JP7219197B2 - 作業機械の故障予測システム及び作業機械の故障予測方法 - Google Patents

Description

本発明は、作業機械の故障予測システム及び作業機械の故障予測方法に関し、特に作業機械の燃料タンク内に混入した水分に起因した故障を予測する作業機械の故障予測システム及び作業機械の故障予測方法に関する。

建設機械のような内燃機関を有する作業機械には、燃料を貯蔵する燃料タンクが備え付けられている。燃料タンクには、水分が混入することがある。混入した水分としては、例えば、燃料中の酸成分（不純物として存在又はバクテリアにより生成）が溶け込んでいる水分、作業機械の輸送時、給油時又は稼動時に大気中の湿気が燃料タンク内に侵入（混入）し結露してなる結露水（すなわち、自由水）等が挙げられる。

このように燃料タンクに水分が混入すると、混入した水分に起因してインジェクタの内壁面のエロージョン（壊食）、酸成分によりインジェクタの内壁面の腐食等の問題が発生する。この問題は、ディーゼルエンジンの燃料（軽油）のみならず、ガソリンエンジンの燃料（ガソリン）にも生じている。

上記問題を解決するために、例えば燃料タンク中の水を常時監視し、混入した水分に起因した故障が起きる前に部品の交換、水分離装置の水抜きや脱水フィルタ交換などの対策を講じることが検討されている。具体的には、例えば特許文献１に記載のように、ディーゼル燃料と水との中間の比重を有する材料から構成されたフロート式の水位計を用いて水位を検出し、水分離装置内の水の排出時期を把握する方法がある。また、特殊な水分検知ペーストを塗布した短冊を燃料タンク内に浸漬してタンク底に存在する水を測定することで、燃料タンク内の水分を監視する方法がある。更に、カールフィッシャー水分計を用いて、電量もしくは容量滴定により微量水分を測定することで燃料タンク内の水を監視する方法も挙げられる。

特開２０１３－１４４９０６号公報

しかし、特許文献１に記載の水分離装置では、水分離装置内の水の排出時期を適切に把握するには好適であるが、燃料の液面等に停留する微量の水分や水滴によるインジェクタの故障を検知することには不向きであるという問題が生じる。

また、上記の特殊な水分検知ペーストを塗布した短冊を用いる方法では、水分検知ペーストの検知範囲を目視で確認するため、微量の水分や水滴の目視には不向きであるという問題も生じる。加えて、作業現場（以下、現地という）で作業や分析を行うため、測定時期は作業員に依存した間欠的な情報になる。更に、カールフィッシャー水分計を用いる方法では、現地でサンプルを採取したのち、持ち帰り分析するため、測定時期は作業員に依存した間欠的な情報になる。このような間欠的な方法では、燃料タンク中の水を常時監視し、混入した水分に起因した故障が起きる前に部品の交換や脱水フィルタ交換などの対策を講じることには不向きであるという問題がある。

本発明は上記課題を鑑みて、燃料タンクの水分を簡単に監視することができるとともに、混入した水分に起因した故障を容易に予測できる作業機械の故障予測システム及び作業機械の故障予測方法を提供することを目的とする。

本発明に係る作業機械の故障予測システムは、燃料タンクが備え付けられた作業機械の故障予測を行う作業機械の故障予測システムであって、作業機械の現在位置での気象データを記憶する気象データ記憶部と、少なくとも燃料タンクの材質を記憶する機械構成データ記憶部と、燃料タンク内の燃料の残量を取得し、取得した燃料の残量と前記気象データ記憶部で記憶した気象データと前記機械構成データ記憶部で記憶した燃料タンクの材質に基づいて、燃料タンク内の水分量を算出するタンク内水分量演算部と、前記タンク内水分量演算部で算出した水分量に基づいて燃料タンクのメンテナンスの要否を判定するメンテナンス要否判定部と、を備えることを特徴としている。

本発明に係る作業機械の故障予測システムでは、タンク内水分量演算部は、燃料タンク内の燃料の残量を取得し、取得した燃料の残量と気象データ記憶部で記憶した気象データと機械構成データ記憶部で記憶した燃料タンクの材質に基づいて燃料タンク内の水分量を算出しており、メンテナンス要否判定部はタンク内水分量演算部で算出した水分量に基づいて燃料タンクのメンテナンスの要否を判定するので、燃料タンクの水分を簡単に監視することができ、混入した水分に起因した故障を容易に予測することができる。その結果、混入した水分に起因した故障が起きる前に部品の交換や脱水フィルタ交換などの対策を講じることができるので、作業機械の安定した稼動を実現することができる。

本発明によれば、燃料タンクの水分を簡単に監視することができるとともに、混入した水分に起因した故障を容易に予測することができる。

第１実施形態に係る作業機械の故障予測システムの構成を示す概略図である。 管理サーバの構成を示すブロック図である。 第１実施形態に係る作業機械の故障予測方法を示すフロー図である。 図３中のステップＳ１の詳細を示すフロー図である。 機械構成データ記憶部に記憶された機種構成データの一例を示す図である。 図３中のステップＳ２の詳細を示すフロー図である。 気象データ記憶部に記憶された気象データの一例を示す図である。 図３中のステップＳ３の詳細を示すフロー図である。 燃料タンクを示す模式断面図である。 図３中のステップＳ４の詳細を示すフロー図である。 図３中のステップＳ５の詳細を示すフロー図である。 予測データの一例である、稼動可能な時間と水分量との関係を示す図である。 報知装置の設置例を示すモニタの正面図である。 第２実施形態に係る作業機械の故障予測方法を示すフロー図である。 図１４中のステップＳ３’の詳細を示すフロー図である。 図１４中のステップＳ４’の詳細を示すフロー図である。 第３実施形態に係る作業機械の故障予測方法を示すフロー図である。 図１７中のステップＳ３”の詳細を示すフロー図である。 図１７中のステップＳ４”の詳細を示すフロー図である。 第４実施形態に係る作業機械の故障予測方法を示すフロー図である。 図２０中のステップＳ５’の詳細を示すフロー図である。 累積故障確率と水分量との関係を示す図である。 生存率と稼動可能な時間との関係を示す図である。 生存率と水分量との関係を示す図である。

