JP2019505064A - 予測監視システム及び方法 - Google Patents

Abstract

航空機などの機械システム内で今にも起こりそうな構成要素故障を防止するために要因を監視するシステム及び方法が開示されている。監視システムは、システム構成要素の調子及び状態を監視し、所有権を主張できるアルゴリズムを利用して、故障が生じる前に監視構成要素における今にも起こりそうな故障を予測する。システムは、構成要素を停止し、警告を送信し、又は必要に応じて構成要素閾値を調整することができる。

Description

この出願は、２０１６年２月１６日に提出の米国特許出願第１５／０４４，４７３号の利益を主張し、この内容を参照として取り込む。

本発明は概して、予測監視システム及び方法に関し、より詳細には、今にも起こりそうな構成要素故障を軽減する予測監視システム及び方法に関する。

車両及びコンピュータなどの様々な用途で、予測監視システムが実施されている。メンテナンスを必要としている、又は今にも故障しそうな任意の構成要素を予測するために、このようなシステムを使用することができる。

多くの機械システムにおいて、振動の監視は、予測監視の有利な方法である。振動は、殆どの機械システムの固有の部分であるけれども、過剰な振動レベルは、問題があることを示す可能性がある。高い振動レベルは、ゆるい構成要素、故障した構成要素、心のずれた結合、共振及び変形、又は機械的又は電磁気的不均衡などの問題があることを示す場合がある。典型的には、システム構成要素に永久的に又は磁気的に取り付けられた加速度計の使用によって、振動を監視する。典型的には、振動のレベルを、周波数及び振幅に応じて測定する。振動図を、周波数、振幅及び位置に応じて三次元で視覚化してもよい。更に、値を時間と共に評価する移動範囲解析を介して、データを解析してもよい。しかし、振動データだけでは、所与のシステム構成要素の正常動作状態に大きく左右される今にも起こりそうな故障を正確に予測することができない。

システムにおける構成要素が故障すると、構成要素又は全体としてシステムに取り返しのつかない損傷を与えることがある。従って、メンテナンスを実行した場合、又は構成要素を自動的に無効にした場合、更なる損傷を回避することができる。一方、過度に敏感な警告システムは、迷惑な警告をもたらすことがある。重要なシステム構成要素において、不必要な停止は危険であることがある。更に、複雑なシステムにおいて、作業者が、複雑なシステムを分解して不必要な構成要素を停止するのは、実行不可能であることがある。

従って、必要なのは、介入を必要とするかどうかを正確に判定し、状況に与えられた適切な介入を選択し、それに応じて自動的に作動することができる予測監視システムである。

簡単に、一般用語で、本発明を、航空機などの機械システム内で今にも起こりそうな構成要素故障を防止する総合監視及び報告システム及び方法で具体化する。監視システムは、システム構成要素の調子及び状態を監視して、故障が生じる前に監視構成要素における今にも起こりそうな故障を予測する。

より詳細には、例示的な実施形態において、システムは、リアルタイムで監視構成要素の特性を測定する。各選択構成要素に対して、得られるデータを解析して、今にも起こりそうな故障に近い構成要素の痕跡にデータ出力が近付いているかどうかを予測する。

例示的な実施形態の詳細な態様において、今にも起こりそうな故障の兆候を示す場合、監視システムの特定の構成要素を停止状態にする。

例示的な実施形態の別の詳細な態様において、データレコーダを、監視システムの一部である構成要素に直接取り付ける。このデータレコーダは、振動周波数、構成要素温度、及び／又は電気的特性における変動などの、監視構成要素の規定の特性を検知する。

例示的な実施形態の別の詳細な態様において、レコーダは、有線又は無線手段を介してデータをモニタに返送する。モニタは、各データレコーダからリアルタイムデータを受信し、所有権を主張できるアルゴリズムを適用して、監視システム内の構成要素が事前故障痕跡を示しているかどうかを判定する。事前故障痕跡は、今にも起こりそうな構成要素故障の前兆を予測する挙動である。次に、モニタは、データレコーダに電子通知又は信号を送信して、事前故障モードで特定の構成要素を停止する。

