JP2021124990A

JP2021124990A - 設計支援システム

Info

Publication number: JP2021124990A
Application number: JP2020018403A
Authority: JP
Inventors: 和夫武藤; Kazuo Muto; 康晴難波; Yasuharu Nanba; 俊太郎人見; Shuntaro Hitomi; 敏之鵜飼; Toshiyuki Ukai
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2020-02-06
Filing date: 2020-02-06
Publication date: 2021-08-30
Anticipated expiration: 2040-02-06
Also published as: JP7333281B2; EP3862834A1; US20210248557A1; EP3862834B1

Abstract

【課題】設計者の知見を活かし、故障原因の究明に有用な故障症状を保全員に入力させ、故障因果モデルを更新する。【解決手段】設計者用端末と保全員用端末と設計支援装置を備え、設計支援装置は、故障因果モデルデータベースと、入力された対象機器の故障の想定原因に基づいて、故障因果モデルを更新する故障因果モデル更新部と、入力された対象機器の症状と故障因果モデルに基づいて、発生確率の高い故障の種類とその原因を推定し、保全員用端末に出力する保全支援部と、推定した故障の種類とその原因について、保全員用端末から入力された真偽情報を記憶する保全記録データベースと、保全記録データベースに蓄積された真偽情報に基づいて、故障因果モデルを更新するとともに、更新した故障因果モデルに基づいて、対象機器の故障原因を推定し、設計者用端末に出力する故障原因分析部と、を備える設計支援システム。【選択図】図１

Description

本発明は、製品設計を支援する設計支援システムに関し、特に、保全員による保全記録を収集分析することで、製品故障の原因究明を支援する設計支援システムに関する。

製品設計を改善するには、製品故障の発生時に、製品の使われ方や使用環境を分析し、故障の原因を把握することが重要である。製品の使われ方や使用環境を把握するための有用なデータとしては、製品に取付けたセンサの計測値、製品に関連して生成された各種ログ、製品を保守・修理した保全員などが記載した保全記録などがある。

これらのうち保全記録を利用する設計支援装置としては、例えば、特許文献１が知られており、その要約書では、「プラントの監視保守活動と連携してプラント安全設計を支援する」ために、「通信装置140と診断監視装置110と故障点検管理装置120と設計製造装置130とがネットワーク150を介して相互に接続されて、プラント安全設計支援装置100が構成されている。診断監視装置110はプラント制御システム１からプラント状態情報ｄｃを受けてプラントの監視や診断を行い、故障点検管理装置120はプラントに使用されている機器の故障点検情報Ｄ２を保有し、設計製造装置130はプラントに使用されている機器の設計製造情報を保有する。設計製造装置130は、故障点検管理装置120から故障点検情報Ｄ２を受けて、故障点検情報を考慮してプラントの安全設計をする。」と説明されている。

すなわち、特許文献１では、プラントの故障点検情報を蓄積し、プラントの安全設計に活用する設計支援装置が提案されている。

特開２０１２−１５０６８６号公報

特許文献１で用いる故障点検情報は、人が入力する自由度の高い情報であるため、センサ計測値や各種ログからは把握できない状況も記録できるという利点があるものの、報告用途の作業記録という側面が強く、故障原因の究明に必要な情報が必ずしも含まれているとは限らなかった。

そこで、本発明は、設計者の知見を活かすことで、故障原因の究明に有用な故障症状を保全員に入力させ、故障原因と故障症状の因果関係をモデル化した故障因果モデルを更新する設計支援装置を提供することを目的とする。さらに、更新された故障因果モデルを用いることで、より適切な故障原因を設計者に提示することができる設計支援装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の設計支援システムは、設計者が使用する設計者用端末と、保全員が使用する保全員用端末と、前記設計者用端末および前記保全員用端末と通信可能な設計支援装置と、を備え、前記設計支援装置は、対象機器の故障因果モデルを記憶した故障因果モデルデータベースと、前記設計者用端末から入力された前記対象機器の故障の想定原因に基づいて、前記故障因果モデルを更新する故障因果モデル更新部と、前記保全員用端末から入力された前記対象機器の症状と前記故障因果モデルに基づいて、発生確率の高い故障の種類とその原因を推定し、前記保全員用端末に出力する保全支援部と、該保全支援部が推定した故障の種類とその原因について、前記保全員用端末から入力された真偽情報を保全記録として記憶する保全記録データベースと、該保全記録データベースに保全記録として蓄積された真偽情報に基づいて、前記故障因果モデルを更新するとともに、更新した前記故障因果モデルに基づいて、前記対象機器の故障原因を推定し、前記設計者用端末に出力する故障原因分析部と、を備える設計支援システムとした。

