CRRC​が​Big Analog Data™​から​価値​を​採掘​する​ため​の​ベンチマーク​を​策定

「CompactRIO​は、​演算​能力​や​メモリ​割り当て​の​要件​を​完全​に​満​た​し​てい​ます。​NI InsightCM​を​導入​した​結果、​マルチ​チャンネル​の​データ​収集​で​同期​を​実現​した​だけ​で​なく、​NTP​タイム​サーバ​を​利用​し​て​デバイス​と​サーバ​間​の​時刻​の​一貫性​も​維持​できる​よう​に​なり​ま​した。」

- Zhiqiang Zhang​氏、​CRRC Qingdao Sifang (青島​中​車​四方​軌道​車輛​有限公司)

課題:

高速​鉄道​の​営業​距離​や​運行​本数​が​増える​につれ、​安全​性​と​効率​性​の​向上​に対する​関心​が​高​ま​って​き​ま​した。​当社​は、​現在​でも​運行​や​保守​の​さらなる​最適​化​が​必要​で​ある​と​考え​ます。​状態​監視​により​従来​の​受け身​型​の​保守​から​脱却​する​こと​で、​最適​化​を​進​め、​経済​効率​を​改善​でき​ます。

ソリューション:

CRRC (中​車​四方​車輛​有限公司) ​は、​NI InsightCM™​および​CompactRIO​に​CyberInsight Technology​社​の​機械​学習​アルゴリズム​を​組み合わせ​て、​予知​保全​システム​を​構築​しま​した。​列車​の​稼働​時間​を​増やす​とともに、​時速​350 km​に​達する​高速​運転​時​の​安全​確保​に​役​立て​てい​ます。

予知​保全​は、​インダストリアル​IoT (IIoT) の​重要​な​応用​領域​の​1​つ​として​注目​を​集め​てい​ます。​Roland Berger GmbH​は、​HANNOVER MESSE (世界​最大​の​産業​見本市) の​協力​の​も​と、​メカニカル​エンジニアリング​事業​を​手掛ける​153​社​を​対象​に​アンケート​調査​を​実施​しま​した。​とくに​トランス​ミッション​エンジニアリング、​メカニカル​トランス​ミッション、​油圧​トランス​ミッション、​電動​オートメーション、​ロボティクス​など​の​分野​に​対象​が​絞​ら​れ​ま​した。​その​結果、​回答​した​企業​の​81%​が​予知​保全​計画​を​導入​し、​そのうち​約​40%​が​関連​する​技術​や​サービス​を​提供​し​て​いる​こと​が​わか​り​ま​した。​一方、​いまだ​研究​開発​段階​で​ある​か、​それに​関連​する​作業​を​始め​てい​ない​企業​は​多数​存在​し​ます。

 

中国​高速​鉄道​プロジェクト​の​予知​保全​から​得​られる​洞察

中国​の​高速​鉄道​の​革新​は、​世界​の​注目​を​集め​てい​ます。​新型​車両​「復興​号」​は​時速​350 km​で​営業​運転​し​て​おり、​これ​は​世界​の​高速​鉄道​の​中でも​最高​の​営業​速度​です。​高速​走行​に​は​稼働​時間​の​維持​と​安全​性​の​確保​が​不可欠​な​ため、​予知​保全​は​きわめて​重要​です。

 

高速​鉄道​向け​予知​保全​ソリ​ュ​ー​ション​システム​の​構築​における​第​1​段階​は、​機械​学習​アルゴリズム​の​開発​です。​そのため​に、​モデル​の​トレーニング​用​に​大量​の​データ​を​収集​する​必要​が​ありま​した。​データ​を​短期間​で​収集​できる​よう、​高速​鉄道​の​試運転​路線 (中国​青島​市​の​CRRC​施設​内) に​回転​部品​を​8​つ​取り付け​ま​した。​これ​が​概念​実証​として​機能​し、​求め​ら​れ​てい​た​貴重​な​データ​を​得​ら​れ​た​の​です。​回転​部品​それぞれ​の​振動​と​速度​を​計測​し、​収集​した​データ​を​選別、​解析​しま​した。​ここ​から、​最終​的​に​すべて​の​回転​部品​について、​その​健全性​に関する​洞察​を​得る​こと​が​でき​ま​した。​しかし、​この​プロトタイプ​調査​により、​以下​に​述べる​5​つ​の​大きな​課題​が​明らか​に​なり​ま​した。

 

リアルタイム​の​データ​収集  

リアルタイム​の​オンライン​監視​システム​を​早急​に​構築​する​必要​が​ありま​した。​10​個​の​回転​部品​について、​振動​と​速度​の​データ​を​1​つ​の​信号​デバイス​で​同期​し​て​収集​する​に​は、​20​の​データ​収集​チャンネル​が​必要​です。

 

サンプリング​周波数

高速​鉄道​では、​スピンドル​速度​が​最大​2,200 rpm​となり​ます。​また、​サンプル​の​周波数​レンジ​が​あらゆる​障害​の​周波数​を​カバー​する​に​は、​25.6 kS/​s​の​サンプル​レート​が​必要​で​した。

 

連続​集録

適切​な​解析​の​ため​に、​複数​の​センサ​から​継続​的​に​高速​データ​ストリーム​を​収集​する​必要​が​ありま​した。

 

データ​処理

高​周波数​データ​を​マルチ​チャンネル​で​収集​する​場合、​短時間​で​大量​の​データ​が​発生​し​ます。​この​データ​から​健全性​の​把握​に​必要​な​情報​を​得る​ため、​信号処理と特徴抽出を行った後、​サーバ​に​渡し​ます。​そのため、​非常​に​高度​な​演算​能力​と​メモリ​割り当て​が​テスト​システム​に​要求​さ​れ​ます。