好ましい実施形態において、アルゴリズムは、主要因として振動データを用いて、航空機環境制御システムを監視するように生成されている。アルゴリズムを生成する他の要因は、例えば、多くの航空機モデル設置、航空機内の構成要素設置位置、動作状態、システム構成、動作が空中であるか地上であるかを含む（但し、これらに限定されない）。

例示的な実施形態の別の詳細な態様において、実験データを生成して、使用可能及び使用不可能構成要素の両方に要因入力を与える。これらの入力は、構成要素が適切に機能している（使用可能）又は適切に機能していない（使用不可能）場合、構成要素の痕跡である。

例示的な実施形態の別の詳細な態様において、移動範囲解析を、構成要素の使用可能及び使用不可能型の両方に対して、要因のあらゆる組み合わせで２回実行する。これを使用して、多くの要因にわたって評価される周波数の範囲である「フィルタ」を評価する。これらのフィルタを使用して、分布図を生成する。次に、各フィルタに対する分布図を使用して、各フィルタの振幅に対する上部及び下部管理限界を生成する。Ｚスコアを生成し、Ｚスコアを使用して、構成要素以外にシステム故障を記述する他の状態だけでなく、構成要素に対する一致事前故障状態経路も判定する。最高Ｚスコアを有するフィルタを選択する。最高Ｚスコアを有するフィルタは、全ての使用不可能ユニットを見付けて誤判定兆候を除去する確率が最高である。

例示的な実施形態の別の詳細な態様において、時間遅延又は変化、異なる動作モード中のフィルタへのシフト、及び／又は上部管理又は下部管理限界へのシフトを用いて、動作中にフィルタ及び／又はＺスコアに影響を及ぼす任意の外部要因を補償する。

先行技術より優る利点及び本発明を要約する目的で、本発明の特定の利点をここで説明している。当然、本発明の任意の特定の実施形態に従って、このような全ての利点を必ずしも達成する必要はないものとする。従って、例えば、ここで教示又は示唆されるような他の利点を必ずしも達成することなく、ここで教示されるような１つの利点又は利点群を達成又は最適化する方法で、本発明を具体化又は実施することができることが当業者は分かる。

これらの実施形態は全て、ここに開示の本発明の範囲内にあるように意図されている。本発明のこれら及び他の実施形態は、添付図面を参照した好ましい実施形態の次の詳細な説明から当業者に容易に明白になるであろう。但し、本発明は、開示された任意の特定の好ましい実施形態に限定されない。

ここで、本発明の実施形態について、次の図面を参照して単に一例として説明する。

図１は、データレコーダデバイスに接続されているモニタを示す、本発明による予測監視システムの簡易ブロック図である。 図２は、図１のシステムの例示的なフローチャートである。 図３は、事前故障状態を定義する、図１のシステムのモニタの例示的なアルゴリズムの概略フローチャートである。 図４は、図１のモニタによって使用される、要因入力によるフィルタの例示的な評価である。 図５は、図１のモニタによって使用されるフィルタに対するＺスコアの例示的な評価である。

ここで、図面、特に図１を参照すると、複数のデータレコーダデバイス２〜６に接続されているモニタデバイス１を有する予測監視システム１５が示してある。この接続は、有線又は無線手段であってもよく、データレコーダ２〜６との双方向通信を可能にすべきである。データレコーダ２〜６は、動作特性を直接測定してデータをモニタ１に返送するために、監視システム１５内の構成要素７〜１１に各々装着されている。

例示的な実施形態において、局所電気入力によって、モニタ１に電力を供給する。モニタ１は、システムの診断を容易にするために、一時的に又は永久的に、各データレコーダ２〜６から生データを記憶してもよい。