本発明の設計支援装置を用いることにより、製品故障の原因究明に必要な情報を、保全作業を通じて効率良く収集可能となり、設計者が故障の原因究明に必要な工数を低減することができる。また、故障に対する尤もらしい原因が提示されることにより、製品設計を変更するなどの根本的な対策が可能になり、保全員が行う保全の回数を低減することができる。さらに、故障因果モデルに基づき、対象機器の症状に応じて、真偽を入力させる原因を絞り込むことにより、保全員の真偽入力の手間を省くことができる。

実施例１の設計支援装置の機能ブロック図実施例１の設計支援装置における、故障因果モデルの説明図実施例１の設計支援装置における、保全記録データベースの説明図実施例１の設計支援装置のデータの流れの説明図実施例１の処理の流れを説明するフローチャート実施例１の設計支援装置における、設計者用端末の表示画面の一例実施例１の設計支援装置における、故障因果モデルの更新方法の一例実施例１の設計支援装置における、保全員用端末の表示画面の一例実施例２の設計支援装置の機能ブロック図実施例２の設計支援装置のデータの流れの説明図実施例２の処理の流れを説明するフローチャート

以下、本発明の設計支援装置の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１から図８を用いて、本発明の実施例１に係る設計支援システム１００を説明する。

図１は、本実施例の設計支援システム１００の機能ブロック図である。ここに示すように、設計支援システム１００は、センタ側に設置された設計支援装置１、設計者２０が利用する設計者用端末２、保全員３０が利用する保全員用端末３から構成されたシステムである。なお、設計支援装置１、設計者用端末２、保全員用端末３は何れも、ＣＰＵ等の演算装置、ハードディスクや半導体メモリ等の記憶装置、各種の入出力装置などを備えた、サーバー、パソコン、タブレット等のコンピュータであり、演算装置がプログラムを実行することで後述の各機能を実現するものである。以下では、コンピュータ分野における周知技術を省略しながら、本実施例を詳細説明する。

設計者用端末２は、入力部２１、通信部２２、出力部２３を備えたコンピュータである。入力部２１は、キーボード、マウス、タッチパネル等の種々の入力装置であり、設計者２０が何らかのデータを入力する時に使用される。通信部２２は、設計者２０が入力部２１を用いて入力したデータを設計支援装置１に送信したり、設計支援装置１から送信されたデータを受信したりする。出力部２３は、ディスプレイ装置等の出力デバイスであり、設計支援装置１から送信されたデータを表示したり、あるいは対話的な処理のための画面を表示したりする。

保全員用端末３は、入力部３１、通信部３２、出力部３３を備えたコンピュータである。この保全員用端末３は、使用者と用途こそ異なるが、設計者用端末２と同様のコンピュータであるため、各部についての重複説明は省略する。

設計支援装置１は、通信部１１、記憶部１２、演算処理部１３を備えたコンピュータである。

通信部１１は、設計者用端末２や保全員用端末３に入力されたデータを受信し、演算処理部１３に渡したり、演算処理部１３の処理結果を設計者用端末２や保全員用端末３に送信したりする。

記憶部１２は、具体的にはハードディクスなどの記憶装置で、故障因果モデルデータベース１２ａや、保全記録データベース１２ｂなどを記憶している。

故障因果モデルデータベース１２ａは、故障ｉ（ｉ＝１，２，…，ｎ）の原因と、故障ｉが発生した時の製品の症状を関連付ける故障因果モデルＭを記憶するデータベースである。ここで、原因とは、故障の原因となり得る製品型式、使用部品などの設計製造に関わる要因や、設置場所、稼働年数などの使用条件に関わる要因を表している。一方、症状とは、例えば暖房機器であれば、電源が入らないことや、ヒータが暖まらないことなど、製品の機能が損なわれるような状態を指す。故障因果モデルＭは、原因と故障、故障と症状の因果有無だけでなく、原因ｊが真であった時の故障ｉの発生確率ｐ（故障ｉ｜原因ｊ）や、故障ｉが真であった時の症状ｋの発生確率ｐ（症状ｋ｜故障ｉ）などを確率で表現する。なお、ｐ（Ａ｜Ｂ）は事象Ｂが発生した時の事象Ａの条件付き確率を表している。

図２に、故障因果モデルデータベース１２ａに記憶された、故障因果モデルＭの一例を示す。この故障因果モデルＭは、ある故障ｉに関する因果関係を記述したものであり、左側では、原因１が真であった時の故障ｉの発生確率が０．１であり、原因２が真であった時の故障ｉの発生確率が０．２であること等を示している。一方、右側では、故障ｉが発生した時に、症状１が発生する確率が０．９であり、症状２が発生する確率が０．８であること等を示している。

