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Specification and Evaluation of Prediction Concepts in Aircraft Maintenance

Kählert, Alexander :
Specification and Evaluation of Prediction Concepts in Aircraft Maintenance.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Specification and Evaluation of Prediction Concepts in Aircraft Maintenance
Language: English
Abstract:

The goal of this thesis is to identify and quantify the potentials of predictive maintenance concepts in civil aviation. Fault prediction-based decision support is expected to optimise the effectiveness and efficiency of maintenance. Thus, it also enables further reduction of an airline's operating costs over the aircraft life cycle. Prediction aims to transform unscheduled maintenance events, often causing operational irregularities, into projectable preventive activities. Thereby, aircraft availability as well as maintenance processes are expected to be optimised. Because of low technology readiness levels in the industry as well as rather global scale scientific publications on predictive maintenance, the presented work aims to analyse its implementation's potentials in a more detailed manner. Thus, a decision-supporting tool for the cost-benefit assessment of predictive maintenance opposed to the initial state is to be developed.

The starting point is literature research with respect to today's standards and characteristics in civil aviation aircraft maintenance. This includes the applied maintenance strategies and cost structures in particular. Thereafter, the state-of-the-art concerning fault prediction and relevant performance metrics is presented.

Subsequently, the proposed evaluation concept is introduced. Two functions are to be covered: Firstly, based on information on today's maintenance, cost reduction potentials as well as minimum requirements with respect to prediction can be derived. Secondly, prediction concepts can be assessed concerning their specific cost-benefit characteristics. Whereas the evaluation focus lies on the effected costs, corresponding time- and ratio-based target values are analysed as well. A unique feature of the method is the use of mostly deterministic data enabling the derivation of more accurate and valid results than probabilistic approaches.

Thereafter, the proposed model's software implementation is described. Based on theoretically defined business process and data models, a simulation model is built. The proposed model accounts for prediction-induced modifications within the aircraft maintenance as well as the interdependencies of the aircraft operations. By means of Monte-Carlo simulation, input data uncertainties are accounted for and processed for a statistical results assessment.

In a case study, results of the method's application are presented. Firstly, the calibration of estimated process efforts by means of available real-world maintenance information is conducted. This enables the model validation as well. Thereafter, the analysis results concerning an exemplary aircraft component that is maintained correctively are presented. This real-world data is then counterposed to target values derived from the simulation of prediction-based maintenance approaches.