以下、図面を参照して本発明に係る作業機械の故障予測システム及び作業機械の故障予測方法の実施形態について説明する。本明細書及び図面において、実質的に同一の機能又は構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。

[第１実施形態]
図１は第１実施形態に係る作業機械の故障予測システムの構成を示す概略図である。本実施形態の作業機械の故障予測システム１は、作業機械に備え付けられた燃料タンク内に混入した水分を監視し、水分に起因した作業機械の故障を予測し、予測した結果を作業員、サービス員、ユーザなどに知らせるシステムである。図１に示すように、作業機械の故障予測システム１は、主に、作業機械（ここでは油圧ショベル）２と、作業機械２と通信可能な通信衛星３と、通信衛星３と通信可能な基地局４と、回線網５を介して接続されたユーザ端末６、携帯端末７及び管理サーバ１０とを備えている。

作業機械２は、製造業者（メーカー）の工場から出荷され、土木作業、建設作業、解体作業、浚渫作業等が行われる作業現場において所定のユーザ（例えば、作業機械の所有者やレンタル契約者）に使用されている。図示しないが、作業機械２は内燃機関を有し、作業機械２の内部には燃料タンク２０が備え付けられている。また、作業機械２には、通信衛星３と通信するための通信アンテナが配置されている。

また、作業機械２は、機械識別装置１１、現在位置取得装置１２、燃料残量検出装置１３及び稼動時間検出装置１４を備えている（図２参照）。機械識別装置１１は、作業機械２を識別する装置である。例えば、機械識別装置１１は、作業機械２の機種や製造番号などに基づいて作業機械２の識別を行う。なお、機種としては、例えばＥ０１、Ｅ０２、Ｅ０３…等のようなものである。

現在位置取得装置１２は、作業機械２の地図上の現在位置情報（Ｂ）を取得するものであり、ＧＰＳ(全地球測位システム）等を用いることができる。現在位置取得装置１２としてＧＰＳを用いる場合には、ＧＰＳを作業機械２に配置することにより、地図上の現在位置を取得することができる。

燃料残量検出装置１３は、燃料タンク内の燃料残量を測定するものであり、フロート式、圧力式、静電容量式、超音波式などの水位測定装置を用いることができる。稼動時間検出装置１４は、作業機械２の稼動時間を検出するものであり、アワーメータなどを用いることができる。また、稼動時間検出装置１４は、作業機械２の製造後の経過時間を検出してもよい。

そして、作業機械２は、機械識別装置１１で識別した機械情報（Ａ）、現在位置取得装置１２で取得した現在位置情報（Ｂ）、燃料残量検出装置１３で検出した燃料残量情報（Ｃ）及び稼動時間検出装置１４で検出した稼動時間情報（Ｄ）を、通信衛星３、基地局４及び回線網５を介して管理サーバ１０に送信することができる。

管理サーバ１０は、作業機械の故障予測システム１を構成するメインのコンピュータであり、作業機械２のメーカーの本社、支社、工場、或いは管理センタに設置されている。この管理サーバ１０は、演算を実行するＣＰＵ(Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ)と、演算のためのプログラムを記憶した二次記憶装置としてのＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、演算経過の保存や一時的な制御変数を保存する一時記憶装置としてのＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）とを組み合わせてなるマイクロコンピュータにより構成されており、記憶されたプログラムの実行によって燃料タンクの空き容量の算出、燃料タンク内の水分量の算出、稼動可能な時間の算出、燃料タンクのメンテナンスの要否、報知装置１９への駆動等を行う。

図２は管理サーバの構成を示すブロック図である。図２に示すように、管理サーバ１０は、主に、サーバ内記憶領域２４、タンク内水分量演算部２５、タンク内水分量更新部２６、稼働可能時間演算部２７及びメンテナンス要否判定部２８を備えている。そして、サーバ内記憶領域２４は、機械構成データ記憶部１５と、気象データ記憶部１６と、積算水分量記憶部１７と、予測データ記憶部１８とを有する。

機械構成データ記憶部１５は、機械識別装置１１で認識した作業機械２の製造番号に対応する、機種Ｅ０１、Ｅ０２、Ｅ０３、・・・と、燃料タンクの容量Ｅ１１、Ｅ１２、Ｅ１３、・・・と、燃料タンクの材質（及びその材質の物性値）Ｅ２１、Ｅ２２、Ｅ２３、・・・とを記憶している。そして、機械構成データ記憶部１５は、記憶した機種構成データ（Ｅ）をタンク内水分量演算部２５に出力できるようになっている。

気象データ記憶部１６は、現在位置取得装置１２で取得した作業機械２の現在位置での気象データを記憶するものである。気象データには、外気の最高温度（すなわち、最高気温）、外気の最低温度（すなわち、最低気温）、相対湿度、露点温度等が含まれている。図示しないが、気象データ記憶部１６は、気象庁等で公開されている気象データベースに接続できるものであってもよい。そして、気象データ記憶部１６は、記憶した気象データ（Ｆ）をタンク内水分量演算部２５に出力できるようになっている。

なお、本実施形態では、作業機械２に各センサを設置して、最高気温、最低気温、相対湿度、露点温度等を直接測定し、測定した各データを通信衛星３、基地局４及び回線網５を介して気象データ記憶部１６に送信して該気象データ記憶部１６に記憶させるようになってもよい。

