A Comparison of Filter-based Approaches for Model-based Prognostics

Model-based prognostics approaches use domain knowledge about a system and its failure modes through the use of physics-based models. Model-based prognosis is generally divided into two sequential problems: a joint state-parameter estimation problem, in which, using the model, the health of a system or component is determined based on the observations; and a prediction problem, in which, using the model, the stateparameter distribution is simulated forward in time to compute end of life and remaining useful life. The first problem is typically solved through the use of a state observer, or filter. The choice of filter depends on the assumptions that may be made about the system, and on the desired algorithm performance. In this paper, we review three separate filters for the solution to the first problem: the Daum filter, an exact nonlinear filter; the unscented Kalman filter, which approximates nonlinearities through the use of a deterministic sampling method known as the unscented transform; and the particle filter, which approximates the state distribution using a finite set of discrete, weighted samples, called particles. Using a centrifugal pump as a case study, we conduct a number of simulation-based experiments investigating the performance of the different algorithms as applied to prognostics

Improved railway vehicle inspection and monitoring through the integration of multiple monitoring technologies

The effectiveness and efficiency of railway vehicle condition monitoring is increasingly critical to railway operations as it directly affects safety, reliability, maintenance efficiency, and overall system performance. Although there are a vast number of railway vehicle condition monitoring technologies, wayside systems are becoming increasingly popular because of the reduced cost of a single monitoring point, and because they do not interfere with the existing railway line. Acoustic sensing and visual imaging are two wayside monitoring technologies that can be applied to monitor the condition of vehicle components such as roller bearing, gearboxes, couplers, and pantographs, etc. The central hypothesis of this thesis is that it is possible to integrate acoustic sensing and visual imaging technologies to achieve enhancement in condition monitoring of railway vehicles. So this thesis presents improvements in railway vehicle condition monitoring through the integration of acoustic sensing and visual imaging technologies

NASA Tech Briefs, December 1989

Topics include: Electronic Components and Circuits. Electronic Systems, Physical Sciences, Materials, Computer Programs, Mechanics, Machinery, Fabrication Technology, Mathematics and Information Sciences, and Life Sciences

Sensor Signal and Information Processing II

In the current age of information explosion, newly invented technological sensors and software are now tightly integrated with our everyday lives. Many sensor processing algorithms have incorporated some forms of computational intelligence as part of their core framework in problem solving. These algorithms have the capacity to generalize and discover knowledge for themselves and learn new information whenever unseen data are captured. The primary aim of sensor processing is to develop techniques to interpret, understand, and act on information contained in the data. The interest of this book is in developing intelligent signal processing in order to pave the way for smart sensors. This involves mathematical advancement of nonlinear signal processing theory and its applications that extend far beyond traditional techniques. It bridges the boundary between theory and application, developing novel theoretically inspired methodologies targeting both longstanding and emergent signal processing applications. The topic ranges from phishing detection to integration of terrestrial laser scanning, and from fault diagnosis to bio-inspiring filtering. The book will appeal to established practitioners, along with researchers and students in the emerging field of smart sensors processing

Rolling contact fatigue failures in silicon nitride and their detection

The project investigates the feasibility of using sensor-based detection and processing systems to provide a reliable means of monitoring rolling contact fatigue (RCF) wear failures of silicon nitride in hybrid bearings. To fulfil this investigation, a decision was made early in the project to perform a series of hybrid rolling wear tests using a twin disc machine modified for use on hybrid bearing elements.The initial part of the thesis reviews the current understanding of the general wear mechanisms and RCF with a specific focus to determine the appropriate methods for their detection in hybrid bearings. The study focusses on vibration, electrostatic and acoustic emission (AE) techniques and reviews their associated sensing technologies currently deployed with a view of adapting them for use in hybrids. To provide a basis for the adaptation, an understanding of the current sensor data enhancement and feature extraction methods is presented based on a literature review.The second part describes the test equipment, its modifications and instrumentation required to capture and process the vibration, electrostatic and AE signals generated in hybrid elements. These were identified in an initial feasibility test performed on a standard twin disc machine. After a detailed description of the resulting equipment, the thesis describes the calibration tests aimed to provide base data for the development of the signal processing methods.The development of the signal processing techniques is described in detail for each of the sensor types. Time synchronous averaging (TSA) technique is used to identify the location of the signal sources along the surfaces of the specimens and the signals are enhanced by additional filtering techniques.The next part of the thesis describes the main hybrid rolling wear tests; it details the selection of the run parameters and the samples seeded with surface cracks to cover a variety of situations, the method of execution of each test run, and the techniques to analyse the results.The research establishes that two RCF fault types are produced in the silicon nitride rolling element reflecting essentially different mechanisms in their distinct and separate development; i) cracks, progressing into depth and denoted in this study as C-/Ring crack Complex (CRC) and ii) Flaking, progressing primarily on the surface by spalls. Additionally and not reported in the literature, an advanced stage of the CRC fault type composed of multiple and extensive c-cracks is interpreted as the result of induced sliding in these runs. In general, having reached an advanced stage, both CRC and Flaking faults produce significant wear in the steel counterface through abrasion, plastic deformation or 3-body abrasion in at least three possible ways, all of which are described in details

Distributed Estimation Using Partial Knowledge about Correlated Estimation Errors

