KR20150095876A - 예후 및 건전성 관리를 위한 한도 기반 임계치 추정 - Google Patents

예후 및 건전성 관리를 위한 한도 기반 임계치 추정 Download PDF

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Abstract

일 실시예에 따르면, 장치의 동작을 모니터링하는 방법은 장치의 동작 조건을 지시하는 복수의 동작 파라미터를 결정하는 단계를 포함한다. 각각의 동작 파라미터와 그 파라미터에 대한 대응하는 한도 사이의 차이가 결정된다. 각각의 한도는 장치의 바람직하지 않은 동작 조건에 대응하는, 대응하는 동작 파라미터의 값을 지시한다. 결정된 차이들 중 적어도 최소 차이에 기초하여 액션 인덱스가 결정된다. 액션 인덱스가 장치의 바람직한 동작에 대응하는 범위 내에 있는지에 대한 결정이 행해진다.

Description

예후 및 건전성 관리를 위한 한도 기반 임계치 추정{LIMIT BASED THRESHOLD ESTIMATION FOR PROGNOSTICS AND HEALTH MANAGEMENT}
오늘날에는 다양한 복합 장치가 널리 사용되고 있다. 이러한 장치들 중 다수는 장치가 적절히 기능하는지 또는 장치의 동작에 관한 문제가 존재할 수 있는지를 지시하는 다양한 동작 파라미터들을 갖는다. 예를 들어, 연료 전지 시스템들은 소정의 성능 변수들에 대한 지정된 임계치 한도들을 갖는다. 예를 들어, 허용 가능한 동작 조건들 동안 연료 전지 시스템의 다양한 부분들에 대한 온도 한도들이 존재한다. 많은 연료 전지 시스템의 출력 전압 또는 전류에 대한 한도들도 존재한다.
언제 장치가 예상되는 또는 원하는 동작 상태로부터 벗어나는 조건들 하에서 동작하는지를 검출하기 위한 예후 및 건전성 관리(prognostics and health management, PHM) 및 주성분 분석(principle component analysis, PCA)에 대해 상당한 연구가 이루어졌다. 그러한 접근법들에 대한 하나의 한계는 분석이 동작 파라미터들에 대한 임계치 한도들에 기초하는 것이 아니라 장치의 정상 또는 기준선 동작에 대해 행해진다는 것이다.
일 실시예에 따르면, 장치의 동작을 모니터링하는 방법은 장치의 동작 조건을 지시하는 복수의 동작 파라미터를 결정하는 단계를 포함한다. 각각의 동작 파라미터와 그 파라미터에 대한 대응하는 한도 사이의 차이가 결정된다. 각각의 한도는 장치의 바람직하지 않은 동작 조건에 대응하는, 대응하는 동작 파라미터의 값을 지시한다. 결정된 차이들 중 적어도 최소 차이에 기초하여 액션 인덱스(action index)가 결정된다. 액션 인덱스가 장치의 바람직한 동작에 대응하는 범위 내에 있는지에 대한 결정이 행해진다.
일 실시예에 따르면, 장치 동작을 모니터링하기 위한 시스템은 장치의 동작 조건을 지시하는 동작 파라미터들의 각각의 지시를 제공하는 복수의 검출기를 포함한다. 시스템은 각각의 동작 파라미터와 그 파라미터에 대한 대응하는 한도 사이의 차이를 결정하도록 구성되는 프로세서를 포함한다. 한도들 각각은 장치의 바람직하지 않은 동작 조건에 대응하는, 대응하는 동작 파라미터의 값을 지시한다. 프로세서는 결정된 차이들 중 적어도 최소 차이에 기초하여 액션 인덱스를 결정하도록 구성된다. 프로세서는 액션 인덱스가 장치의 바람직한 동작에 대응하는 범위 내에 있는지를 결정하도록 구성된다.
개시되는 예시적인 실시예의 다양한 특징들 및 장점들이 아래의 상세한 설명으로부터 통상의 기술자에게 명백해질 것이다. 상세한 설명에 동반하는 도면들이 아래와 같이 간단히 설명될 수 있다.
도 1은 예시적인 장치의 동작을 모니터링하기 위한 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는 예시적인 접근법을 요약하는 흐름도이다.