積算水分量記憶部１７は、現時点までの燃料タンク内の水分量の平均値や累積値を記憶している。この積算水分量記憶部１７は、記憶した水分量データ（Ｇ）をタンク内水分量更新部２６に出力できるようになっている。

予測データ記憶部１８は、燃料タンク内に混入した水分に起因した作業機械２の故障を予測するための各データを記憶するものである。予測データには、水分に起因した過去の故障データに基づいて作成された作業機械の稼動可能な時間と水分量との関係（以下、単に「稼動可能な時間と水分量との関係」という）、作業機械の累積故障確率と水分量との関係（以下、単に「累積故障確率と水分量との関係」という）、作業機械の生存率と稼動可能な時間との関係（以下、単に「生存率と稼動可能な時間との関係」という）、又は作業機械の生存率と水分量との関係（以下、単に「生存率と水分量との関係」という）等が含まれている。これらの関係は図、式または表の形で予測データ記憶部１８に記憶されている。そして、この予測データ記憶部１８は、記憶した予測データ（Ｈ）を稼働可能時間演算部２７に出力できるようになっている。

なお、稼動可能な時間に関わる関係式または表では平均水分量が使用され、累積故障確率や生存率に関わる関係式または表では累積水分量（すなわち、積算水分量）が使用される。稼動可能な時間と水分量（すなわち、平均水分量）との関係の例として、例えば図１２に示すものがある。図１２に示す関係を利用して、水分量から稼動可能な時間を求めることができる。

一方、累積故障確率と水分量（すなわち、累積水分量）との関係の例として、例えば図２２に示すものがある。図２２に示す関係を利用して、累積故障確率から水分量を求めることができる。更に、平均水分量をパラメータとした生存率と稼動可能な時間との関係の例として、例えば図２３に示すものがある。図２３に示す関係を利用して、平均水分量と生存率から稼動可能な時間を求めることができる。更に、生存率と水分量（すなわち、累積水分量）との関係の例として、例えば図２４に示すものがある。図２４に示す関係を利用して、水分量から生存率を求めることができる。

タンク内水分量演算部２５は、燃料タンク内の燃料の残量を取得し、取得した燃料の残量と気象データ記憶部１６で記憶した気象データと機械構成データ記憶部１５で記憶した燃料タンクの材質に基づいて、燃料タンク内の水分量を算出する。より具体的には、タンク内水分量演算部２５は、機械構成データ記憶部１５から機種構成データ（Ｅ）、気象データ記憶部１６から気象データ（Ｆ）、燃料残量検出装置１３から燃料残量情報（Ｃ）をそれぞれ取り込み、取り込んだこれらの情報に基づいて燃料タンク内の水分量を算出する。更に、タンク内水分量演算部２５は、算出した燃料タンク内の水分量をタンク内水分量更新部２６に出力する。

タンク内水分量更新部２６は、タンク内水分量演算部２５から燃料タンク内の水分量、積算水分量記憶部１７から水分量データ（Ｇ）（例えば、過去の燃料タンク内の水分量の平均値又は累積値）をそれぞれ取り込み、取り込んだこれらのデータを加算し、その加算した結果をタンク内の新しい水分量として更新する。更に、タンク内水分量更新部２６は、更新した水分量を積算水分量記憶部１７に記憶させるとともに、更新した水分量を稼働可能時間演算部２７に出力する。

稼働可能時間演算部２７は、タンク内水分量更新部２６から更新した水分量、予測データ記憶部１８から予測データ（Ｈ）をそれぞれ取り込み、取り込んだこれらのデータに基づいて作業機械２の稼動可能な時間を算出し、算出した稼動可能な時間をメンテナンス要否判定部２８に出力する。なお、上述したように、予測データ（Ｈ）には稼動可能な時間と水分量との関係、累積故障確率と水分量との関係、生存率と稼動可能な時間との関係、生存率と水分量との関係が含まれている。

メンテナンス要否判定部２８は、稼働可能時間演算部２７から稼動可能な時間、稼動時間検出装置１４から稼動時間情報（Ｄ）をそれぞれ取り込み、稼動可能な時間と稼動時間検出装置１４から取り込んだ稼動時間情報（Ｄ）とを比較することにより、部品の交換又はメンテナンスが必要か否か（すなわち、部品の交換時期又はメンテナンス時期に達したか否か）を判定する。そして、交換時期又はメンテナンス時期が必要と判定した場合、メンテナンス要否判定部２８は報知装置１９に対して駆動信号を出力する。

報知装置１９としては、ランプ、ブザーまたはモニタのような表示装置等を用いることができる。図１３は報知装置１９の設置例を示す図である。例えば、点灯時に燃料タンク内の水分量の累積値が所定の値に達したことを示すランプ３３が、水温計３１及び燃料計３２とともにモニタ３０に設定されている。作業員または管理者は、ランプ３３の消灯により部品がまだメンテナンス時期または交換時期に達していないことを知ることができ、ランプ３３の点灯によりメンテナンス時期または交換時期に達したことを知ることができる。これによって、作業機械の故障や寿命の低下を未然に防止することができる。また、報知装置１９として表示装置を用いる場合には、その画面上にメンテナンス状態・時期を表示させることができる。

更に、メンテナンス要否判定部２８の判定結果は、回線網５を介してユーザ側のユーザ端末６と、サービス員側の携帯端末７にそれぞれ送信され、ユーザとサービス員に知らせる。このようにすれば、作業機械２のユーザはユーザ端末６を介し、サービス員は携帯端末７を介して部品の交換時期又はメンテナンス時期をそれぞれ容易に把握することができる。そして、部品の交換又はメンテナンスが必要の場合、サービス員は迅速に部品の交換又はメンテナンスを行うことができるので、作業機械２の安定した稼動を実現することが可能になる。なお、携帯端末７としては、例えばスマートフォン、タブレット端末、携帯電話、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄａｔａ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）などが挙げられる。

