Vliegtuigonderhoud met datasnelheid

Terwijl het vliegtuig waarin u zit onderweg is naar zijn bestemming, zijn alle systemen en onderdelen in dat toestel ook langzaam onderweg: van een gezonde naar een defecte toestand. Vier tenure trackers van TU Delft verwachten dat de terabytes aan data die een modern vliegtuig dagelijks genereert, kunnen worden gebruikt om de gezondheidstoestand te bepalen van elk onderdeel van het toestel, van de wielen en de remmen tot de airco en de structurele integriteit van het vliegtuig zelf. Het projectvoorstel ReMAP, resultaat van een door hen opgezet sectoroverschrijdend samenwerkingsverband, werd beloond met een Horizon2020-subsidie van 6,8 miljoen euro. Dit project maakt wellicht de weg vrij naar een radicaal nieuwe kijk op vliegtuigonderhoud, die alleen al voor Europa een jaarlijkse kostenbesparing tot wel 700 miljoen euro zou kunnen opleveren.

Adaptieve onderhoudsschema’s

Wanneer een brandend lampje aangeeft dat er iets mis is met een van de boordsystemen, is het niet altijd duidelijk in welk deel van een (sub-)systeem het probleem zich bevindt. “Op basis van historische en actuele vluchtdata kunnen we de feitelijke oorzaak traceren, wat zowel tijd als geld scheelt,” aldus projectleider dr. Bruno Santos. “Belangrijker nog is echter dat nu het meeste onderhoudswerk in de luchtvaartwereld preventief is, wat inhoudt dat veel systemen en componenten worden geïnspecteerd terwijl ze nog prima functioneren. We willen ziektediagnoses en -prognoses ontwikkelen voor de overstap naar realtime interventies op basis van de feitelijke toestand van componenten.”

Die overstap naar conditie-afhankelijk onderhoud (CBM) vormt de inspiratiebron voor de onderzoekers. Ze stellen dat de duizenden sensoren in een modern vliegtuig, de toegankelijkheid en snelle overdracht van de enorme hoeveelheid data die uit deze sensoren worden verkregen en de almaar groeiende mogelijkheden van data-analyse-instrumenten de perfecte voorwaarden voor implementatie scheppen. Bruno Santos: “We verwachten dat de gegenereerde data een betrouwbare schatting kunnen opleveren van de resterende levensduur van alle onderdelen in een vliegtuig. Dat beperkt de noodzaak van handmatige inspecties en maakt tussentijds adaptief onderhoud mogelijk.” Als onderdeel van hun onderzoeksplan willen ze de hoeveelheid gegenereerde data nog verder vergroten door het toevoegen van sensoren voor bewaking van de structurele integriteit van vliegtuigen.

Momenteel wordt er gewerkt met een onderhoudsschema voor vliegtuigen dat gebaseerd is op vaste tussenpozen, waarvan de lengte afhangt van de limiet die het eerst bereikt wordt: het aantal vlieguren, vluchtcycli of kalenderdagen. Het onderhoudswerk varieert van korte dagelijkse controles tot een complete revisie van het vliegtuig, die een aantal weken in beslag neemt. Afwijken van de strikte, in regelgeving vastgelegde onderhoudsschema’s is alleen toegestaan voor onderdelen die niet essentieel zijn voor het functioneren van het toestel. Maar zelfs dan nog kost het veel moeite om regelgevende instanties ervan te overtuigen dat hetzelfde hoge veiligheidsniveau ook met een alternatief onderhoudsschema gewaarborgd blijft. De visie van de onderzoekers wordt echter gedeeld door ACARE (Advisory Council for Aeronautical Research in Europe), waar men verwacht dat CBM in 2050 de norm voor alle nieuwe vliegtuigen zal zijn. “Het concept van conditieafhankelijk onderhoud is niet nieuw,” stelt Bruno Santos, “maar het wordt nauwelijks toegepast in de luchtvaartindustrie, en een routekaart voor de feitelijke implementatie ontbreekt. Wij willen deze routekaart bieden en daarmee bewijzen dat het huidige veiligheidsniveau gehandhaafd kan blijven of zelfs nog verbeterd kan worden.”

