統合車両健康管理

統合車両健全性管理（IVHM）または統合システム健全性管理（ISHM）は、システムの統合された機能であり、メンバーシステムの健全性の現在の状態または将来の状態を評価し、そのシステム健全性の画像を利用可能なリソースと運用上の需要の枠組み内に統合します。^[1]

IVHM の目的は、車両と車両群の健全性をより適切に管理できるようにすることです。

• 問題が発生する前に診断と予測を使用して障害を修正することで、安全性を向上させます。
• メンテナンススケジュールの改善による可用性の向上
• システムの現在の健全性をより徹底的に理解し、予測に基づくメンテナンスを行うことで信頼性を向上します。
• 不要なメンテナンスの削減と予定外のメンテナンスの回避により、メンテナンスの総コストを削減します。

これは、信頼性の高いセンシングおよび予測システムを正しく使用して部品の状態を監視し、使用データを使用して、経験した負荷と将来の車両負荷の理解を支援することで実現されます。

IVHM という名前で呼ばれる概念は、1970 年代から存在していたと言われています。^[2] しかし、これに関する書面による証拠はあまりないようです。IVHM という概念は、一般的な航空機整備方法から生まれました。これは、状態基準整備から自然に次のステップになりました。センサーが改良され、関連するシステムに対する理解が深まるにつれて、故障を検出するだけでなく、それを予測することも可能になりました。航空機や宇宙船の単価と整備コストが高いため、整備方法の進歩は非常に魅力的でした。NASA ^[3]は、将来の宇宙船の整備にどのように取り組みたいかを説明するために IVHM という名前を使用した最初の組織の 1 つです。NASA は、General Research Corporation と Orbital Technologies Corporation の支援を受けて、1992 年にNASA-CR-192656 ^{[4]を作成しました。 [5]} これは、次世代の乗り物で安全性を高めながら整備コストを削減するために必要と思われる技術と整備の概念について議論した目標と目的の文書でした。それ以来、多くの企業が IVHM に興味を持つようになり、文献も大幅に増加しました。現在では、JSFから商用の運搬車両まで、さまざまな種類の車両に対応する IVHM ソリューションが存在します。

宇宙船の機器の故障を予測した最初の公表された歴史は、1978年から1984年の間にGPS宇宙および地上セグメントマネージャによって、非反復性過渡事象（NRTE）とGPSマスターコントロールステーションからのGPSカルマンフィルタデータを使用して、12のロックウェル/米国空軍全地球測位システムブロックI（フェーズ1）衛星で発生しました。ミッション運用サポート担当者がリアルタイムの衛星テレメトリを再生し、Eb/NoまたはS/Nの低下とデータ取得および表示システムの処理の問題によって引き起こされたRFおよび地上回線ノイズを除外した後、NRTEはGPS衛星に特定されました。GPS衛星のサブシステム機器ベンダーは、NRTEを機器の故障に先立つ体系的なノイズであると診断しました。これは、当時、すべての機器の故障は瞬間的かつランダムに発生すると考えられていたため、機器の故障を予測することはできない（たとえば、機器の故障はメモリのない動作を示す）と考えられていたためです。ロックウェル インターナショナルの GPS システム エンジニアリング マネージャーは、1983 年に GPS 衛星機器の故障予測は不可能であり、同社にはその契約がないとして、その停止を命じました。GPS 衛星テレメトリで完了した予測分析は、契約に基づいて CDRL として四半期ごとに GPS プログラム オフィスの担当者と GPS プログラムに携わるさまざまな空軍下請け業者に公開されました。

航空機用IVHMの開発における重要なマイルストーンの1つは、さまざまなメーカーが連携して機能し、航空機から地上の整備組織に診断データを送信できる機器を開発することを可能にした一連のARINC規格でした。 ^[6] ACARSは、フライトクルーと地上クルーの間でメンテナンスと運用データを通信するために頻繁に使用されます。これがIVHMに採用されている概念につながりました。

もう 1 つのマイルストーンは、北海の石油掘削装置を支援するために運用されているヘリコプター用の健全性および使用状況監視システム(HUMS)の作成でした。これは、使用状況データを保守計画の支援に使用できるという重要な概念です。FOQA またはフライトデータ システムは、車両の使用状況を監視する点で HUMS に似ています。これらは、車両の使用状況を徹底的に理解して将来の車両の設計に役立てることができるため、IVHM にも役立ちます。また、過剰な負荷と使用状況を特定して修正することもできます。たとえば、航空機が頻繁に重い着陸を経験している場合、増加した負荷で車輪が急速に摩耗しないように、着陸装置の保守スケジュールを変更できます。将来的には航空機が運ぶ負荷を軽減するか、オペレーターに追加のトレーニングを提供して着陸の質を向上させることができます。

この分野の成長に伴い、ボーイング社^[7]は2008年にクランフィールド大学と共同でIVHMセンターを設立し、世界をリードする研究拠点としての役割を果たしました。 ^[8] IVHMセンターはそれ以来、世界初のIVHM修士課程を開講し、IVHMのさまざまな分野への応用を研究する博士課程の学生を数名受け入れています。