以下、図３～図１２に基づいて作業機械の故障予測システム１を用いた作業機械の故障予測方法を説明する。図３は第１実施形態に係る作業機械の故障予測方法を示すフロー図である。なお、図３に示すフロー図の詳細フローを図４、６、８、１０、１１に示す。

まず、ステップＳ１では、管理サーバ１０は、機械情報（Ａ）の取り込み及び機種構成データ（Ｅ）の取り込みを行う。具体的には、図４に示すように、管理サーバ１０は、機械識別装置１１から機械情報（Ａ）の取り込み（ステップＳ１１参照）を行った後、機械構成データ記憶部１５にアクセスして、先に取り込まれた機械情報（Ａ）と機械構成データ記憶部１５に記憶された機種構成データ（Ｅ）とを照合する（ステップＳ１２参照）。

次に、管理サーバ１０は、機械情報（Ａ）に対応する機種構成データを抽出し（ステップＳ１３参照）、燃料タンクの容量Ｖｔａｎｋ、燃料タンクの材質（及びその材質の物性値、例えば放射率ε）をそれぞれ取り込む（ステップＳ１４参照）。なお、このステップＳ１４は、特許請求の範囲に記載の「材質取り込みステップ」に相当するものである。

図５は機械構成データ記憶部に記憶された機種構成データの一例を示す図である。図５に示すように、機械構成データ記憶部１５には、例えば機種Ｅ０１に対応する燃料タンク容量Ｅ１１及び燃料タンク材質（放射率）Ｅ２１、機種Ｅ０２に対応する燃料タンク容量Ｅ１２及び燃料タンク材質（放射率）Ｅ２２、機種Ｅ０３に対応する燃料タンク容量Ｅ１３及び燃料タンク材質（放射率）Ｅ２３、…がそれぞれ記憶されている。

ステップＳ１に続くステップＳ２では、管理サーバ１０は、現在位置情報（Ｂ）の取り込み及び気象データ（Ｆ）の取り込みを行う。具体的には、図６に示すように、管理サーバ１０は、現在位置取得装置１２から現在位置情報（Ｂ）の取り込み（ステップＳ２１参照）を行った後、気象データ記憶部１６にアクセスし、先に取り込まれた現在位置情報（Ｂ）と気象データ記憶部１６に記憶された気象データ（Ｆ）とを照合し（ステップＳ２２参照）、現在位置情報（Ｂ）に対応する気象データ（Ｆ）を取り込む（ステップＳ２３参照）。これによって、気象データ(Ｆ)に含まれる最低気温Ｔｌｏｗ、最高気温Ｔｈｉｇｈ、相対湿度ＲＨ、露点温度Ｔｄｅｗがそれぞれ取り込まれる（ステップＳ２４参照）。なお、ステップＳ２３～Ｓ２４は特許請求の範囲に記載の「気象データ取り込みステップ」に相当するものである。

図７は気象データ記憶部に記憶された気象データの一例を示す図である。図７に示すように、気象データ記憶部１６には、例えば位置Ｆ０１，Ｆ０２，Ｆ０３，…にそれぞれ対応する最低気温Ｆ１１，Ｆ１２，Ｆ１３，…、最高気温Ｆ２１，Ｆ２２，Ｆ２３，…、相対湿度Ｆ３１，Ｆ３２，Ｆ３３，…、露点温度Ｆ４１，Ｆ４２，Ｆ４３，…がそれぞれ記憶されている。なお、これらのデータは、時間平均値、日平均値、月平均値等複数のデータとして記憶されてもよい。

ステップＳ２に続くステップＳ３では、タンク内水分量演算部２５は、燃料残量情報（Ｃ）の取り込み及び燃料タンクの空き容量の算出を行う。具体的には、図８に示すように、タンク内水分量演算部２５は、燃料残量検出装置１３により検出し出力された燃料残量Ｖｌｉｑ情報（Ｃ）を取り込み（ステップＳ３１参照）、上記ステップＳ１４で取り込んだ燃料タンクの容量Ｖｔａｎｋを読み出す（ステップＳ３２参照）。次に、タンク内水分量演算部２５は、燃料タンクの空き容量ＶａｉｒをＶａｉｒ＝Ｖｔａｎｋ－Ｖｌｉｑで算出し（ステップＳ３３及び図９参照）、算出した燃料タンクの空き容量Ｖａｉｒを書き出す（ステップＳ３４参照）。

図９は燃料タンクを示す模式断面図である。図９に示すように、燃料タンク２０は、内部に燃料を貯蔵する貯蔵空間を有する箱状に形成されている。燃料タンク２０の上部には戻り管２１と、燃料タンク２０の底部には吸入管２２とがそれぞれ設けられている。また、燃料タンク２０の内部には、貯蔵される燃料の残量を測定するためのフロート式水位計２３が取り付けられている。このフロート式水位計２３は、上記燃料残量検出装置１３の一部であり、測定した結果を燃料残量検出装置１３に出力するように構成されている。なお、ここで、フロート式水位計２３に代えて、圧力式水位計、静電容量式水位計、超音波式水位計などを用いてもよい。

ステップＳ３に続くステップＳ４では、タンク内水分量演算部２５は、燃料タンク内の水分量の算出を行う。より具体的には、図１０に示すように、タンク内水分量演算部２５は、まず上記ステップで取り込まれた燃料タンクの空き容量Ｖａｉｒ、燃料タンクの材質（放射率ε）、最低気温Ｔｌｏｗ、相対湿度ＲＨ、及び露点温度Ｔｄｅｗを読み出す（ステップＳ４１参照）。

