Specification and Evaluation of Prediction Concepts in Aircraft Maintenance

228 Pages·2017·6.85 MB·English

by  Alexander Kählert

Specification and Evaluation of
Prediction Concepts in
Aircraft Maintenance
SpezifikationundEvaluierungvonPrädiktionskonzepteninderFlugzeuginstandhaltung
AlexanderKählert,M.Sc.
DissertationD17
Darmstadt2017
FachbereichMaschinenbau
InstitutfürFlugsysteme
undRegelungstechnik

SpecificationandEvaluationofPredictionConceptsin
AircraftMaintenance
SpezifikationundEvaluierungvonPrädiktionskonzepteninderFlugzeuginstandhaltung
VomFachbereichMaschinenbau
anderTechnischenUniversitätDarmstadt
zur
ErlangungdesGradeseinesDoktor-Ingenieurs(Dr.-Ing.)
genehmigte
Dissertation
vorgelegtvon
AlexanderKählert,M.Sc.
ausHagenow
Berichterstatter:Prof.Dr.-Ing.UweKlingauf
Mitberichterstatter:Prof.Dr.-Ing.Dipl.-Wirtsch.-Ing.JoachimMetternich
TagderEinreichung:25.Oktober2016
TagdermündlichenPrüfung:18.Januar2017
Darmstadt2017
D17
BittezitierenSiediesesDokumentals:
URN:urn:nbn:de:tuda-tuprints-60655
URL:http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6065
DiesesDokumentwirdbereitgestelltvontuprints,
E-Publishing-ServicederTUDarmstadt
http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de
[email protected]
DieVeröffentlichungstehtunterfolgenderCreativeCommonsLizenz:
Namensnennung–Nichtkommerziell–KeineBearbeitung 4.0International
http://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/
Abstract
Thegoalofthisthesisistoidentifyandquantifythepotentialsofpredictivemainte-
nanceconceptsincivilaviation. Faultprediction-baseddecisionsupportisexpected
to optimise the effectiveness and efficiency of maintenance. Thus, it also enables
furtherreductionofanairline’soperatingcostsovertheaircraftlifecycle. Predic-
tionaimstotransformunscheduledmaintenanceevents,oftencausingoperational
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
publicationsonpredictivemaintenance,thepresentedworkaimstoanalyseitsim-
plementation’s potentials in a more detailed manner. Thus, a decision-supporting
toolforthecost-benefitassessmentofpredictivemaintenanceopposedtotheinitial
stateistobedeveloped.
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-artconcerningfaultpredictionandrelevantperformancemetricsispresented.
Subsequently,theproposedevaluationconceptisintroduced. Twofunctionsare
to be covered: Firstly, based on information on today’s maintenance, cost reduc-
tion potentials as well as minimum requirements with respect to prediction can
be derived. Secondly, prediction concepts can be assessed concerning their spe-
cificcost-benefitcharacteristics. Whereastheevaluationfocusliesontheeffected
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
derivationofmoreaccurateandvalidresultsthanprobabilisticapproaches.
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
theaircraftmaintenanceaswellastheinterdependenciesoftheaircraftoperations.
By means of Monte-Carlo simulation, input data uncertainties are accounted for
andprocessedforastatisticalresultsassessment.
Inacasestudy,resultsofthemethod’sapplicationarepresented. Firstly,thecal-
ibrationofestimatedprocesseffortsbymeansofavailablereal-worldmaintenance
informationisconducted. Thisenablesthemodelvalidationaswell. Thereafter,the
i
analysisresultsconcerninganexemplaryaircraftcomponentthatismaintainedcor-
rectivelyarepresented. Thisreal-worlddataisthencounterposedtotargetvalues
derivedfromthesimulationofprediction-basedmaintenanceapproaches.
It can be concluded that a predictive maintenance strategy’s benefit depends
ontheamountortheratiooftheinterdependentpredictionerrors,theprediction
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 pre-
dictionerrorrates. Itisshownhowtheoverallcost-benefitisaffectedbyinvestment
and operating costs of a predictive strategy’s implementation. Only when the de-
rived break-even thresholds are underrun, will the cost-benefit turn out positive
ascomparedtotheinitial-statemaintenance. Theoveralloptimumincorporatesa
predictionmodelwiththeleastcostlyparametersetting.
ii Abstract
Kurzfassung
Die vorliegende Dissertation identifiziert und quantifiziert die Potenziale prädik-
tiver Instandhaltungskonzepte in der Flugzeuginstandhaltung der zivilen Luft-
fahrt. 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 Trans-
formation von ungeplanten, den Flugbetrieb störenden Instandhaltungsereignis-
sen hin zu präventiven, geplanten Maßnahmen wird erwartet, dass sowohl die
Flugzeugverfügbarkeit als auch die Abläufe innerhalb des Instandhaltungsun-
ternehmens 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 Ar-
beit eine detaillierte Analyse der Potenziale einer Implementierung dieser neuar-
tigen Ansätze definiert. Die Bewertungsmethode soll als entscheidungsunter-
stützendes Medium dienen, um das Aufwand-Nutzen-Verhältnis prädiktiver An-