IVHM は、車両の現在の状態だけでなく、車両のライフサイクル全体にわたる健全性にも関心があります。IVHM は、車両の使用データと、フリート内の他の車両の同様の情報との関連で、車両の健全性を検査します。使用中の車両には、固有の使用特性と、フリート全体に共通するいくつかの特性が見られます。使用データとシステム健全性データが利用可能な場合は、これらを分析してこれらの特性を特定できます。これは、1 台の車両に固有の問題を特定したり、フリート全体にわたる車両劣化の傾向を特定したりするのに役立ちます。

IVHM は、車両 (または機械設備) の完全なメンテナンス ライフ サイクルの概念です。これは、予知と診断推論と組み合わせた組み込み センサーと自己監視装置を広範に使用します。車両の場合、データ取得モジュールと診断ユニットが搭載されているのが一般的です。一部の車両は、使用中にさまざまな RF システムを介して選択したデータを基地に転送できます。車両が基地にあるときはいつでも、データはメンテナンス コンピューターのセットに転送され、そのデータも処理されて、車両の真の状態をより深く理解できます。車両の使用状況を部品の劣化と照合して、予知予測の精度を向上させることもできます。

残存耐用年数は、故障前の都合の良い時期に部品の交換や修理を計画するために使用されます。車両を運行停止にすることによる不便さと、予定外のメンテナンスのコストとのバランスが取られ、故障前の最適な時点で部品が交換されます。このプロセスは、予定されたメンテナンスのコストと故障のリスクおよび予定外のメンテナンスのコストとのバランスを取る必要があるため、いつ金融オプションを購入するかを選択するプロセスに例えられています。^[10]

これは、部品が故障するかしきい値を超えたら交換される状態基準保全（CBM）とは異なります。 ^[11] この保全では、収益を生み出すことができるのに都合の悪い時期に車両を運行停止にすることがしばしばあります。IVHMアプローチを使用して、最も都合のよい時期に交換することが望ましいです。これにより、部品を早期に交換することによって引き起こされる無駄な部品寿命が短縮され、予定外のメンテナンスによって発生するコストも削減されます。これは、IVHMソリューションによって予測距離が長くなるために可能になります。IVHMでは多くの技術が使用されています。この分野自体はまだ成長しており、多くの技術が知識体系に追加され続けています。

車両にはヘルスモニタリングセンサーが組み込まれており、データ処理ユニットに報告します。一部のデータは、即時のシステム診断と予測のために、車両上で操作されることがあります。時間的にそれほど重要でないデータは、車両外で処理されます。車両のすべての履歴データを現在のパフォーマンスと比較することで、車両上で行うよりも詳細なレベルで劣化傾向を特定できます。これはすべて信頼性と可用性を向上させるために使用され、データはメーカーにもフィードバックされ、製品の改善に役立てられます。^[12]

^{IVHMの標準アーキテクチャは、データ収集、分析、およびアクションの構造を提供するOSA-CBM [13]}標準として提案されています。これは、異なるサプライヤーのIVHMシステム間の相互運用性を促進することを目的としています。OSA-CBMの主要部分は、

• データ収集（DA）
• データ操作 (DM)
• 状態検出（SD）
• 健康評価（HA）
• 予後評価（PA）
• アドバイザリ生成（AG）

これらはISO 13374 ^[14]に規定されている。

このシステムは、航空機の飛行管理システムなどの安全上重要な警告を置き換えるものではなく、それらを補完し、おそらくは既存のセンサーを活用してシステム状態監視を支援することを目的としています。監視するのに最適なシステムは、徐々に劣化する可能性が高いシステム、サブシステム、構造要素であり、故障する前に都合の良いときに修理または交換することができます。部品が故障すると、修理されるまで車両を使用できないことが多いため、これは状態ベースのメンテナンスよりも節約になります。車両が収益創出に必要なときに故障して使用できない場合、スケジュールが困難になることがよくあります。対照的に、IVHM は、故障前の車両のダウンタイム中に部品を交換するために使用できます。これにより、スケジュールどおりに収益を生み出し続けることができます。

機体と整備組織間の通信は、タイムリーに障害を修理するために不可欠です。使用中に整備員に送信するデータ量と整備中にダウンロードするデータ量のバランスは、慎重に判断する必要があります。その一例が、障害転送と呼ばれるものです。航空機に障害が発生すると、フライトマネジメントシステムはそれをフライトクルーに報告するだけでなく、ACARSを通じて整備チームにもメッセージを送信し、航空機が着陸する前に整備計画を開始できるようにします。これにより、航空機が着陸する前に障害を修理するために必要な部品や人員の一部がわかるため、時間的な利点が得られます。ただし、通信リンクには費用がかかり、帯域幅も限られているため、この健全性および使用状況データの価値は、次の整備中またはオペレータのシャットダウンプロセスの一環として、送信するのか、単にダウンロードするのかを考慮して慎重に判断する必要があります。

• デジタルツイン
• 健康状態と使用状況の監視システム