作業機械が夜間屋外に放置された場合、作業機械の温度は放射冷却の影響で外気温以下に低下する。放射冷却により低下する温度Ｔｓｏｌａｉｒ(相当外気温度)は、燃料タンク材質の放射率ε、最低気温Ｔｌｏｗ、相対湿度ＲＨの関数ｆ１（ε、Ｔｌｏｗ、ＲＨ）で算出される（ステップＳ４２参照）。また、燃料タンク内に存在する単位体積あたりの水分量Ｑｕｎｉｔは、相当外気温度Ｔｓｏｌａｉｒと露点温度Ｔｄｅｗの関数ｆ２（Ｔｓｏｌａｉｒ、Ｔｄｅｗ）で算出される（ステップＳ４３参照）。そして、燃料タンク内の水分量Ｑｔａｎｋ’は、単位体積あたりの水分量Ｑｕｎｉｔに燃料タンクの空き容量Ｖａｉｒを掛け合わせて（すなわち、Ｑｔａｎｋ’＝Ｖａｉｒ・Ｑｕｎｉｔ）算出される（ステップＳ４４参照）。なお、このステップＳ４は、特許請求の範囲に記載の「タンク内水分量演算ステップ」に相当するものである。

ステップＳ４に続くステップＳ５では、稼働可能時間演算部２７は、稼動可能な時間の算出を行う。まず、図１１に示すように、タンク内水分量更新部２６は、上記ステップで算出した燃料タンク内の水分量Ｑｔａｎｋ’を読み出し（ステップＳ５１参照）、次に積算水分量記憶部１７から出力される水分量データ（Ｇ）（すなわち、Ｑｔａｎｋ）を取り込み（ステップＳ５２参照）、それに算出した燃料タンク内の水分量Ｑｔａｎｋ’を加算して該水分量データを更新する（ステップＳ５３参照）。

次に、稼働可能時間演算部２７は、予測データ記憶部１８から出力される予測データ（Ｈ）を取り込み（ステップＳ５４参照）、取り込んだ予測データ（Ｈ）に基づき、上記更新した水分量から作業機械の稼動可能な時間Ｔｌｉｍｉｔを算出する（ステップＳ５５参照）。

図１２は予測データの一例である、稼動可能な時間と水分量との関係を示す図である。図１２に示す稼動可能な時間と水分量との関係は、例えば実環境での故障に至るまでの作業機械の稼動時間と本方法で算出した燃料タンク内の水分量データの近似式が採用される。そして、稼働可能時間演算部２７は、図１２に示す稼動可能な時間と水分量との関係を利用して、更新した水分量（Ｑｔａｎｋ）から作業機械の稼動可能な時間Ｔｌｉｍｉｔを算出する。なお、稼動可能な時間と水分量との関係は、図１２に示す線図のほか、式又は表（マップ）を用いてもよい。

また、予測データ（Ｈ）として、上述した稼動可能な時間と水分量との関係のほか、図２２に示す累積故障確率と水分量との関係、又は図２３に示す平均水分量をパラメータとした生存率と稼動可能な時間との関係、或いは図２４に示す生存率と水分量との関係を用いてもよい。このような様々な関係を用いることで、様々な観点から作業機械の稼動可能な時間又は稼動可能な水分量を算出することができるとともに、算出精度及び予測精度の向上を図ることができる。

ステップＳ５に続くステップＳ６では、メンテナンス要否判定部２８は、稼動時間検出装置１４から出力される稼動時間情報（Ｄ）の取り込みを行う。ここで、稼動時間をＴｏｐで示す。続いて、メンテナンス要否判定部２８は、稼動時間Ｔｏｐと上記ステップＳ５で算出した稼動可能な時間Ｔｌｉｍｉｔを対比し、作業機械の故障を予測する。本実施形態では、メンテナンス要否判定部２８は、稼動時間Ｔｏｐと上記ステップＳ５で算出した稼動可能な時間Ｔｌｉｍｉｔを比較し、比較した結果に基づいて部品の交換又はメンテナンスの実施が必要な否かを判定する（ステップＳ７参照）。

具体的には、稼動時間が稼動可能な時間に達している（Ｔｏｐ≧Ｔｌｉｍｉｔ）と判定した場合、メンテナンス要否判定部２８は、報知装置１９に駆動信号を出力し（ステップＳ８参照）、作業員又は管理者に部品の交換又はメンテナンス等を実施するように注意を促す。一方、稼動時間が稼動可能な時間に達していない（すなわち、Ｔｏｐ＜Ｔｌｉｍｉｔ）と判定した場合、処理はステップＳ１に戻って上述の各ステップが繰り返される。

なお、上記ステップＳ５～Ｓ７は、特許請求の範囲に記載の「メンテナンス要否判定ステップ」に相当するものである。

以上のように構成された作業機械の故障予測システム１では、タンク内水分量演算部２５は、燃料タンク内の燃料の残量を取得し、取得した燃料の残量と気象データ記憶部１６で記憶した気象データと機械構成データ記憶部１５で記憶した燃料タンクの材質（放射率ε）に基づいて燃料タンク内の水分量を算出しており、メンテナンス要否判定部２８はタンク内水分量演算部２５で算出した水分量に基づいて燃料タンクのメンテナンスの要否を判定するので、燃料タンクの水分を簡単に監視することができ、混入した水分に起因した故障を容易に予測することができる。その結果、混入した水分に起因した故障が起きる前に部品の交換や脱水フィルタ交換などの対策を講じることができるので、作業機械の安定した稼動を実現することができる。