도 3은 액션 인덱스와, 액션 인덱스와 관련된 가동중단(shutdown) 한도들 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 1은 장치(30)의 동작을 모니터링하기 위한 시스템(20)을 개략적으로 도시한다. 본 설명의 개시되는 시스템 및 방법은 임의의 특정 장치(30)로 제한될 필요는 없다. 도시된 예에서, 장치(30)는 연료 전지 파워 플랜트를 포함한다. 예시적인 연료 전지 파워 플랜트의 선택된 부분들이 설명의 목적을 위해 도시된다. 전지 스택 조립체(cell stack assembly, CSA)(32)가 공지 방식으로 전력을 생성하는 복수의 연료 전지를 포함한다. 연료(34)의 공급원이 CSA(32)에 연료를 공급한다. 냉각제 조립체(36)가 공지 방식으로 CSA의 온도를 제어하기 위해 냉각제를 선택적으로 제공한다.
장치(30)의 동작을 모니터링하기 위한 시스템(20)은 장치(30)의 동작 조건에 관한 지시를 제공하는 복수의 동작 파라미터를 검출하도록 배치되는 복수의 센서 또는 검출기를 포함한다. 도시된 예에서, 온도 센서(40)가 CSA(32)로부터의 배기의 온도의 지시를 제공한다. 다른 검출기(42)가 CSA(32) 내의 전압 또는 온도의 지시를 제공한다. 또 다른 검출기(44)가 연료 공급 시스템(34)에 의해 CSA(32)에 제공되는 연료의 함량 또는 양에 관한 지시를 제공한다. 또 다른 검출기(46)가 냉각제의 온도 또는 냉각제 내의 특정 성분의 농도에 관한 정보와 같은 냉각제 시스템(36)에 관한 정보를 제공한다. 또 다른 검출기(48)가 CSA(32)로부터 나오는 냉각제의 온도의 지시를 제공한다.
본 설명이 주어질 때, 관련된 특정 장치를 다루는 통상의 기술자는 그들이 다루고 있는 장치의 동작 조건을 모니터링하는 데 필요한 동작 파라미터 정보를 제공하도록 검출기들의 세트를 구성할 수 있을 것이다. 도시된 검출기들은 설명의 목적을 위해 제공된다. 개시되는 예시적인 실시예는 임의의 특정 장치 또는 임의의 특정 검출기 배열로 한정될 필요가 없다.
프로세서(50)가 장치(30)의 동작 조건을 모니터링하기 위한 정보를 검출기들(40-48)로부터 수집한다. 프로세서(50)에 의해 이루어진 결정들에 기초하여, 사용자 인터페이스(52)를 통해 사용자에게 출력이 제공된다. 출력은 장치(30)의 동작을 조정하거나 가동중단하기 위한 이유가 존재한다는 가시 또는 가청 경고 또는 소정의 지시일 수 있다. 특정 장치 및 모니터링되고 있는 조건들에 따라, 사용자 인터페이스(52)에 의해 제공되는 출력은 특정 상황의 요구를 충족시키도록 맞춤화될 수 있다.
도 2는 도 1의 장치(30)의 동작 조건을 모니터링하기 위한 예시적인 접근법을 요약하는 흐름도(60)를 포함한다. 62에서, 복수의 동작 파라미터가 결정된다. 이것은 검출기들(40-48)로부터 정보를 수집하여 프로세서(50) 내에서 정보를 처리하여 검출기 정보를 사용 가능한 형태가 되게 함으로써 이루어진다. 64에서, 각각의 동작 파라미터와 대응하는 한도 사이의 거리에 관한 결정이 행해진다. 일례에서, 거리는 대응하는 검출기에 의해 지시되는 동작 파라미터 값과 그러한 특정 파라미터에 대해 결정되는 한도 사이의 유클리드 거리(Euclidean distance)로서 결정된다. 연료 전지가 예시적인 장치(30)인 경우, 장치(30) 내의 다양한 구성요소들의 온도에 대한 한도들이 존재한다. 온도에 대한 허용 가능 한도들은 장치(30)의 적절한 동작을 보증하고 장치에 대한 원하는 수명의 달성을 용이하게 하기 위한 허용 가능 동작 파라미터들에 관한 공지 정보에 기초하여 결정된다. 특정 장치(30)가 주어지면, 문제의 동작 파라미터들에 대한 특정 한도들이 공지되거나, 특정 상황의 요구를 충족시키도록 결정될 수 있다.