また、図３に、保全記録データベース１２ｂの一例を示す。この保全記録データベース１２ｂは、各保全作業時に、故障因果モデルＭの構成要素である、原因、故障、症状の夫々の真偽を記録したデータベースである。図３の各行が、各保全作業に対応するテーブルデータであり、冒頭のＩＤと保全日に続き、故障因果モデルＭの構成要素（原因、故障、症状）の全てについて、保全員３０が入力した真偽の情報が登録されている。真偽情報の登録方法については後述する。

演算処理部１３は、具体的には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）であり、所定のプログラムを実行することで、故障因果モデル更新部１３ａ、保全支援部１３ｂ、故障原因分析部１３ｃの各機能を実現する。以下、図４を参照しながら、各々の機能を順次説明する。

故障因果モデル更新部１３ａは、設計者２０が設計者用端末２に、故障ｉの原因として考えられる要因（想定原因）を追加した場合、追加した想定原因を用いて、故障因果モデルデータベース１２ａに記憶されている故障ｉに関する故障因果モデルＭを更新するとともに、更新した故障因果モデルＭを故障因果モデルデータベース１２ａに記憶させる。

保全支援部１３ｂは、保全員３０が保全員用端末３に、保全対象機器の症状を入力した場合、故障因果モデルデータベース１２ａ内の故障因果モデルＭを用いて、入力された症状に対応する故障の種類を推定する。そして、保全員３０に、故障の種類とその原因、真偽を入力するための画面を、保全員用端末３に表示する。さらに、保全員３０が保全員用端末３に入力した真偽データを保全記録データベース１２ｂに記憶する。

故障原因分析部１３ｃは、保全記録データベース１２ｂの保全記録を用いて、故障因果モデルデータベース１２ａの故障因果モデルＭの確率情報を更新する。また、更新された確率情報に基づき、故障ｉ（ｉ＝１，２，…，ｎ）に対する尤もらしい原因を、設計者用端末２を介して、設計者２０に提示する。

図５は、図４で概説した、本実施例の設計支援システム１００の処理の流れを示すフローチャートであり、これを用いて、故障因果モデル更新部１３ａ、保全支援部１３ｂ、故障原因分析部１３ｃをより詳細に説明する。なお、図５の処理は、設計者２０が、設計支援システム１００の提示する故障原因の不良等を踏まえ、保全対象製品の故障発生の傾向が変化したと判断した場合に、自身の知見に基づく想定原因を故障因果モデルＭに反映させるために実行するものである。

まず、ステップＳ１では、設計者２０は、設計者用端末２を用いて、現状の故障因果モデルＭに未登録の故障の想定原因を追加する。図６に、設計者用端末２に表示される入力画面の一例を示す。この例では、設計者２０は、想定原因を追加したい故障をプルダウン２ａから選択した後、自身の知見を活かして、その故障に対する想定原因の名称を入力欄２ｂに、想定原因が真の時の故障の発生確率を確率欄２ｃに入力する。なお、確率欄２ｃに入力する数値は、後述する学習処理により最適化できるため、本ステップでは設計者２０による数値入力を省略しても良く、その場合は、仮の数値が初期値として入力されるようにしても良い。

次に、ステップＳ２では、設計支援装置１の故障因果モデル更新部１３ａは、ステップＳ１で入力された新規の想定原因を、故障因果モデルＭに反映させる。図７は、故障因果モデル更新部１３ａによる、故障因果モデルＭの更新手順を模式的に示した図である。この図は、ステップＳ１で設計者２０が故障ｉの想定原因として「原因Ｘ」を追加した後の、故障因果モデルＭの更新の様子を表している。まず、故障因果モデル更新部１３ａは、故障因果モデルデータベース１２ａから、故障ｉに関する現状の故障因果モデルＭを抽出する（Ｓ２ａ）。次に、その故障因果モデルＭに設計者２０が入力した想定原因「原因Ｘ」と、その発生確率を追加し（Ｓ２ｂ）、更新済みの故障因果モデルＭを故障因果モデルデータベース１２ａに記憶させる（Ｓ２ｃ）。