一方、本実施形態に係る作業機械の故障予測方法では、気象データ記憶部１６で記憶した気象データ、燃料残量検出装置１３で検出した燃料の残量、及び機械構成データ記憶部１５で記憶した燃料タンクの材質（放射率ε）に基づいて燃料タンク内の水分量が算出され、算出された水分量に基づいて燃料タンクのメンテナンスの要否が判定されるので、燃料タンクの水分を簡単に監視することができることともに、混入した水分に起因した故障を容易に予測することができる。加えて、上記ステップＳ７において、稼動時間Ｔｏｐと稼動可能な時間Ｔｌｉｍｉｔを比較することにより、部品の交換又はメンテナンスの実施が必要な否かが判定されるので、混入した水分に起因した故障が起きる前に部品の交換や脱水フィルタ交換などの対策を講じることができ、作業機械の安定した稼動を実現することが可能になる。

［第２実施形態］
以下、図１４～図１６を参照して作業機械の故障予測システム及び作業機械の故障予測方法の第２実施形態を説明する。本実施形態の作業機械の故障予測システム及び作業機械の故障予測方法は、タンク内水分量演算部２５が燃料消費量に基づき水分量を算出する点において、上記第１実施形態と相違している。以下、その相違点のみを説明する。

図１４は第２実施形態に係る作業機械の故障予測方法を示すフロー図である。図１４に示すように、本実施形態の作業機械の故障予測方法は、ステップＳ３’及びステップＳ４’において第１実施形態と異なっている。すなわち、ステップＳ３’では、タンク内水分量演算部２５は燃料残量情報（Ｃ）の取り込み及び燃料消費量の算出を行う。具体的には、図１５に示すように、タンク内水分量演算部２５は、まず燃料残量検出装置１３から出力された燃料残量Ｖｌｉｑ情報（Ｃ）を取り込む（ステップＳ３１’参照）。

次に、タンク内水分量演算部２５は、前回取り込んだ燃料残量情報Ｖｌｉｑ１を用いて、燃料の消費量をΔＶｌｉｑ＝Ｖｌｉｑ１－Ｖｌｉｑ２で算出し（ステップＳ３２’参照）、算出した燃料の消費量ΔＶｌｉｑを書き出す（ステップＳ３３’参照）。なお、ここでのＶｌｉｑ２はステップＳ３１’で取り込んだ燃料残量Ｖｌｉｑである。

そして、ステップＳ３’に続くステップＳ４’では、タンク内水分量演算部２５は、燃料消費量から燃料タンク内の水分量を算出する。具体的には、図１６に示すように、タンク内水分量演算部２５は、まず燃料の消費量ΔＶｌｉｑ、燃料タンクの材質（放射率ε）、最低気温Ｔｌｏｗ、相対湿度ＲＨ、及び露点温度Ｔｄｅｗを読み出す（ステップＳ４１’参照）。

次に、タンク内水分量演算部２５は、放射冷却により低下する温度Ｔｓｏｌａｉｒ(相当外気温度)を燃料タンク材質の放射率ε、最低気温Ｔｌｏｗ、相対湿度ＲＨの関数ｆ１（ε、Ｔｌｏｗ、ＲＨ）で算出し（ステップＳ４２’参照）、更に燃料タンク内に存在する単位体積あたりの水分量Ｑｕｎｉｔを相当外気温度Ｔｓｏｌａｉｒと露点温度Ｔｄｅｗの関数ｆ２（Ｔｓｏｌａｉｒ、Ｔｄｅｗ）で算出する（ステップＳ４３’参照）。

次に、タンク内水分量演算部２５は、燃料タンク内の水分量Ｑｔａｎｋ’を、単位体積あたりの水分量Ｑｕｎｉｔに燃料消費量ΔＶｌｉｑを掛け合わせて（すなわち、Ｑｔａｎｋ’＝ΔＶｌｉｑ・Ｑｕｎｉｔ）算出する（ステップＳ４４’参照）。

本実施形態に係る作業機械の故障予測システム及び作業機械の故障予測方法は、上記第１実施形態と同様な作用効果を得られるとともに、高い稼動率でかつ燃料消費量が多い作業機械を管理するのに好適である。すなわち、高い稼動率でかつ燃料消費量が多い作業機械の場合、燃料消費に伴い燃料タンク内が負圧になりやすく、燃料タンク内外の圧力を平衡させるため、燃料の消費分の外気が燃料タンク内に流入することになる。そして、本実施形態に係る作業機械の故障予測システム及び作業機械の故障予測方法を採用することで、燃料タンクの水分をより好適に監視することができることともに、混入した水分に起因した故障を容易に予測することができる。

［第３実施形態］
以下、図１７～図１９を参照して作業機械の故障予測システム及び作業機械の故障予測方法の第３実施形態を説明する。本実施形態の作業機械の故障予測システム及び作業機械の故障予測方法は、タンク内水分量演算部２５が呼吸作用による燃料タンク内への外気吸入量（以下、単に「呼吸作用吸入量」という）に基づき水分量を算出する点において、上記第１実施形態と相違している。以下、その相違点のみを説明する。

図１７は第３実施形態に係る作業機械の故障予測方法を示すフロー図である。図１７に示すように、本実施形態の作業機械の故障予測方法は、ステップＳ３”及びステップＳ４”において第１実施形態と異なっている。すなわち、ステップＳ３”では、タンク内水分量演算部２５は燃料タンクの空き容量の算出及び呼吸作用吸入量の算出を行う。具体的には、図１８に示すように、タンク内水分量演算部２５は、上記ステップＳ２で取り込んだ最低気温Ｔｌｏｗ及び最高気温Ｔｈｉｇｈを読み出すとともに、燃料タンクの空き容量Ｖａｉｒを算出する（ステップＳ３１”参照）。燃料タンクの空き容量Ｖａｉｒは、上記第１実施形態で述べたステップＳ３と同じようにＶａｉｒ＝Ｖｔａｎｋ－Ｖｌｉｑで算出することができるので、その詳細説明を省略する。