개시되는 예가 이전의 PHM 기술들로부터 벗어나는 한 가지 방식은 관찰되는 동작 파라미터가 그 파라미터에 대한 기준선 또는 예상 값과 얼마나 많이 다른지를 결정하는 것이 아니라 동작 파라미터와 그 파라미터에 대한 한도 사이의 차이 또는 거리를 결정하는 것이다. 개시되는 예에서, 동작 파라미터들과 그들의 대응하는 한도들 사이의 거리 또는 차이를 고려하는 것은 장치(30)의 동작을 가동중단하기 위한 요구 또는 필요를 유발할 수 있는 조건의 빠른 경고의 획득을 가능하게 한다. 빠른 경고의 획득은 예를 들어 장치(30)를 가동중단해야 하기 전에 그의 조건을 더 주도적으로 다루는 것을 가능하게 한다. 개시되는 예의 접근법을 취하는 것의 또 하나의 특징은 그러한 접근법이 동작 파라미터들에 대한 한도들을 부과하는 임계치들을 더 관대하게 설정하는 것을 가능하게 하는 것이다. 특정 파라미터에 대한 한도가 충족될 때 장치가 가동중단되는 상황들에서, 그러한 한도들은 장치의 큰 장애를 방지하도록 엄격하게 설정되어야 한다. 개시되는 예의 접근법을 취하고, 동작 파라미터가 그 파라미터에 대한 한도에 접근하는 것에 대한 빠른 경고를 획득하는 것은 임계치 설정에 있어서 더 많은 여지를 제공하는데, 그 이유는 그 파라미터에 대한 절대 임계치가 충족되기 전에 장치의 동작 조건을 다루는 것이 가능해지기 때문이다.
각각의 동작 파라미터와 그의 대응하는 한도 사이의 거리가 결정되면, 프로세서(50)는 그러한 거리들 중 어느 거리가 최소인지를 결정한다. 즉, 프로세서(50)는 동작 파라미터들 중 어느 것이 그 파라미터에 대한 한도에 가장 가까운지를 식별한다.
66에서, 결정된 거리들 중 적어도 최소 거리에 기초하여 액션 인덱스가 결정된다. 일례에서, 액션 인덱스는 가동중단 인덱스를 포함한다. 장애를 방지하도록 장치를 가동중단하는 목적을 위해 장치 동작이 모니터링되는 상황에서, 액션 인덱스는 장치를 가동중단하기 위한 액션을 취하는 것과 관련된 정보를 제공한다. 많은 가운데 특히 냉각제 교체 인덱스, 재충전 인덱스, 연료 조정 인덱스와 같은 다른 가능한 액션 인덱스들이 존재한다. 설명의 목적을 위한 일례를 위해 가동중단 인덱스가 사용된다.
일례에서, 액션 인덱스는 수정된 관찰 값들에 기초하여 결정된다. 관찰된 동작 파라미터들 각각은 관찰된 동작 파라미터 값 및 그 값과 대응하는 한도 사이의 가중된 유클리드 거리를 결합함으로써 수정된다. 즉, 각각의 동작 파라미터에 대한 유클리드 거리가 가중치에 의해 곱해지고, 이어서 관찰된 파라미터 값과 결합된다. 일례에서, 가중된 유클리드 거리를 관찰된 동작 파라미터 값에 더하여, 수정된 값을 얻는다.
동작 파라미터들과 그들의 대응하는 한도들 사이의 거리들 중 최소 거리를 결정하는 것은 수정된 동작 파라미터 값들을 획득하는 목적을 위해 거리들의 가중을 설정하는 데 유용하다. 일례에서, 최소 거리는 가장 크게 가중된다. 이러한 방식으로, 수정된 동작 파라미터 값들이 액션 인덱스를 결정하는 데 사용될 때, 그의 대응하는 한도에 가장 가까운 것이 액션 인덱스에 가장 큰 영향을 준다.
일례에서, 결정된 거리들 중 최소 거리인 유클리드 거리는 약 1의 가중치를 받으며, 모든 다른 유클리드 거리들은 0의 팩터로 가중된다.
액션 인덱스는 일례에서 아래의 관계를 이용하여 계산되며,
액션 인덱스 =
Figure pct00001
여기서
Figure pct00002
는 수정된 관찰 값들과 그러한 값들에 대한 대응하는 한도들 사이의 거리들의 벡터 행렬이고; P는 각각의 동작 파라미터에 대한 정상 또는 예상 동작 값들을 포함하는 주성분 벡터 행렬이고; λ는 주성분 고유 값(Eigen value)들의 대각선 행렬이고; PT는 주성분 벡터 행렬의 전치 행렬이고;
Figure pct00003
는 수정된 동작 파라미터 값들과 그러한 동작 파라미터들에 대한 대응하는 한도들 사이의 거리들의 벡터 행렬의 전치 행렬이다. P의 의미의 추가 정의 및 주성분 분석 접근법들의 토픽이 문헌 [Fault detection and diagnosis in industrial systems, ISBN 1-85233-327-8]에서 발견될 수 있다.