以上のステップＳ１とＳ２の処理を、保全員３０の保全作業前に実行しておく。

次に、ステップＳ３では、更新後の故障因果モデルＭで求めた故障原因を設計者２０に提示するか否か、保全期間の長さや保全回数に応じて判断する。保全期間や保全回数が所定の閾値を超えており、更新後の故障因果モデルＭで求めた故障原因が信頼できると判断できる場合は、ステップＳ８に進み、そうでない場合は、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４では、保全員３０は、故障機器を保全する際に、保全員用端末３を用いて、対象機器の症状を保全支援部１３ｂに入力する。図８は、保全員用端末３の表示画面の一例である。このステップの実行時には、保全支援部１３ｂは、保全員用端末３に、故障機器の症状の有無を入力させる入力エリア３ａを表示する。なお、既に入力された症状から、症状の有無を次に入力させる症状を動的に変化させても良い。

次に、ステップＳ５では、保守支援部１３ｂは、更新後の故障因果モデルＭを用い、ステップＳ４で入力された故障機器の症状から、各故障の発生確率を計算する。そして、最も高い発生確率の故障種類を、保全員用端末３の入力エリア３ｂに提示する。各故障の発生確率は、例えば下記のように計算することができる。故障ｉが発生すると症状１、症状２、症状３が発生するような故障因果モデルＭがある時、症状ｋ（ｋ＝１，２，３）の真偽ＴＦ_ｋが観測された時の故障ｉの発生確率p(故障i│症状１＝ＴＦ_１，症状２＝ＴＦ_２，症状３＝ＴＦ_３)は、ベイズの定理を使って（式１）のように計算できる。

ここで、p（故障i）は、故障iの発生確率であり、過去の保全記録などから推定される。

図８の例では、保全員３０は、故障した機器を確認し症状（例えば、症状１〜３）の有無を、例えば入力エリア３ａのチェックボックスなどに入力する。そして、保全支援部１３ｂは、入力された症状の有無から、故障の種類（例えば、故障ｉ）をその原因（原因１、２、Ｘ）とともに入力エリア３ｂに提示する。

次に、ステップＳ６では、保全員３０は、システムが推定した故障とその原因に基づき、故障機器を保全し、実際の保全作業の結果判明した、故障とその原因の真偽を入力エリア３ｂのチェックボックスに入力する。保全員３０により入力エリア３ｂに入力された真偽データは、保全記録として保全支援部１３ｂに入力される。

次に、ステップＳ７では、保全支援部１３ｂは、保全員３０がステップＳ６で入力した真偽データを、保全記録として保全記録データベース１２ｂに記憶させる。

ステップＳ４〜Ｓ７の処理を繰り返し、ある一定量以上の保全記録が蓄積されると、ステップＳ３からステップＳ８に進む。そして、故障原因分析部１３ｃは、故障因果モデルデータベース１２ａの故障因果モデルＭの確率情報を、保全記録に基づき更新する。これにより、ステップＳ１で設計者２０が仮入力した数値がより適切な数値に更新される。そして、更新後の故障因果モデルＭを用いて求めた、故障ｉの発生確率が最も高い想定原因、すなわちp(故障i│原因j)が最も高い故障原因を、故障ｉの真の原因として設計者に提示する。なお、故障の発生確率が高い複数の原因を同時に提示しても良い。

ここで、保全員３０が入力した保全記録に基づく確率情報の更新は、例えば（式２）、（式３）のように行うことができる。

以上で説明したように、本実施例の設計支援システムによれば、設計者の知見を活かし、故障原因の究明に有用な故障症状を保全員から効率良く収集できるので、故障原因と故障症状の因果関係をモデル化した故障因果モデルを容易に改善することができる。このため、故障因果モデルの改善後は、保全員が観測した症状に対応する、より適切な故障原因を設計者に提示することができる。

次に、図９から図１１を用いて、本発明の実施例２に係る設計支援システム１００を説明する。なお、実施例１との共通点については、重複説明を省略する。

図９は、本実施例の設計支援システム１００の機能ブロック図である。ここに示すように、本実施例の演算処理部１３は、実施例１で説明した、故障因果モデル更新部１３ａ、保全支援部１３ｂ、故障原因分析部１３ｃに、保全記録監視部１３ｄを追加したものである。

図１０は、実施例１の図４に、本実施例で追加された保全記録監視部１３ｄの役割を追加したものである。ここに示すように、保全記録監視部１３ｄは、保全記録データベース１２ｂに記憶された保全記録を監視し、故障発生の傾向に変化が現れたら、設計者２０にアラートを発報し、対策を行うように促すものである。すなわち、実施例１では、設計者２０が自身で故障因果モデルＭの更新時期を判断していたが、本実施例では、設計支援システム１００が故障因果モデルＭの更新時期を判断する。