Slimme diagnoses en prognoses

Het ReMAP-voorstel gaat uit van een geschatte opbrengst van ruim 700 miljoen euro per jaar door directe verlaging van onderhoudskosten, een beperking van het aantal niet-geplande onderhoudsbeurten en grotere beschikbaarheid van de toestellen. “Je krijgt gewoon te veel informatie als je de gezondheidsbewaking van vliegtuigen uitbreidt naar een reeks systemen en structuren. Daarom ontwikkelen we besluitvormingsondersteunende systemen voor betrouwbare en consistente toepassing van CBM. Uiteindelijk zal de mens toch de definitieve beslissing blijven nemen.” De onderzoekers willen offline-algoritmes ontwikkelen voor de verbetering van de diagnose (er is een defect, en waarschijnlijk ligt de oorzaak in dit subsysteem) en de prognose (dit subsysteem of onderdeel zou binnen een bepaald tijdsbestek kunnen uitvallen). De enorme hoeveelheid data die door een complete vloot toestellen wordt gegenereerd, zou dan op basis van diagnose en prognose moeten worden verwerkt. Ter aanvulling zijn er dan compacte boordversies van de algoritmes voor snelle controles tijdens de vlucht, die zelfs niet-geplande onderhoudsbeurten tijdens een normale stop-over kunnen ondersteunen. Verbeterd inzicht in de achteruitgang van systemen en structuren kan bovendien leiden tot een aanzienlijke beperking van het gewicht van het toestel en de complexiteit van de systemen. Op lange termijn kan dit leiden tot vermindering van het aantal back-upsystemen aan boord, terwijl belaste structuren lichter kunnen worden uitgevoerd als gevolg van de nieuwe, door CBM ondersteunde ontwerpvisie.

TU Delft als projectleider

De vier tenure trackers hebben hun voorstel ingediend bij het Horizon2020-programma, dat onderzoeksinstellingen en het bedrijfsleven stimuleert om innovatieve technologieën op een hoger plan te brengen. Bruno Santos, Wim Verhagen en Mihaela Mitici maken deel uit van de groep Air Transport and Operations en Dimitrios Zarouchas werkt bij de groep Structural Integrity and Composites. Beide groepen zijn onderdeel van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek. “Onze groep richt zich op alle uitvoerings- en planningsaspecten van het luchttransport, van ondersteuning tot onderhoud en bemanning,” aldus Bruno Santos. “Met als gemeenschappelijk kenmerk dat al het onderzoekswerk betrekking moet hebben op vliegtuigen. Wij zijn van mening dat we steeds meer met data moeten gaan doen en daar snel op moeten inspelen. De wereld zit niet deterministisch in elkaar, en stochastische onzekerheden moeten worden meegenomen in het besluitvormingsproces.”

TU Delft zal leiding geven aan het project, zoals dat al eerder gebeurde voor diverse projecten over dit thema. De onderzoekers van TU Delft hebben in korte tijd een aantal partners bij elkaar gebracht, waaronder grote namen uit de Europese luchtvaartindustrie, zoals KLM, vliegtuigbouwer Embraer Portugal, het onderzoekscentrum van UTC (de grootste fabrikant van boordsystemen ter wereld) en IT-multinational ATOS. Diverse universiteiten en onderzoeksinstituten zijn inmiddels ook toegetreden tot het consortium, dat bovendien steun krijgt van drie mkb’s. Voor de meeste partijen was de samenwerking met het team van TU Delft nieuw, maar ze wilden graag instappen, vaak al na het eerste contact. “Deze bedrijven zouden niet hebben deelgenomen als ze er niet in hadden geloofd dat wij, als consortium, in staat zijn dit onderzoek uit te voeren en de markt te interesseren,” aldus Bruno Santos. “Daarbij komt dat hun bijdragen uiterst waardevol waren voor het beoordelen van de behoeften vanuit het bedrijfsleven en van de meerwaarde van de voorgestelde oplossing. Ook kwamen ze met waardevolle bijdragen voor die gedeelten van het voorstel die betrekking hadden op de economische effecten.”