식 내의 P λ PT 항에 의해 가능해지는 행렬 승산은 "x" 벡터를 주성분 하위 공간 상에 투영하는 데 사용된다. 이것은 "x" 벡터를 적절히 회전시키고 리스케일링하여, P 주성분들의 선택과 일치하는 적절히 스케일링된 액션 인덱스를 계산한다. 그러한 스케일링의 부재시에는 다수의 거짓 알람의 위험이 훨씬 더 높다.
도 2에서, 68에서, 액션 인덱스가 허용 가능 범위 내에 있는지에 대한 결정이 행해진다. 일례에서, 적절한 하한이 액션 인덱스에 대해 부과된다. 예를 들어, 인덱스가 0.1보다 작은 값을 갖는 경우, 이것은 장치(30)의 현재 동작 조건에 기초하여 소정의 액션이 취해져야 한다는 것을 지시한다. 액션 인덱스가 가동중단 인덱스인 일례에서, 액션 인덱스가 0.1보다 작은 값을 가질 때, 이것은 장치(30)가 가동중단되어야 한다는 것을 지시한다. 사용자 인터페이스(52)는 일례에서 장치(30)가 가동중단되어야 한다는 것을 지시하는 지시를 제공한다. 다른 예에서, 프로세서(50)는 장치(30)를 자동으로 가동중단하고, 사용자 인터페이스(52)는 가동중단이 발생했다는 지시를 제공한다. 사용자 인터페이스(52)는 동작 파라미터 값, 액션 인덱스 값 또는 이들의 조합에 관한 정보 및 예를 들어 장치(30)의 동작을 조사하기 위해 개인에게 유용한 임의의 다른 정보도 제공할 수 있다.
도 3은 액션 인덱스 값의 상한 및 하한을 개략적으로 나타낸다. 점선(70)은 액션 인덱스 상한(higher action index limit, HAIL)을 나타내고, 실선(72)은 액션 인덱스 하한(lower action index limit, LAIL)을 나타낸다. 시스템 성능에 기초하는 복수의 인덱스 값이 74에 도시된다. 계산된 액션 인덱스가 HAIL 및 LAIL 한도들 밖에 있는 한, 시스템은 제어중인 것으로 판정된다. HAIL 및 LAIL의 실제 값들은 시스템과 관련된 위험 및 거짓 알람들 사이의 균형에 기초하여 결정된다. 게다가, 실제 액션 인덱스가 HAIL 및 LAIL 한도들에 얼마나 가까운지에 따라 점증식 경보 전략(escalating alert strategy)이 이용될 수 있다. 이 경우에는 0의 액션 인덱스 값이 가동중단 한도의 도달을 지시한다는 점에 유의한다.
위의 설명은 사실상 한정이 아니라 예시적이다. 본 발명의 본질로부터 반드시 벗어나지는 않는, 개시된 예들에 대한 변경들 및 수정들이 통상의 기술자에게 명백할 수 있다. 본 발명에 부여되는 법적 보호의 범위는 아래의 청구항들을 검토함에 의해서만 결정될 수 있다.

Claims (19)

  1. 장치의 동작을 모니터링하는 방법으로서,
    (A) 상기 장치의 동작 조건을 지시하는 복수의 동작 파라미터를 결정하는 단계;
    (B) 각각의 결정된 동작 파라미터와 상기 동작 파라미터에 대한 대응하는 한도 사이의 차이를 결정하는 단계 - 각각의 한도는 상기 장치의 바람직하지 않은 동작 조건에 대응하는 상기 대응하는 동작 파라미터의 값을 지시함 -;
    (C) 상기 결정된 차이들 중 적어도 최소 차이에 기초하여 액션 인덱스(action index)를 결정하는 단계; 및
    (D) 상기 액션 인덱스가 상기 장치의 바람직한 동작에 대응하는 범위 내에 있는지를 결정하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    단계 (B)는 상기 대응하는 한도로부터의 각각의 결정된 동작 파라미터의 유클리드 거리(Euclidean distance)를 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 결정된 유클리드 거리는 상기 결정된 차이인 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    각각의 결정된 동작 파라미터에 대해 제곱된 유클리드 거리를 결정하는 단계를 포함하는 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    단계 (C)는
    상기 동작 파라미터에 대한 상기 결정된 거리의 가중된 버전을 상기 결정된 동작 파라미터에 더함으로써 적어도 최소의 결정된 거리를 갖는 상기 동작 파라미터에 대한 수정된 동작 파라미터를 정립하는 단계;
    상기 정립된 수정된 동작 파라미터와 상기 대응하는 한도 사이의 수정된 차이를 결정하는 단계
    를 포함하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    단계 (C)는
    상기 결정된 동작 파라미터들 각각에 대한 수정된 차이를 결정하는 단계; 및
    상기 수정된 차이들의 행렬을 정립하는 단계