この実施形態において、モニタ１は、データを処理して他の所望の動作を制御する計算ハードウェアからなる。例えば、このハードウェアは、データレコーダ２〜６から受信されたデータを処理する、又はソフトウェア又はファームウェアプログラミング命令を実行するように構成されている回路を含んでもよい。更に、この実施形態におけるモニタ１は、情報を読み書きして実行することができるデータ記憶機能を有する。モニタは、システムとデジタル的に通信して対話することができる他のハードウェア構成要素、及びプログラミングデータを記憶することができる他の構成とを含むことができ、又は他のデジタル情報は、ネットワークにわたって共同設置されていようと分散されていようと、本発明から逸脱することなく使用可能である。

データレコーダ２〜６は、監視システム１５の一部である構成要素７〜１１に取り付けられている。これらのデータレコーダ２〜６は、監視構成要素７〜１１の様々な特性を検知して、有線又は無線手段を介して生データをモニタ１に返送する。

データレコーダ２〜６は、振動周波数を測定する振動データレコーダ、構成要素の表面温度を測定する温度データレコーダ、電気的特性における変動を測定する電気的データレコーダ、又は任意のデータレコーダ又は手近にシステムに適したレコーダの組み合わせの形を取ってもよい。局所電気入力又はエネルギー取り入れ技法によって、データレコーダ２〜６に電力を供給してもよい。

図２は、例示的な稼働処理のフローチャートである。データレコーダは、構成要素から特性入力を得る（２０）。データレコーダは、リアルタイムでデータをモニタに伝送する（２１）。モニタは、所有権を主張できるアルゴリズムを適用して、各データレコーダからのデータの解析を行う（２２）。これらのアルゴリズムにより、モニタは、監視システム内の構成要素が事前故障痕跡を示しているかどうかを判定することができる（２３）。

事前故障痕跡を検出した場合、監視構成要素のうちの１つによって、又はシステム内の別の要因によって、事前故障状態が引き起こされているかどうかを判定する確認がある。事前故障状態を検出した場合、システムは、事前故障状態が、不必要な構成要素の今にも起こりそうな故障のためであるかどうかを判定する（２４）。不必要な構成要素の今にも起こりそうな故障である場合（２４）、モニタは、構成要素を停止するようにデータレコーダに指令する（３０）。次に、得られる構成要素信号を、データレコーダに返す（２０）。

不必要な構成要素の今にも起こりそうな故障でない場合（２４）、モニタは、システム障害を意味するかどうかを判定する（２５）。システム障害の場合、モニタは、必要に応じて構成要素閾値を調整して（４０）、必要ならば適切なシステム警告を伝送する（４１）。システム障害を意味しない場合（２５）、モニタは、問題の重要度を判定して、適切な警告を発する（５０）。次に、モニタは、適切な構成要素警告を伝送する（５１）。これは、今にも故障しそうな監視システム内の構成要素に関する電子通知、即ち、電子メール、テキストメッセージ、表示パネルへのメッセージなどの任意の組み合わせであってもよい。

図３は、事前故障状態を定義するアルゴリズムのフローチャートである。まず、実験データを生成する（６０）。使用可能及び使用不可能構成要素の両方に、要因入力を与える（６１）。移動範囲解析を、使用可能及び使用不可能構成要素の両方に対して、要因のあらゆる組み合わせで２回実行する（６２）（図４、８０〜８４）。この情報を使用して、フィルタを評価する（６３、８５〜８８）。分布図を生成する（６４）（図４）。次に、各フィルタに対する分布図を使用して、各フィルタの振幅に対する上部及び下部管理限界を生成する（６５、８５〜８８）。

