A Spinoff a Day – Prevedere le avarie meccaniche e biologiche

La tecnologia che mette in relazione sistemi diversi per prevederne future avarie esiste già. Vediamo come potrebbe aiutarci nella diagnosi della nostra salute.

La nascita dell’idea

“In un’era di dispositivi smart in grado di interagire l’un l’altro e reagire all’ambiente manca ancora l’autocoscienza“. Questo è ciò che pensa David Cirulli, vice presidente e cofondatore della CEMSol LLC di Phoenix. Il nome della compagnia è l’acronimo di “Soluzioni Complete di Gestione Ingegneristica”, che certamente suona un po’ vago, ma adatto all’ampia portata del potenziale dei suoi software.

Al Mission Control Center di Houston, l'IMS viene usato sin dal 2005 per monitorare una dozzina di sistemi diversi. Fonte: NASA

Al Mission Control Center di Houston l’IMS viene usato sin dal 2005. Fonte: NASA

Come “autocoscienza” in questo caso si intende la capacità della macchina di rilevare eventuali anomalie o avarie della macchina stessa. Se la nostra automobile sapesse in anticipo quando si romperà la cinghia di distribuzione e perché, potremmo organizzarci per risolvere il problema.

La prima versione di ciò che divenne il software ISHM (Sistema Integrato di Gestione delle Condizioni) è stata sviluppata nel 2003 presso l’Ames Research Center per monitorare il comportamento del motore di un razzo ibrido sperimentale che funzionava sia a gas che a propellente solido.

“Non è facile costruire i modelli di tutto ciò che si vuole testare, perciò ci siamo chiesti se potessimo farlo automaticamente, grazie ai dati” spiega David Iversone, ingegnere presso la Divisione dei Sistemi Intelligenti dell’Ames, che ha dato vita al software Inductive Monitoring System (IMS).

Ogni sistema che si voglia monitorare ha sensori che misurano diversi fattori quali temperature, pressione, flusso del carburante, tensione e altri segnali vitali. Il programma IMS raccoglie tutti questi dati e, cercando in un archivio pre-caricato, determina le relazioni tra questi fattori variabili e stabilisce parametri di base per il comportamento normale del sistema. Qualsiasi deviazione da questo comportamento suggerisce un problema e una possibile avaria a breve termine.

“La nostra tecnologia permette di determinare e rilevare relazioni sia conosciute che ignote fra i diversi sistemi in gioco” afferma Cirulli; “se un essere umano può capire le correlazioni tra 5 o 7 entità al massimo, il software di estrazione dei dati può considerare centinaia di sistemi alla volta”. Il banco di prova del motore è stata l’opportunità per testare questo nuovo metodo che, secondo Iversone “è adatto a tutti i sistemi che producano dati e che abbiano una sorta di range all’interno del quale funzionare correttamente”.

a bordo L'Inductive Monitoring System (IMS) per monitorarne i sistemi elettrici. Fonte: NASA

Il lancio della capsula Orion nel dicembre del 2014 con a bordo L’Inductive Monitoring System (IMS) per verificare i sistemi elettrici. Fonte: NASA

Nel 2005 il team del Mission Control Center responsabile del controllo d’assetto delle sonde spaziali ha scelto IMS  per trovare la causa di un problema occorso ad un giroscopio. Il gruppo di Iverson approntò il software a dovere e il lavoro fu coronato da successo. Dopo questa esperienza il Mission Control decise di sviluppare la propria versione di IMS con l’aiuto di CEMSol e alla fine fu brevettata da NASA nel 2008.

Ora il programma è integrato nei sistemi di controllo di prossima generazione presso il Kennedy Space Center e ha già monitorato i sistemi elettrici della capsula Orion durante il test di lancio del Dicembre 2014. E’ stato anche adattato al jet da combattimento F-18 e al motore dell’elicottero Black Hawk.

Sempre nel 2014 IMS ha aiutato gli astronauti a bordo della ISS a controllare il funzionamento del rilevatore di carbonio che assicura la potabilità dell’acqua, ma lo scopo ultimo, secondo gli ideatori, “è quello di supportare la crew in vista di missioni nello spazio profondo così che quando saranno lontani dall’orbita Terrestre potranno essere autonomi nella maggior parte dei lavori”.

