Reliability and availability assessment of degrading components equipped with prognostics and health management (PHM) capabilites

Prognostics and Health Management (PHM) is the engineering field that focuses on detection (i.e., the recognition of a deviation from the normal operating condition), diagnostics (i.e., the characterization of the abnormal state of the system) and prognostics (i.e., the prediction of the evolution of the abnormal state of the system up to its failure or up to the time at which it will no longer operate within its stated specifications). PHM in principle allows identifying problems at an early stage and timely performing the necessary maintenance actions to anticipate failures. Moreover, the estimation of the component Remaining Useful Life (RUL) enables setting an efficient and agile maintenance management, which is capable of providing the right part to the right place at the right time, together with the necessary resources to perform the maintenance task. This reduces the interruption of business operations and possible malfunctions introduced by errors deriving from maintenance. Boosted by the appealing potential of PHM, a large number of algorithms have been developed for PHM in recent years. On one side, this variety of alternatives is beneficial for PHM engineers who, in principle, have more chances to find the solution suitable to address their peculiar PHM issue. On the other side, the presence itself of diverse algorithms poses the problem of how to compare their performances, which is fundamental to make a decision about the best portfolio of alternatives to invest in for investigation; to tackle this comparison problem, a variety of metrics and performance indicators have been proposed. However, a general framework that allows to quantify the benefit of PHM depending on these metrics is still lacking. Within this context, the present thesis work contributes to PHM research along two pathways. 1)A general, time-variant, analytical model is developed, which conservatively evaluates the increase in system availability achievable when a component is equipped with a PHM system of known performance metrics. The availability model builds on metrics of literature and is applicable to different contexts. A simulated case study is presented concerning crack propagation in a mechanical component. A simplified cost model is used to compare the performance of predictive maintenance based on PHM with corrective and scheduled maintenance. 2)In safety critical and risk-averse conditions (e.g., applications of the nuclear industry), the main concern is to avoid to install a PHM tool that over-estimates the system RUL and, thus, jeopardizes the asset and the public. In this setting, then, a PHM tool with some known performance metrics is introduced to increase the system reliability. Then, an analytic, time-variant model is developed, which conservatively evaluates the increase in reliability achievable when a component is equipped with a Prognostics and Health Management system of known performance metrics. The reliability model builds on metrics of literature and is applicable to different industrial contexts. A simulated case study concerning crack propagation in a mechanical component is considered to validate the proposed model. The reliability model is also applied to a power transmission system , to select the locations and PHM types to install on the network elements, which are optimal with respect to the objectives of maximizing the network reliability while minimizing the cost. This optimization problem has been tackled within the Portfolio Decision Analysis (PDA) framework.

“Prognostica e gestione della salute” (Prognostics and Health Management, PHM) è il ramo dell'ingegneria che si occupa di rilevazione (riconoscimento di deviazione dalle normali condizioni operative), diagnostica (caratterizzazione dello stato anomalo del sistema) e prognostica (predizione dell'evoluzione dello stato anomalo del sistema fino a rottura o a momento in cui non opera più nelle condizioni richieste). In linea di principio il PHM permette di identificare i problemi in fase precoce e di organizzare per tempo le operazioni di manutenzione necessarie per prevenire i guasti. Inoltre, la stima della vita residua del componente (Remaining Useful Life, RUL) consente di organizzare una pronta ed efficace gestione della manutenzione, che sia in grado di fornire il pezzo giusto nel momento giusto al posto giusto, unitamente alle risorse necessarie per eseguire al meglio la manutenzione. Ciò riduce le interruzioni delle attività operative e i possibili malfunzionamenti da errori causati in manutenzione. Spinti dall’attraente potenziale del PHM, molti algoritmi di diagnostica e prognostica di guasti sono stati sviluppati negli ultimi anni. Da un lato, questa rosa di alternative comporta dei vantaggi per gli Ingegneri che si occupano di PHM i quali, in linea di principio, hanno più opportunità di trovare le soluzioni adatte a risolvere il loro specifico problema di PHM. D'altro canto, la presenza di diversi algoritmi crea il problema di come confrontare le loro prestazioni, aspetto fondamentale per prendere una decisione in merito al migliore portafoglio di alternative sul quale investire per l’indagine; per ovviare questo problema di confronto, sono state proposte diverse metriche e indicatori di prestazione. Tuttavia, manca ancora uno strumento operativo generale che permetta di quantificare i benefici del PHM sulla base di queste metriche. In questo contesto, il presente lavoro di tesi contribuisce alla ricerca sul PHM su due versanti. 1)Viene sviluppato un modello analitico generale, variante col tempo, che permette di valutare in maniera conservativa l'aumento della disponibilità di un sistema derivante dall'equipaggiare un suo componente con un sistema PHM di prestazioni conosciute. Il modello di disponibilità si basa sulle metriche presenti in letteratura ed è applicabile a contesti differenti. Viene presentata un'applicazione di simulazione del processo di propagazione di una cricca in un componente meccanico. Un modello semplificato di analisi dei costi viene usato per confrontare l'impatto della manutenzione predittiva basata sul PHM con la manutenzione correttiva e quella programmata. 2)Nei contesti critici per la sicurezza e di rischio avverso (per esempio applicazioni all'industria nucleare), l'obiettivo principale è evitare di installare un sistema PHM che sovrastima la RUL mettendo a rischio persone e beni. In questo contesto, un sistema PHM di prestazioni conosciute è utilizzato per aumentare l'affidabilità. Quindi, viene sviluppato un modello analitico e tempo variante che permette in maniera conservativa di valutare l'aumento di affidabilità quando un componente viene dotato di un sistema PHM di prestazioni note. Il modello di affidabilità si basa su metriche della letteratura e si applica a svariati contesti. Si considera un'applicazione di simulazione del processo di propagazione di una cricca in un componente meccanico per validare il modello proposto. Il modello di affidabilità è applicato anche a una rete elettrica, per scegliere quali PHM installare e dove collocarli sui suoi elementi, in modo ottimale per rispettare i due obiettivi di massimizzare l'affidabilità mentre si minimizzano i costi. Questo problema di ottimizzazione è stato affrontato tramite la selezione ottimale di portafogli (Portfolio Decision Analysis, PDA).