Ｚスコアは、構成要素以外にシステム故障を記述する他の状態だけでなく、構成要素に対する一致事前故障状態経路も判定するように生成されている（７０）（図５）。最高Ｚスコアを有するフィルタを選択する（７１）。最高Ｚスコアを有するフィルタは、全ての使用不可能ユニットを見付けて誤判定兆候を除去する確率が最高であるフィルタである。動作中にフィルタ及び／又はＺスコアに影響を及ぼす任意の外部要因を補償する（７５）。これは、時間変化又は遅延、異なる動作モード中のフィルタへのシフト、上部又は下部管理限界へのシフトなどを介して行うことができる。

図４は、要因入力によるフィルタ８５〜８８の例示的な評価である。有用で適切なアルゴリズムを生成するために、監視システム環境８０〜８４からの多くの要因を評価する。図４では、典型的な実施形態を提供し、主要因として振動データを用いて航空機環境制御システムを監視するアルゴリズムを生成する。航空機の型式８０、設置位置８１、動作状態８２、システム構成８３、及び他の要因８４を評価する。各フィルタ８５〜８８は、幾つかの要因にわたって評価された周波数の範囲である。

図５は、１つのフィルタに対するＺスコアの例示的な評価である。Ｚスコアは、構成要素以外にシステム故障を記述する他の状態だけでなく、構成要素に対する一致事前故障状態経路も判定するように生成されている。最高Ｚスコアを有するフィルタを選択する（７１）。

本発明は、今にも起こりそうな故障が起こり得るかどうかを判定するアルゴリズムを用いて、及び今にも起こりそうな故障曲線とシステム構成要素に接続された検出器から読み取られたリアルタイムデータとを比較して、今にも起こりそうな構成要素故障を予測する監視システム及び方法を提供することが上述から分かるはずである。

本発明は、本発明の理解を伝えることができるように、現在好ましい実施形態によって上述されている。しかし、本発明を適用できる、ここに詳述されていない他の実施形態がある。従って、本発明は、限定的ではなく例示的であると考えられるべきである、示された形態に限定されると理解されるべきではない。

Claims (20)