 

時間​の​同期

機械​学習​アルゴリズム​の​開発​時に​効率​よく​利用​できる​よう、​全​チャンネル​から​収集​した​データ​に対して​高い​精度​で​同期​を​取り、​タイム​スタンプ​を​付与​する​必要​が​ありま​した。​さらに、​この​テスト​装置​の​タイム​スタンプ​は、​サーバ​側​とも​同期​する​必要​が​ありま​した。​それ​によって、​タイム​スタンプ​を​他の​ソース​から​得​られる​データ​と​一緒​に​モデル​に​組み込む​こと​が​でき​ま​した。

 

 

当社​では​データ​収集​に​NI InsightCM​および​CompactRIO​を​使用​する​ソリューション​を​採用​し、​上記​の​課題​に​対処​しま​した。​チャンネル​数​や​サンプリング​周波数​の​要件​に​基​づ​い​て​選​ん​だ​の​が、​cRIO-9036​コントローラ​と​NI-9232​音響/​振動​入力​モジュール​です。​CompactRIO​は、​演算​能力​や​メモリ​割り当て​の​要件​を​完全​に​満​た​し​ます。​NI InsightCM​を​導入​した​結果、​マルチ​チャンネル​の​データ​収集​で​同期​を​実現​した​だけ​で​なく、​NTP​タイム​サーバ​を​利用​し​て​デバイス​と​サーバ​間​の​時刻​一貫性​も​維持​できる​よう​に​なり​ま​した。

 

当社​チーム​は​CompactRIO​上​で​質​の​高い​データ​を​収集​し、​CompactRIO​上​で​健全性​予知​アルゴリズム​を​実行​しま​した。​また、​リアルタイム​の​要件​を​満たす​CompactRIO​の​おかげ​で、​高速​鉄道​の​テスト​中​に​発生​する​すべて​の​障害​を​高い​確度​で​解析​できる​よう​に​な​っ​た​の​です。

 

エッジ​コン​ピ​ュ​ー​ティン​グ​と​クラ​ウド​コン​ピ​ュ​ー​ティン​グ​を​統合​し、​データ​から​洞察​を​得る

CyberInsight Technology​社​は​NI​および​CRRC​と​連携​し​て、​この​予知​保全​用​コネ​ク​テッド​システム​の​データ​に関する​課題​の​いくつか​を​解決​しま​した。​振動​データ​は​通常、​高い​収集​レート (加速度​計​の​1​チャンネル​あたり​約​1​万​~​10​万​サンプル/​秒) で​サンプリング​さ​れ​ます。​CompactRIO​上の​処理​要素​により、​この​データ​を​計算​処理​し​て​RMS​や​ピーク​振動​の​よう​な​特徴​を​抽出​し​て​から、​サーバ​に​送信​し​ます。​この​方式​により、​分散​配備​さ​れ​た​エッジ​ノード​の​CompactRIO​と、​列車​の​中心​に​位置​する​NI InsightCM Server​と​の​間​で​必要​な​帯域​幅​を​抑える​こと​が​でき​ます。​この​よう​な​大量​の​データ​を​通常​の​ネットワーク​上​で​伝送​する​の​は​困難​を​伴​い、​高速​で​移動​する​列車​の​外部​に​データ​を​送信​する​場合​に​は、​さらに​その​費用​と​複雑​さ​は​増大​し​ます。​現在、​機械​学習​の​研究​や​分析​モデル​の​作成​は、​クラ​ウド​上​で​行​って​い​ます。​しかし​今回​の​ソリューション​では、​列車​内​に​ローカル​の​分散​型​ネットワーク​を​デプロイ​し​て、​高速​の​センサデータ​から​特徴​を​算出​し、​診断​結果​を​分析​し​て、​障害​の​兆候​を​早期​に​検出​する​計画​です。​この​計画​中​の​アーキテクチャ​では、​データ​の​ペイ​ロード​を​衛星​通信​で​伝送​する​ため、​前​処理​した​データ​を​パック​する​方式​に​比べ、​より​高密度​の​情報​となり​ます。​データ​転送​が​最小限​で​済​め​ば​商業​的​に​も​成り立ち​や​すく​なる​ので​大規模​に​デプロイ​でき、​鉄道​事業​者​が​運用​する​列車​数​が​増加​し​て​も​対応​でき​ます。

 

予知​保全​が​事業​に​もたらす​影響

テスト​データ​および​設備​データ​を​エンタープライズ​ネットワーク​に​接続​できる​よう​に​する​こと​は、​設計​および​製造​の​次​なる​革新​を​見​据​え​た​重要​な​一歩​と​いえ​ます。​CRRC​は、​CyberInsight​社​と​連携​し​て​NI​の​技術​を​利用​し、​高速​鉄道​から​得​た​データ​を​ネットワーク​に​接続​しま​した。​その​結果、​予知​保全​の​活用​によって​列車​の​稼働​時間​が​増える​ことに​なり​ます。​次世代​の​列車​を​運用​する​CRRC​は、​この​素晴らしい​テクノロジ​により、​はるかに​短期間​で​投資​を​回収​できる​で​しょう。

 

著者​情報:

Zhiqiang Zhang
CRRC Qingdao Sifang (青島​中​車​四方​軌道​車輛​有限公司)

図​1. ​ ​NI​の​プラットフォーム​を​基盤​と​する、​初期​の​システム​アーキテクチャ ​