ReMAP is het eerste voorstel van Bruno Santos als projectleider, en het was al meteen een succes. Nog geen tien van de ruim honderd voorstellen die naar aanleiding van deze specifieke Horizon2020-oproep waren ingediend, werden beloond met een subsidie. Vier à vijf nieuwe promovendi van TU Delft zullen bij het project betrokken worden. Het project vormt een uitbreiding van het CBM-concept zoals dat momenteel wordt verkend door AIRMES, een doorlopend Europees project waaraan TU Delft ook deelneemt, met Verhagen en Santos als betrokken onderzoekers . “Met ReMAP bieden we een compleet pakket. Het omvat zowel systemen als structuren, en we passen machine learning toe voor de optimalisering van het onderhoud. Daarnaast voeren we een veiligheidsrisicoanalyse uit om te valideren dat de onderhoudsbetrouwbaarheid minimaal intact blijft of zelfs verbeterd wordt in vergelijking met huidige normen. We hebben onszelf weliswaar al een concreet doel in de toekomst gesteld, maar we worstelen nog met een aantal uitdagingen die een belemmering vormen voor de praktische toepassing van CBM zoals die binnen dit project moet plaatsvinden.”

Labtests en praktijktests

De onderzoekers richten zich op twaalf boordsystemen, waaronder het aircosysteem van de cabine, het hulpaggregaat, de wielen en de remmen. De systeemdata worden door de samenwerkende partijen geleverd. Gezamenlijk gaan ze machine learning technieken en op natuurkundige wetten gebaseerde modellen ontwikkelen en toepassen voor het bouwen van diagnostische en prognostische algoritmes vanuit de verzamelde terabytes aan data. In de loop van het project zullen deze voorspellende algoritmes in het lab worden gevalideerd. Zo kunnen ze continu worden verbeterd, totdat de uiteindelijke verificatie plaatsvindt binnen een zes maanden lopende praktijktest, iets wat nooit eerder gedaan is. Deze praktijktests richten zich op de KLM-vloot van Boeing 787-toestellen (twintig vanaf 2020) en de KLM City Hopper Embraer 175 (tien vanaf 2020).

Voor het testen van de structuren zullen de onderzoekers labtests uitvoeren bij TU Delft en op de Universiteit van Patras in Griekenland. In eerste instantie zullen ze werken met eenvoudige verstevigingspanelen, waarna de complexiteit wordt opgevoerd met gebogen multiverstevigingspanelen met ribben en sluitingen. De nadruk zal liggen op de composietelementen van de structuur van het vliegtuig. De onderzoekers blijven werken aan de ontwikkeling van sensortechnologieën en de optimalisering van de plaatsing ten opzichte van de panelen. Bruno Santos: “Structurele gezondheidsbewaking is in de praktijk een onderbelicht concept. Dit project is een proeftuin voor mogelijke verdere ontwikkelingen in de toekomst.”

Workshops en een whitepaper

De onderzoekers willen ook andere luchtvaartmaatschappijen en belanghebbende partijen betrekken door regelmatig workshops te organiseren waarin ze hun resultaten kunnen delen en enthousiasme kunnen kweken. “De schaal is een belangrijke factor voor CBM,” meent Bruno Santos. “Hetzelfde type toestel wordt door meerdere luchtvaartmaatschappijen gebruikt. Zonder feitelijke data te hoeven delen, kan het door ons te bouwen ICT-raamwerk alle data volledig benutten om het voorspellend vermogen van onze modellen te vergroten.”

Aan het eind van het project zullen ze hun bevindingen in een whitepaper publiceren. “Het is een routekaart. We verwachten te kunnen aantonen dat het veilig kan zijn om bepaalde onderhoudsrestricties soepeler te hanteren, en te laten zien hoe we CBM veilig kunnen implementeren. Vervolgens mogen de wereldwijde regelgevende instanties op luchtvaartgebied gaan praten over de huidige regelgeving en over het traject naar implementatie van CBM.” De onderzoekers zullen het EASA (European Aviation Safety Agency), lokale autoriteiten, Airbus, Thales en tal van andere relevante belanghebbende partijen betrekken bij de discussie over deze whitepaper. Zulke aanpassingen van de regelgeving vergen veel tijd. Over twintig jaar is het echter misschien zo dat uw entertainmentsysteem aan boord werkt omdat de conditie en de resterende levensduur nauwlettend worden gevolgd, niet omdat er nog geen defect is opgetreden of omdat er voortijdige revisie heeft plaatsgevonden.