1. 事前故障状態を判定するシステムであって、
   複数の監視構成要素に連結されている複数のデータレコーダと、
   前記複数のデータレコーダからリアルタイムデータを受信して、アルゴリズムによって設定される、前記監視システム内の事前故障状態に対するリアルタイム日を解析するモニタと
   を含み、
   実験データを生成して、使用可能及び使用不可能構成要素の両方に要因入力を与え、
   各フィルタの振幅に対する上部及び下部管理限界を生成し、
   前記構成要素に対する一致事前故障状態経路を生成し、
   全ての使用不可能ユニットを見付けて誤判定兆候を除去する確率が最高である前記フィルタを選択する、システム。
2. Ｚスコアは、前記構成要素に対する前記一致事前故障状態経路を判定するように生成されており、前記最高Ｚスコアを有する前記フィルタが選択されている、請求項１に記載のシステム。
3. 航空機で構成要素を監視するように実施されている、請求項１に記載のシステム。
4. １つのモニタデバイスは、前記データレコーダとの双方向通信を容易にするように、有線又は無線手段を介して複数のデータレコーダデバイスに接続されている、請求項１に記載のシステム。
5. 前記データレコーダは、動作特性を直接測定して前記データを前記モニタに返送するために、前記監視システム内の構成要素に各々装着されている、請求項１に記載のシステム。
6. 前記モニタは、
   前記事前故障状態が前記監視構成要素のうちの１つによって引き起こされているかどうかを判定し、前記事前故障状態が前記監視構成要素のうちの１つによって引き起こされている場合、構成要素検出閾値を調整する、及び／又は警告を送信する動作と、
   今にも故障しそうな前記監視システム内の前記構成要素に関する電子通知を送信する動作と、
   測定特性の痕跡閾値を満たす場合、指令を前記データレコーダに送信して、今にも故障しそうな前記構成要素を停止状態にする動作と
   のうち１つ又は複数の動作を、事前故障状態の計算時に実行する、請求項１に記載のシステム。
7. 前記モニタに、局所電気入力によって電力を供給する、請求項１に記載のシステム。
8. 前記データレコーダは、振動データレコーダ、温度データレコーダ、及び電気的データレコーダのうち１つ又は複数のデータレコーダを含む、請求項１に記載のシステム。
9. 複雑なシステムを監視するシステムであって、
   複数の監視構成要素に連結されている複数のデータレコーダと、
   前記複数のデータレコーダからリアルタイムデータを受信するモニタと、
   前記監視システム内の事前故障状態の定義を設定するアルゴリズムと
   を含み、
   前記モニタは、
   前記事前故障状態が前記監視構成要素のうちの１つによって引き起こされているかどうかを判定する動作と、
   今にも故障しそうな前記監視システム内の前記構成要素に関する電子通知を送信する動作と、
   測定特性の痕跡閾値を満たす場合、指令を前記データレコーダに送信して、今にも故障しそうな前記構成要素を停止状態にする動作と
   のうち１つ又は複数の動作を、事前故障状態の計算時に実行する、システム。
10. 実験データを生成して、使用可能及び使用不可能構成要素の両方に要因入力を与え、
    移動範囲解析を、要因のあらゆる組み合わせで実行し、
    分布図を、各フィルタに対して生成し、
    前記構成要素に対する一致事前故障状態経路を生成し、
    全ての使用不可能ユニットを見付けて誤判定兆候を除去する確率が最高である前記フィルタを選択する、請求項９に記載のシステム。
11. １つのモニタデバイスは、前記データレコーダとの双方向通信を容易にするように、有線又は無線手段を介して複数のデータレコーダデバイスに接続されている、請求項９に記載のシステム。
12. 航空機でシステムを監視するように実施されている、請求項９に記載のシステム。
13. 事前故障状態を判定する方法であって、
    複数の監視構成要素に連結されている複数のデータレコーダを有することと、
    前記複数のデータレコーダからリアルタイムデータを受信するモニタを有することと、
    監視システム内の事前故障状態の定義を設定するアルゴリズムを使用することと
    を含み、
    実験データを生成して、使用可能及び使用不可能構成要素の両方に要因入力を与え、
    移動範囲解析を、要因のあらゆる組み合わせで実行し、
    各フィルタの振幅に対する上部及び下部管理限界を生成し、
    前記構成要素に対する一致事前故障状態経路を生成し、
    全ての使用不可能ユニットを見付けて誤判定兆候を除去する確率が最高である前記フィルタを選択する、方法。
14. １つのモニタデバイスを、前記データレコーダとの双方向通信を容易にするように、有線又は無線手段を介して複数のデータレコーダデバイスに接続する、請求項１３に記載の方法。
15. 航空機環境制御システムを監視するように実施する、請求項１３に記載の方法。
16. 前記モニタは、
    前記事前故障状態が前記監視構成要素のうちの１つによって引き起こされているかどうかを判定する動作と、
    前記事前故障状態が前記監視構成要素のうちの１つによって引き起こされている場合、構成要素検出閾値を調整する、及び／又は警告を送信する動作と、
    今にも故障しそうな前記監視システム内の前記構成要素に関する電子通知を送信する動作と、
    測定特性の痕跡閾値を満たす場合、指令を前記データレコーダに送信して、今にも故障しそうな前記構成要素を停止状態にする動作と
    のうち１つ又は複数の動作を、事前故障状態の計算時に実行する、請求項１３に記載の方法。
17. 前記モニタに、局所電気入力によって電力を供給する、請求項１３に記載の方法。
18. 前記データレコーダは、振動データレコーダを含む、請求項１３に記載の方法。
19. 前記データレコーダは、温度データレコーダを含む、請求項１３に記載の方法。
20. 前記データレコーダは、電気的データレコーダを含む、請求項１３に記載の方法。