    를 포함하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    단계 (C)는 상기 수정된 차이의 상기 행렬과 주성분 벡터 행렬과 주성분 고유 값들의 대각선 행렬과 상기 주성분 벡터 행렬의 전치 행렬과 상기 수정된 차이들의 상기 행렬의 전치 행렬을 곱함으로써 상기 액션 인덱스를 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 주성분 벡터 행렬은 상기 장치의 바람직한 동작에 대응하는 미리 결정된 동작 파라미터 값들을 포함하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 액션 인덱스는 상기 장치의 동작을 가동중단하기 위한 액션을 취하기 위한 필요를 지시하는 가동중단 인덱스(shutdown index)를 포함하는 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    단계 (D)는 상기 액션 인덱스에 대한 허용 가능 값에 대한 하한을 정립하는 단계를 포함하고,
    상기 방법은 상기 액션 인덱스가 상기 하한보다 작은 값을 가질 때 액션이 취해져야 한다는 지시를 제공하는 단계를 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    단계 (D)는 상기 액션 인덱스에 대한 허용 가능 값에 대한 하한을 정립하는 단계를 포함하고,
    상기 방법은 상기 액션 인덱스가 상기 하한보다 작은 값을 가질 때 액션이 취해져야 한다는 지시를 제공하는 단계를 포함하는 방법.
  10. 장치의 동작을 모니터링하기 위한 시스템으로서,
    상기 장치의 동작 조건을 지시하는 동작 파라미터들의 각각의 지시를 제공하는 복수의 검출기; 및
    프로세서
    를 포함하고
    상기 프로세서는
    각각의 결정된 동작 파라미터와 상기 동작 파라미터에 대한 대응하는 한도 사이의 차이를 결정하고 - 각각의 한도는 상기 장치의 바람직하지 않은 동작 조건에 대응하는 상기 대응하는 동작 파라미터의 값을 지시함 -;
    상기 결정된 차이들 중 적어도 최소 차이에 기초하여 액션 인덱스를 결정하고;
    상기 액션 인덱스가 상기 장치의 바람직한 동작에 대응하는 범위 내에 있는지를 결정하도록 구성되는
    시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 대응하는 한도로부터의 각각의 결정된 동작 파라미터의 유클리드 거리를 결정하도록 구성되고, 상기 결정된 유클리드 거리는 상기 결정된 차이인 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 프로세서는 각각의 결정된 동작 파라미터에 대해 제곱된 유클리드 거리를 결정하도록 구성되는 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 동작 파라미터에 대한 상기 결정된 거리의 가중된 버전을 상기 결정된 동작 파라미터에 더함으로써 적어도 최소의 결정된 거리를 갖는 상기 동작 파라미터에 대한 수정된 동작 파라미터를 정립하고;
    상기 정립된 수정된 동작 파라미터와 상기 대응하는 한도 사이의 수정된 차이를 결정하도록 구성되는 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 결정된 동작 파라미터들 각각에 대한 수정된 차이를 결정하고;
    상기 수정된 차이들의 행렬을 정립하도록 구성되는 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 수정된 차이의 상기 행렬과 주성분 벡터 행렬과 주성분 고유 값들의 대각선 행렬과 상기 주성분 벡터 행렬의 전치 행렬과 상기 수정된 차이들의 상기 행렬의 전치 행렬을 곱함으로써 상기 액션 인덱스를 결정하도록 구성되고,
    상기 주성분 벡터 행렬은 상기 장치의 바람직한 동작에 대응하는 미리 결정된 동작 파라미터 값들을 포함하는 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 액션 인덱스는 상기 장치의 동작을 가동중단하기 위한 액션을 취하기 위한 필요를 지시하는 가동중단 인덱스를 포함하는 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 액션 인덱스에 대한 허용 가능 값에 대한 하한을 제공받으며;
    상기 액션 인덱스가 상기 하한보다 작은 값을 가질 때 액션이 취해져야 한다는 지시를 제공하도록 구성되는 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 프로세서 지시에 대응하는 정보를 제공하는 사용자 인터페이스를 포함하고, 상기 정보는 가청 또는 가시 포맷 중 적어도 하나의 포맷으로 제공되는 시스템.
  19. 제10항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 액션 인덱스에 대한 허용 가능 값에 대한 하한을 제공받으며;
    상기 액션 인덱스가 상기 하한보다 작은 값을 가질 때 액션이 취해져야 한다는 지시를 제공하도록 구성되는 시스템.
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