次に、タンク内水分量演算部２５は、呼吸作用吸入量Ｖｒｅｓｐを、最低気温Ｔｌｏｗ、最高気温Ｔｈｉｇｈ、燃料タンク２０の空き容量Ｖａｉｒの関数ｆ３（Ｔｌｏｗ、Ｔｈｉｇｈ、Ｖａｉｒ）で算出し（ステップＳ３２”参照）、算出した呼吸作用吸入量Ｖｒｅｓｐを書き出す（ステップＳ３３”参照）。なお、ここでの呼吸作用とは、燃料タンク内の温度変化による空気の体積変化を意味する。

そして、ステップＳ３”に続くステップＳ４”では、タンク内水分量演算部２５は、呼吸作用吸入量Ｖｒｅｓｐから燃料タンク内の水分量を算出する。具体的には、図１９に示すように、タンク内水分量演算部２５は、まず呼吸作用吸入量Ｖｒｅｓｐ、燃料タンクの材質（放射率ε）、最低気温Ｔｌｏｗ、相対湿度ＲＨ、及び露点温度Ｔｄｅｗを読み出す（ステップＳ４１”参照）。

次に、タンク内水分量演算部２５は、放射冷却により低下する温度Ｔｓｏｌａｉｒ(相当外気温度)を燃料タンク材質の放射率ε、最低気温Ｔｌｏｗ、相対湿度ＲＨの関数ｆ１（ε、Ｔｌｏｗ、ＲＨ）で算出し（ステップＳ４２”参照）、更に燃料タンク内に存在する単位体積あたりの水分量Ｑｕｎｉｔを相当外気温度Ｔｓｏｌａｉｒと露点温度Ｔｄｅｗの関数ｆ２（Ｔｓｏｌａｉｒ、Ｔｄｅｗ）で算出する（ステップＳ４３”参照）。

次に、タンク内水分量演算部２５は、燃料タンク内の水分量Ｑｔａｎｋ’を、単位体積あたりの水分量Ｑｕｎｉｔに呼吸作用吸入量Ｖｒｅｓｐを掛け合わせて（すなわち、Ｑｔａｎｋ’＝Ｖｒｅｓｐ・Ｑｕｎｉｔ）算出する（ステップＳ４４”参照）。

本実施形態に係る作業機械の故障予測システム及び作業機械の故障予測方法は、上記第１実施形態と同様な作用効果を得られるとともに、低い稼動率でかつ燃料消費量が少ない作業機械を管理するのに好適である。すなわち、作業機械の稼動率が低くても、昼夜の温度変化で呼吸作用により外気がタンク内に侵入する。そして、本実施形態に係る作業機械の故障予測システム及び作業機械の故障予測方法を採用することで、燃料タンクの水分をより好適に監視することができることともに、混入した水分に起因した故障を容易に予測することができる。なお、燃料タンク内の水分量を算出するにあたり、第１実施形態に示した燃料タンク空き容量Ｖａｉｒ、第２実施形態に示した燃料消費量ΔＶｌｉｑ、第３実施形態に示した呼吸作用吸入量Ｖｒｅｓｐを２種類以上組み合わせた値を使用しても良い。

［第４実施形態］
以下、図２０～図２２を参照して作業機械の故障予測システム及び作業機械の故障予測方法の第４実施形態を説明する。本実施形態の作業機械の故障予測システム及び作業機械の故障予測方法は、管理サーバ１０が累積故障確率と水分量との関係を利用し水分量を算出する点において、上記第１実施形態と相違している。以下、その相違点のみを説明する。

図２０は第４実施形態に係る作業機械の故障予測方法を示すフロー図である。図２０に示すように、本実施形態の作業機械の故障予測方法は、ステップＳ３’～ステップＳ７’において第１実施形態と異なっている。なお、ステップＳ３’及びステップＳ４’は上記第２実施形態と同様であるので、その詳細説明を省略する。

一方、ステップＳ５’では、管理サーバ１０は稼動可能な水分量の算出を行う。具体的には、図２１に示すように、タンク内水分量更新部２６は、まずステップＳ４４’（図１６参照）で算出した燃料タンク内の水分量Ｑｔａｎｋ’を読み出し（ステップＳ５１’参照）、次に積算水分量記憶部１７から出力される水分量データ（Ｇ）（すなわち、Ｑｔａｎｋ）を取り込み（ステップＳ５２’参照）、それに算出した燃料タンク内の水分量Ｑｔａｎｋ’を加算して該水分量データを更新する（ステップＳ５３’参照）。

更に、管理サーバ１０は、予測データ記憶部１８から出力される予測データ（Ｈ）を取り込む（ステップＳ５４’参照）。本実施形態において、予測データ（Ｈ）は図２２に示す累積故障確率と水分量（すなわち、累積水分量）との関係が用いられる。図２２に示す累積故障確率と水分量との関係は、例えば実環境での故障に至るまでの累積故障確率と水分量データの近似式が採用される。

そして、管理サーバ１０は、図２２に示す累積故障確率と水分量との関係を利用して、累積故障確率から稼動可能な水分量Ｑｌｉｍｉｔを算出する（ステップＳ５５’参照）。より具体的には、管理サーバ１０は、想定した累積故障確率（例えば５０％）に対応した水分量の許容値を稼動可能な水分量Ｑｌｉｍｉｔとして算出する。なお、作業機械の部品のメンテナンス基準は、累積故障確率によって決定されるので、累積故障確率を変えることでメンテナンスの管理基準を変更することができる。