図１１は、本実施例の設計支援システム１００の処理の流れを示すフローチャートである。最初のステップＳ１１では、保全記録監視部１３ｄは、日々蓄積される保全記録を監視する。ステップＳ１２では、保全記録監視部１３ｄは、故障発生の傾向に注目すべき変化があるかを判断する。そして、注目すべき変化が有れば、ステップＳ１３に進み、無ければ、ステップＳ１１に戻る。

ステップＳ１３では、保全記録監視部１３ｄは、設計者用端末２を介して、設計者２０に故障因果モデルＭの更新を促すアラートを発報し、設計者２０が応じれば、実施例１で説明したステップＳ１からステップＳ８の処理を実行する。ステップＳ１３でのアラートは、例えば、（式４）で計算される故障ｉに関する異常度が、ある一定の値を超えたら発報する。

ここで、式４の右辺中のｎ^ｉ _Ｔは、期間Ｔにおける故障モードｉの発生件数であり、Ｔは直近の期間を表している。また、式４で定義される異常度の真数（式４の右辺括弧内の値）は、期間０からＴ−１までの保全記録から計算される、単位期間あたりの故障モードｉの経験的な発生確率である。この経験的な発生確率が正規分布に従うと仮定すると、その平均μ^ｉ _{０：Ｔ−１}と分散σ^ｉ _{０：Ｔ−１}は、それぞれ（式５）、（式６）で計算することができる。

以上で説明したように、本実施例の設計支援システム１００によれば、式４〜式６等を利用して、保全対象製品の故障発生の傾向変化を検知したときに、設計者２０に故障因果モデルＭの更新を促すことができる。このため、設計者２０が仮に非熟練の者であっても、適切な時期に、故障因果モデルＭの更新作業を開始することができる。

１００設計支援システム
１設計支援装置
１１通信部
１２記憶部
１２ａ故障因果モデルデータベース
１２ｂ保全記録データベース
１３演算処理部
１３ａ故障因果モデル更新部
１３ｂ保全支援部
１３ｃ故障原因分析部
１３ｄ保全記録監視部
２設計者用端末
２１入力部
２２通信部
２３出力部
３保全員用端末
３１入力部
３２通信部
３３出力部
２０設計者
３０保全員

Claims

設計者が使用する設計者用端末と、
保全員が使用する保全員用端末と、
前記設計者用端末および前記保全員用端末と通信可能な設計支援装置と、
を備えた設計支援システムであって、
前記設計支援装置は、
対象機器の故障因果モデルを記憶した故障因果モデルデータベースと、
前記設計者用端末から入力された前記対象機器の故障の想定原因に基づいて、前記故障因果モデルを更新する故障因果モデル更新部と、
前記保全員用端末から入力された前記対象機器の症状と前記故障因果モデルに基づいて、発生確率の高い故障の種類とその原因を推定し、前記保全員用端末に出力する保全支援部と、
該保全支援部が推定した故障の種類とその原因について、前記保全員用端末から入力された真偽情報を保全記録として記憶する保全記録データベースと、
該保全記録データベースに保全記録として蓄積された真偽情報に基づいて、前記故障因果モデルを更新するとともに、更新した前記故障因果モデルに基づいて、前記対象機器の故障原因を推定し、前記設計者用端末に出力する故障原因分析部と、
を備えることを特徴とする設計支援システム。
請求項１に記載の設計支援システムにおいて、
前記故障因果モデル更新部は、前記対象機器の故障の想定原因が真であるときの故障の発生確率に基づいて、故障因果モデルを更新することを特徴とする設計支援システム。
請求項１に記載の設計支援システムにおいて、
前記設計者用端末には、
前記対象機器の故障種類を入力する故障種類入力欄と、
該故障種類入力欄に入力された故障種類の想定原因を入力する想定原因入力欄と、
該想定原因入力欄に入力された想定原因が真の時の故障の発生確率を入力する故障発生確率入力欄と、
が表示されることを特徴とする設計支援システム。
請求項１に記載の設計支援システムにおいて、
前記保全員用端末には、
前記対象機器の症状の真偽を入力する症状真偽入力欄と、
推定された前記対象機器の故障の真偽を入力する故障真偽入力欄と、
推定された前記対象機器の故障原因の真偽を入力する原因真偽入力欄と、
が表示されることを特徴とする設計支援システム。
請求項１から請求項４の何れか一項に記載の設計支援システムにおいて、
さらに、保全記録データベースに日々蓄積される保全記録を監視し故障の発生頻度の変化などが見られた時に設計者にアラートを発報する保全記録監視部を備えることを特徴とする設計支援システム。