4. ステップ（Ｃ）は、
   作動パラメータについて決定された距離の重み付けされた距離を、決定された作動パラメータに加えることで、決定された最小の差を有する少なくとも作動パラメータについて、修正された作動パラメータを確立し、
   確立された修正された作動パラメータと対応する制限との間の修正された差を決定する、
   ことを含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
5. ステップ（Ｃ）は、
   決定された各作動パラメータについて修正された差を決定し、
   修正された差の行列を確立する、
   ことを含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
6. ステップ（Ｃ）は、
   修正された差の行列に、
   主成分ベクトル行列を掛け、さらに、
   主成分固有値の対角行列を掛け、さらに、
   主成分ベクトル行列の転置を掛け、さらに、
   修正された差の行列の転置を掛けることで、
   活動指標を決定する、
   ことを含み、
   主成分ベクトル行列は、装置の所望の作動に対応する予め決められた作動パラメータ値を含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 活動指標は、装置の停止作動に対して活動を行う必要があることを示す停止指標を含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
8. ステップ（Ｄ）は、活動指標について許容可能な値に対して下限を確立することを含み、
   方法は、活動指標が下限より低い値を有する場合、活動を行う必要があるという表示を提供することを含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
9. ステップ（Ｄ）は、活動指標について許容可能な値に対して下限を確立することを含み、
   方法は、活動指標が下限より低い値を有する場合、活動を行う必要があるという表示を提供することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
10. 装置の作動を監視するシステムであって、
    装置の作動状態を示す作動パラメータの各示度を提供する複数の検出器と、
    プロセッサと、
    を備え、プロセッサは、
    決定された各作動パラメータと、作動パラメータに対する対応する制限との間の差を決定し、
    決定された差のうちの少なくとも最小の差に基づいて活動指標を決定し、
    活動指標が装置の所望の作動に対応する範囲内にあるかを決定する、
    ように構成され、
    各制限は、装置の望ましくない作動状態に対応する、対応する作動パラメータの値を示すことを特徴とする、装置の作動を監視するシステム。
11. プロセッサは、決定された各作動パラメータの、対応する制限からのユークリッド距離を決定するように構成され、決定されたユークリッド距離が、決定された差であることを特徴とする請求項１０記載のシステム。
12. プロセッサは、決定された各作動パラメータについてユークリッド距離の二乗を決定するように構成されることを特徴とする請求項１１記載のシステム。
13. プロセッサは、
    作動パラメータについて決定された距離の重み付けされた距離を、決定された作動パラメータに加えることで、決定された最小の差を有する少なくとも作動パラメータについて、修正された作動パラメータを確立し、
    確立された修正された作動パラメータと対応する制限との間の修正された差を決定する、
    ように構成されることを特徴とする請求項１１記載のシステム。
14. プロセッサは、
    決定された各作動パラメータについて修正された差を決定し、
    修正された差の行列を確立する、
    ように構成されることを特徴とする請求項１３記載のシステム。
15. プロセッサは、
    修正された差の行列に、
    主成分ベクトル行列を掛け、さらに、
    主成分固有値の対角行列を掛け、さらに、
    主成分ベクトル行列の転置を掛け、さらに、
    修正された差の行列の転置を掛けることで、
    活動指標を決定する、
    ように構成され、
    主成分ベクトル行列は、装置の所望の作動に対応する予め決められた作動パラメータ値を含むことを特徴とする請求項１４記載のシステム。
16. 活動指標は、装置の停止作動に対して活動を行う必要があることを示す停止指標を含むことを特徴とする請求項１５記載のシステム。
17. プロセッサには、活動指標について許容可能な値に対して下限が提供され、
    プロセッサは、活動指標が下限より低い値を有する場合、活動を行う必要があるという表示を提供するように構成されることを特徴とする請求項１６記載のシステム。
18. プロセッサの表示に対応する情報を提供するユーザーインターフェースを備えており、情報は、可聴または可視の形態のうちの少なくとも一方で提供されることを特徴とする請求項１７記載のシステム。
19. プロセッサには、活動指標について許容可能な値に対して下限が提供され、
    プロセッサは、活動指標が下限より低い値を有する場合、活動を行う必要があるという表示を提供するように構成されることを特徴とする請求項１０記載のシステム。

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