ステップＳ５’に続くステップＳ６’では、メンテナンス要否判定部２８は、ステップＳ５３’で更新した水分量と、ステップＳ５５’で算出した稼動可能な水分量Ｑｌｉｍｉｔを対比し、水分量が稼動可能な水分量に達しているか否かを判定する（ステップＳ６’参照）。そして、水分量が稼動可能な水分量に達していると判定した場合、メンテナンス要否判定部２８は、報知装置１９に駆動信号を出力し（ステップＳ７’参照）、作業員又は管理者に部品の交換又はメンテナンス等を実施するように注意を促す。一方、水分量が稼動可能な水分量に達していないと判定した場合、処理はステップＳ１に戻って上述の各ステップが繰り返される。

本実施形態に係る作業機械の故障予測システム及び作業機械の故障予測方法は、上記第１実施形態と同様な作用効果を得られるとともに、累積故障確率と水分量との関係を用いて作業機械の稼動可能な水分量を算出することができ、算出精度及び予測精度の向上を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１ 作業機械の故障予測システム
２ 作業機械
１０ 管理サーバ
１１ 機械識別装置
１２ 現在位置取得装置
１３ 燃料残量検出装置
１４ 稼動時間検出装置
１５ 機械構成データ記憶部
１６ 気象データ記憶部
１７ 積算水分量記憶部
１８ 予測データ記憶部
１９ 報知装置
２０ 燃料タンク
２４ サーバ内記憶領域
２５ タンク内水分量演算部
２６ タンク内水分量更新部
２７ 稼働可能時間演算部
２８ メンテナンス要否判定部

Claims (10)

1. 燃料タンクが備え付けられた作業機械の故障予測を行う作業機械の故障予測システムであって、
   作業機械の現在位置での気象データを記憶する気象データ記憶部と、
   少なくとも燃料タンクの材質を記憶する機械構成データ記憶部と、
   燃料タンク内の燃料の残量を取得し、取得した燃料の残量と前記気象データ記憶部で記憶した気象データと前記機械構成データ記憶部で記憶した燃料タンクの材質に基づいて、燃料タンク内の水分量を算出するタンク内水分量演算部と、
   前記タンク内水分量演算部で算出した水分量に基づいて燃料タンクのメンテナンスの要否を判定するメンテナンス要否判定部と、
   を備えることを特徴とする作業機械の故障予測システム。
2. 前記メンテナンス要否判定部は、作業機械の過去の故障データに基づいて予め作成された稼動可能な時間と水分量との関係、累積故障確率と水分量との関係、生存率と稼動可能な時間との関係、及び生存率と水分量との関係のいずれかに基づいて、燃料タンクのメンテナンスの要否を判定する請求項１に記載の作業機械の故障予測システム。
3. 前記タンク内水分量演算部は、取得した燃料の残量に基づいて燃料タンクの空き容量を算出し、算出した燃料タンクの空き容量に基づいて燃料タンク内の水分量を算出する請求項１又は２に記載の作業機械の故障予測システム。
4. 前記タンク内水分量演算部は、取得した燃料の残量に基づいて燃料の消費量を算出し、算出した燃料の消費量に基づいて燃料タンク内の水分量を算出する請求項１又は２に記載の作業機械の故障予測システム。
5. 前記タンク内水分量演算部は、取得した燃料の残量に基づいて燃料タンクの空き容量を算出し、算出した燃料タンクの空き容量に基づいて呼吸作用による燃料タンク内への外気吸入量を算出し、算出した呼吸作用による燃料タンク内への外気吸入量に基づいて燃料タンク内の水分量を算出する請求項１又は２に記載の作業機械の故障予測システム。
6. 燃料タンクが備え付けられた作業機械の故障予測を行う作業機械の故障予測方法であって、
   前記作業機械の外部に設置された管理サーバが、
   燃料タンクの材質を取り込む材質取り込みステップと、
   作業機械の現在位置での気象データを取り込む気象データ取り込みステップと、
   燃料タンク内の燃料の残量を取得し、取得した燃料の残量と、前記材質取り込みステップで取り込んだ燃料タンクの材質と、前記気象データ取り込みステップで取り込んだ気象データに基づいて、燃料タンク内の水分量を算出するタンク内水分量演算ステップと、
   前記タンク内水分量演算ステップで算出した水分量に基づいて燃料タンクのメンテナンスの要否を判定するメンテナンス要否判定ステップと、
   を実行することを特徴とする作業機械の故障予測方法。
7. 前記メンテナンス要否判定ステップにおいて、前記管理サーバは、作業機械の過去の故障データに基づいて予め作成された稼動可能な時間と水分量との関係、累積故障確率と水分量との関係、生存率と稼動可能な時間との関係、及び生存率と水分量との関係のいずれかに基づいて、燃料タンクのメンテナンスの要否を判定する請求項６に記載の作業機械の故障予測方法。
8. 前記タンク内水分量演算ステップにおいて、前記管理サーバは、取得した燃料の残量に基づいて燃料タンクの空き容量を算出し、算出した燃料タンクの空き容量に基づいて燃料タンク内の水分量を算出する請求項６又は７に記載の作業機械の故障予測方法。
9. 前記タンク内水分量演算ステップにおいて、前記管理サーバは、取得した燃料の残量に基づいて燃料の消費量を算出し、算出した燃料の消費量に基づいて燃料タンク内の水分量を算出する請求項６又は７に記載の作業機械の故障予測方法。
10. 前記タンク内水分量演算ステップにおいて、前記管理サーバは、取得した燃料の残量に基づいて燃料タンクの空き容量を算出し、算出した燃料タンクの空き容量に基づいて呼吸作用による燃料タンク内への外気吸入量を算出し、算出した呼吸作用による燃料タンク内への外気吸入量に基づいて燃料タンク内の水分量を算出する請求項６又は７に記載の作業機械の故障予測方法。

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