sätzegegenüberderheutigenFlugzeuginstandhaltungaufzuzeigen.
DenBeginnderArbeitbildeteineRecherchezudenaktuellvorherrschendenStan-
dardsinderFlugzeuginstandhaltungderzivilenLuftfahrt. Hierbeiwerdensowohl
die verschiedenen Instandhaltungsstrategien als auch die entsprechende Kosten-
struktur zur wirtschaftlichen Bewertung der Instandhaltung berücksichtigt. An-
schließend wird ein Überblick über die in der Wissenschaft verbreiteten Ansätze
zurFehlerprädiktionsowieIndikatorenzurMessungihrerPerformanzgegeben.
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 Einsparungs-
potenzialen die Spezifikation von Mindestanforderungen an eine Fehlerprädik-
tion ermöglicht. Desweiteren können bereits vorhandene Prädiktionsmodelle hin-
sichtlichihresRisikosundNutzensimFalleeinerImplementierunganalysiertsowie
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
MethodeliegthierbeiaufderVerwendungvongrößtenteilsdeterministischenEin-
gangsdaten, welche eine hohe Genauigkeit und somit Validität der Analyseergeb-
nisseermöglichen.
iii
NachfolgenderfolgtdieBeschreibungdersoftwaretechnischenRealisierungderBe-
wertungsmethode. Basierend auf zuvor definierten Geschäftsprozess- und Daten-
modellen wird ein Simulationsmodell erstellt. Darin werden sowohl die Verän-
derungen innerhalb der Instandhaltung als auch die Wechselwirkungen mit dem
Flugbetrieb abgebildet. Mithilfe einer Monte-Carlo Simulation können die Un-
sicherheitenbestimmterEingangsgrößenberücksichtigtunddieAnalyseergebnisse
mitAngabeentsprechenderstatistischerGrößenaufbereitetwerden.
IneinerFallstudiewerdenbeispielhafteErgebnissederBewertungsmethodeinder
Anwendunggezeigt. DemvorausgehteineKalibrierungderzunächstgeschätzten
Prozessaufwände mithilfe zur Verfügung stehender Informationen aus der heuti-
genFlugzeuginstandhaltung. IndemZusammenhangerfolgtauchdieModellvali-
dierung. NachfolgendwerdendieResultatederAnalyseeinerheutigenkorrektiven
InstandhaltungsstrategieinBezugaufeineBeispielkomponentepräsentiert,gefolgt
vonErgebnissenausPrädiktionsmodellanalysen.
Aus den Ergebnissen kann abgeleitet werden, dass der Nutzen einer prädik-
tiven Instandhaltungsstrategie von der Häufigkeit bzw. der Anteile der Prädik-
tionsfehler, 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, unter-
schiedenwerden. EinlängeresVorhersagezeitfensterermöglichteinehöherePlan-
barkeit, bei gleichzeitig vergrößerten Fehlerraten. Desweiteren wird aufgezeigt,
wieEntwicklungs-undBetriebskosteneinerEinführungvonprädiktiverInstandhal-
tungdieWirtschaftlichkeitdesVorhabensbeeinflussen. WenndiemithilfedesMod-
ells spezifizierbaren Schwellwerte nicht überschritten werden, ergeben sich ins-
gesamtgeringereKostengegenüberdemheutigenReferenzfall. Diewirtschaftlich-
steKombinationderjeweiligenParameterstelltdanndasGesamtoptimumdar.
iv Kurzfassung
Acknowledgments
ThisdissertationwaswrittenduringmytimeasaresearchassociateattheInstitute
of Flight Systems and Automatic Control at TU Darmstadt, in a close cooperation
withLufthansaTechnikAGinFrankfurt. Althoughthisthesishasonlyoneauthor,
itisinfacttheresultofcontributionsbymanypeople,towhomIwanttoexpress
mygratitudeinthefollowing.
First, I would like to sincerely thank Prof. Dr.-Ing. Uwe Klingauf, head of the
institute, for his supervision and support in accomplishing the research presented
in this thesis. I also thank Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Joachim Metternich,
head of the Institute of Production Management, Technology and Machine Tools,
toserveasasecondexaminerandadvisorforthisthesis.
MycolleaguesattheinstituteIthankforthesupportresultingfromvarioustalks
andreviews. InparticularChristophAngerandChristianPreusche,Iwanttothank
fortheirinputinnumerousdiscussionsinthefieldoffaultprediction-nottoforget
furthermemorablemomentsduringmytimeattheinstitute.
Sebastian Giljohann, Dr.-Ing. Holger Appel and Henning Jochmann I thank for
their guidance, feedback and help in enabling applied research through support
from Lufthansa Technik. Holger Leicht I thank for extending my knowledge on
informationtechnology-basedresearch. Dr.-Ing. GerkoWendeIwanttothankfor
hisversatile,valuableinput.
Furthermore,Iwanttothankstudentswhocontributedinvariousways. Inpar-
ticularChristophBader,MariusHofmann,TorbenBernatzkyandPeterPoschmann
didanexcellentjobindesigningandenhancingthesimulationmodel.
For their conscientious editing of the thesis, I thank Christoph Anger, Dr.-Ing.
HeikeMeinertaswellasMelissaBlackstun.
ForsupportingmeallthewaytoaPhDdegree,Iammuchobligedtomyparents,
WolfgangandMarionKählert.
Withoutthepatienceandsupportofmywife,SandraKählert,Iwouldcertainly
not have been able to succeed in creating this thesis. Thus, I gratefully thank her
forstandingbehindmeatalltimes.
Darmstadt,GermanyinOctoberof2016 AlexanderKählert
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