Trasferimento tecnologico

Elicottero Black Hawke, nel quale è stato integrato l'ISHM. Fonte: NASA

Elicottero Black Hawk, nel quale è stato integrato l’ISHM. Fonte: NASA

Nel 2012 la CEMSol ha richiesto a NASA il permesso di utilizzare il programma e ha acquisito la concessione del software Outlier Detection via Estimating Clusters che Iverson ha sviluppato come un’estensione dell’algoritmo IMS, assieme all’interfaccia creata dall’Ames.

L’azienda ne ha quindi migliorato la grafica e sviluppato due pacchetti: uno come applicazione desktop e l’altro come kit per sviluppatori. La versione desktop utilizza un set di funzioni predefinite per importare e analizzare dati periodicamente, mentre il kit per gli sviluppatori può monitorare i sistemi costantemente e in tempo reale.

Dalla sua messa in commercio nel 2014 il software ha già catturato l’attenzione di grandi acquirenti, tra cui la ditta DSI International che lo ha integrato nella sua applicazione di diagnostica “eXpress” dedicata all’esercito e alla marina.

Con le sue integrazioni il programma ora fornisce una combinazione di diagnosi sia empiriche che basate su modelli teorici. Queste ultime sono in grado di rilevare avarie non comuni, quelle occorse raramente e che pertanto non hanno una storia che permetta di trovare la soluzione velocemente, mentre la diagnosi empirica è basata su osservazioni di problemi già avvenuti in passato, perciò è particolarmente valida nell’identificare guasti con caratteristiche note.

Benefici

Nel 2012 la CEMSol ha creato un team con l’Ames e con la Lockheed Martin per testare ISHM sull’aereo militare da trasporto C-130 Hercules che aveva spesso problemi con una valvola di scambio del flusso d’aria dei motori durante l’accensione. Sono stati acquisiti set di dati da 16 velivoli a partire dal momento dell’avvio e per una durata di 4 anni. Il programma, dopo aver fatto “esperienza”, è stato in grado di predire un guasto che sarebbe avvenuto alla successiva terza accensione.

C-130 Hercules di Lockheed Martin durante l'accensione. Fonte: NASA

C-130 Hercules di Lockheed Martin durante l’accensione. Fonte: NASA

I produttori che adotteranno questo metodo non dovranno riprogettare completamente la parte incriminata o introdurre un nuovo sistema computerizzato, mentre gli operatori non dovranno considerare un aereo di backup o attendere l’avaria per poi cercare un altro mezzo.

La Lockheed Martin ha investito l’equivalente di 65.000 € nei test, ma ha velocemente recuperato 10 volte quella somma trovandola nella riduzione dei costi di manutenzione e nella diminuzione dei ritardi delle missioni.

Secondo Cirulli questo è solo il primo passo verso l’auto-monitoraggio universale, dai telefoni cellulari, agli apparati medicali, ai frigoriferi, alle automobili. L’azienda ha persino usato il software per analizzare i sistemi di rilevamento meteorologico e predire tormente di neve, bufere e tempeste di sabbia. “Ad ora non abbiamo trovato sistema in cui non siamo stati in grado di lavorare” afferma, promettendo che il suo prossimo obiettivo sarà quello di verificare la fattibilità del suo utilizzo in campo medico. A questo proposito Cirulli sta pensando di inserire nel software i dati delle sue analisi del sangue per qualche anno, in modo da capire se il sistema possa essere usato per predire i problemi di salute prima che avvengano. “Sarà come raccontare i propri sintomi ad un dottore, ma in modo molto più accurato” afferma, sognando rivoluzioni in termini di affidabilità e qualità come quella che ha portato Toyota attorno agli anni 1980 nell’ambito automobilistico, prima della quale gli automobilisti erano felici se un veicolo sopravviveva per 100.000 km.

“Storicamente i sistemi di gestione della salute sono stati messi in secondo piano,” dice, “ma in futuro si riveleranno molto più affidabili e duraturi perché loro stessi arriveranno ad avere una maggior comprensione del proprio comportamento”.

Per approfondire:

Spinoff nel dettaglio [ENG]

Il sito di CEMSol [ENG]

Report finale del progetto di dimostrazione tecnologica ISHM sull’F/A-18 [pdf – ENG]

Sito di DSI ed eXpress [ENG]

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Veronica Remondini

Appassionata di scienza, è intimamente meravigliata di quanto la razza umana sia in grado di creare, e negare tale abilità allo stesso tempo. Stoica esploratrice di internet, ha una sua condanna: le paroline blu che rimandano ad altre pagine. Collaudatrice dell'abbigliamento da moto Stark Ind., nel tempo libero cerca invano di portare il verbo tesliano nel mondo.

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