It can be concluded that a predictive maintenance strategy's benefit depends on the amount or the ratio of the interdependent prediction errors, the prediction forecast as well as the costs of implementation. Among the prediction errors, it is necessary to distinguish between errors negatively affecting aircraft operations and errors having negative impact on aircraft maintenance activities. A longer forecast increases the ability to plan in advance, while also leading to higher prediction error rates. It is shown how the overall cost-benefit is affected by investment and operating costs of a predictive strategy's implementation. Only when the derived break-even thresholds are underrun, will the cost-benefit turn out positive as compared to the initial-state maintenance. The overall optimum incorporates a prediction model with the least costly parameter setting.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die vorliegende Dissertation identifiziert und quantifiziert die Potenziale prädiktiver Instandhaltungskonzepte in der Flugzeuginstandhaltung der zivilen Luftfahrt. Fehlerprädiktion wird in Industrie und Forschung als hilfreiches Werkzeug wahrgenommen, die Instandhaltung hinsichtlich Effektivität und Effizienz weiter zu optimieren und somit einen Beitrag zur Senkung der direkten Betriebskosten eines Flugzeugbetreibers im Flugzeuglebenszyklus zu leisten. Durch die Transformation von ungeplanten, den Flugbetrieb störenden Instandhaltungsereignissen hin zu präventiven, geplanten Maßnahmen wird erwartet, dass sowohl die Flugzeugverfügbarkeit als auch die Abläufe innerhalb des Instandhaltungsunternehmens optimiert werden können. Aufgrund der bislang in der Industrie geringen Verbreitung prädiktiver Instandhaltungsansätze sowie der nur wenigen, oberflächlichen Forschungsergebnisse auf diesem Gebiet wird als Ziel dieser Arbeit eine detaillierte Analyse der Potenziale einer Implementierung dieser neuartigen Ansätze definiert. Die Bewertungsmethode soll als entscheidungsunterstützendes Medium dienen, um das Aufwand-Nutzen-Verhältnis prädiktiver Ansätze gegenüber der heutigen Flugzeuginstandhaltung aufzuzeigen. Den Beginn der Arbeit bildet eine Recherche zu den aktuell vorherrschenden Standards in der Flugzeuginstandhaltung der zivilen Luftfahrt. Hierbei werden sowohl die verschiedenen Instandhaltungsstrategien als auch die entsprechende Kostenstruktur zur wirtschaftlichen Bewertung der Instandhaltung berücksichtigt. Anschließend wird ein Überblick über die in der Wissenschaft verbreiteten Ansätze zur Fehlerprädiktion sowie Indikatoren zur Messung ihrer Performanz gegeben. Nachfolgend wird die entwickelte Bewertungsmethode vorgestellt. Sie soll zwei grundlegende Funktionen erfüllen: Ausgehend vom Status Quo der heutigen Flugzeuginstandhaltung wird durch die Analyse von potenziellen Einsparungspotenzialen die Spezifikation von Mindestanforderungen an eine Fehlerprädiktion ermöglicht. Desweiteren können bereits vorhandene Prädiktionsmodelle hinsichtlich ihres Risikos und Nutzens im Falle einer Implementierung analysiert sowie bewertet werden. Hierbei stehen die beeinflussten Kostenarten im Fokus. Für eine umfassende Bewertung können zusätzlich zeitbasierte und dimensionslose Kenngrößen berücksichtigt werden. Ein Alleinstellungsmerkmal der vorgestellten Methode liegt hierbei auf der Verwendung von größtenteils deterministischen Eingangsdaten, welche eine hohe Genauigkeit und somit Validität der Analyseergebnisse ermöglichen. Nachfolgend erfolgt die Beschreibung der softwaretechnischen Realisierung der Bewertungsmethode. Basierend auf zuvor definierten Geschäftsprozess- und Datenmodellen wird ein Simulationsmodell erstellt. Darin werden sowohl die Veränderungen innerhalb der Instandhaltung als auch die Wechselwirkungen mit dem Flugbetrieb abgebildet. Mithilfe einer Monte-Carlo Simulation können die Unsicherheiten bestimmter Eingangsgrößen berücksichtigt und die Analyseergebnisse mit Angabe entsprechender statistischer Größen aufbereitet werden. In einer Fallstudie werden beispielhafte Ergebnisse der Bewertungsmethode in der Anwendung gezeigt. Dem voraus geht eine Kalibrierung der zunächst geschätzten Prozessaufwände mithilfe zur Verfügung stehender Informationen aus der heutigen Flugzeuginstandhaltung. In dem Zusammenhang erfolgt auch die Modellvalidierung. Nachfolgend werden die Resultate der Analyse einer heutigen korrektiven Instandhaltungsstrategie in Bezug auf eine Beispielkomponente präsentiert, gefolgt von Ergebnissen aus Prädiktionsmodellanalysen. Aus den Ergebnissen kann abgeleitet werden, dass der Nutzen einer prädiktiven Instandhaltungsstrategie von der Häufigkeit bzw. der Anteile der Prädiktionsfehler, der Vorhersagedauer sowie den Entwicklungskosten abhängt. Dabei muss zwischen Prädiktionsfehlern, die eine Störung des Flugbetriebs zur Folge haben und Fehlern, die den Instandhaltungsbetrieb negativ beeinflussen, unterschieden werden. Ein längeres Vorhersagezeitfenster ermöglicht eine höhere Planbarkeit, bei gleichzeitig vergrößerten Fehlerraten. Desweiteren wird aufgezeigt, wie Entwicklungs- und Betriebskosten einer Einführung von prädiktiver Instandhaltung die Wirtschaftlichkeit des Vorhabens beeinflussen. Wenn die mithilfe des Modells spezifizierbaren Schwellwerte nicht überschritten werden, ergeben sich insgesamt geringere Kosten gegenüber dem heutigen Referenzfall. Die wirtschaftlichste Kombination der jeweiligen Parameter stellt dann das Gesamtoptimum dar.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 650 Management
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Flight Systems and Automatic Control (FSR)
Date Deposited: 04 Apr 2017 11:46
Last Modified: 10 Apr 2017 08:04
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-60655
Referees: Klingauf, Prof. Dr. Uwe and Metternich, Prof. Dr. Joachim
Refereed: 18 January 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6065
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