Sensornetzwerke werden in vielen verschiedenen Anwendungen, z. B. zur Überwachung des Flugraumes oder zur Lokalisierung in Innenräumen eingesetzt. Dabei werden Sensoren häufig räumlich verteilt, um eine möglichst gute Abdeckung des zu beobachtenden Prozesses zu ermöglichen. Sowohl der Prozess als auch die Sensormessungen unterliegen stochastischem Rauschen. Daher wird oftmals eine Zustandsschätzung, z. B. durch ein Kalmanfilter durchgeführt, welcher die Unsicherheiten aus dem Prozess- und Messmodel systematisch berücksichtigt. Die Kooperation der individuellen Sensorknoten erlaubt eine verbesserte Schätzung des Systemzustandes des beobachteten Prozesses. Durch die lokale Verarbeitung der Sensordaten direkt in den Sensorknoten können Sensornetzwerke flexibel und modular entworfen werden und skalieren auch bei steigender Anzahl der Einzelkomponenten gut. Zusätzlich werden Sensornetzwerke dadurch robuster, da die Funktionsfähigkeit des Systems nicht von einem einzigen zentralen Knoten abhängt, der alle Sensordaten sammelt und verarbeitet. Ein Nachteil der verteilten Schätzung ist jedoch die Entstehung von korrelierten Schätzfehlern durch die lokale Verarbeitung in den Filtern. Diese Korrelationen müssen systematisch berücksichtigt werden, um genau und zuverlässig den Systemzustand zu schätzen. Dabei muss oftmals ein Kompromiss zwischen Schätzgenauigkeit und den begrenzt verfügbaren Ressourcen wie Bandbreite, Speicher und Energie gefunden werden. Eine zusätzliche Herausforderung sind unterschiedliche Netzwerktopologien sowie die Heterogenität lokaler Informationen und Filter, welche das Nachvollziehen der individuellen Verarbeitungsschritte innerhalb der Sensorknoten und der korrelierten Schätzfehler erschweren. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Fusion von Zustandsschätzungen verteilter Sensorknoten. Speziell wird betrachtet, wie korrelierte Schätzfehler entweder vollständig oder teilweise gelernt werden können, um eine präzisere und weniger unsichere fusionierte Zustandsschätzung zu erhalten. Um Wissen über korrelierte Schätzfehler zu erhalten, werden in dieser Arbeit sowohl analytische als auch simulations-basierte Ansätze verfolgt. Eine analytische Berechnung der Korrelationen zwischen Zustandsschätzungen ist möglich, wenn alle Verarbeitungsschritte und Parameter der lokalen Filter bekannt sind. Dadurch kann z. B. ein zentraler Fusionsknoten die die Korrelation zwischen den Schätzfehlern rekonstruieren. Dieses zentralisierte Vorgehen ist jedoch oft sehr aufwendig und benötigt entweder eine hohe Kommunikationsrate oder Vorwissen über die lokale Verarbeitungsschritte und Filterparameter. Daher wurden in den letzten Jahren zunehmend dezentrale Methoden zur Rekonstruktion von Korrelationen zwischen Zustandsschätzungen erforscht. In dieser Arbeit werden Methoden zur dezentralen Nachverfolgung und Rekonstruktion von korrelierten Schätzfehlern diskutiert und weiterentwickelt. Dabei basiert der erste Ansatz auf der Verwendung deterministischer Samples und der zweite auf der Wurzelzerlegung korrelierter Rauschkovarianzen. Um die Verwendbarkeit dieser Methoden zu steigern, werden mehrere wichtige Erweiterungen erarbeitet. Zum Einen schätzen verteilte Sensorknoten häufig den Zustand desselben Systems. Jedoch unterscheiden sie sich in ihrer lokalen Berechnung, indem sie unterschiedliche Zustandsraummodelle nutzen. Ein Beitrag dieser Arbeit ist daher die Verallgemeinerung dezentraler Methoden zur Nachverfolgung in unterschiedlichen (heterogenen) Zustandsräumen gleicher oder geringerer Dimension, die durch lineare Transformationen entstehen. Des Weiteren ist die Rekonstruktion begrenzt auf Systeme mit einem einzigen zentralen Fusionsknoten. Allerdings stellt die Abhängigkeit des Sensornetzwerkes von einem solchen zentralen Knoten einen Schwachpunkt dar, der im Fehlerfall zum vollständigen Ausfall des Netzes führen kann. Zudem verfügen viele Sensornetzwerke über komplexe und variierende Netzwerktopologien ohne zentralen Fusionsknoten. Daher ist eine weitere wichtige Errungenschaft dieser Dissertation die Erweiterung der Methodik auf die Rekonstruktion korrelierter Schätzfehler unabhängig von der genutzten Netzwerkstruktur. Ein Nachteil der erarbeiteten Algorithmen sind die wachsenden Anforderungen an Speicherung, Verarbeitung und Kommunikation der zusätzlichen Informationen, welche für die vollständige Rekonstruktion notwendig sind. Um diesen Mehraufwand zu begrenzen, wird ein Ansatz zur teilweisen Rekonstruktion korrelierter Schätzfehler erarbeitet. Das resultierende partielle Wissen über korrelierte Schätzfehler benötigt eine konservative Abschätzung der Unsicherheit, um genaue und zuverlässige Zustandsschätzungen zu erhalten. Es gibt jedoch Fälle, in denen keine Rekonstruktion der Korrelationen möglich ist oder es eine Menge an möglichen Korrelationen gibt. Dies ist zum Einen der Fall, wenn mehrere Systemmodelle möglich sind. Dies führt dann zu einer Menge möglicher korrelierter Schätzfehler, beispielsweise wenn die Anzahl der lokalen Verarbeitungsschritte bis zur Fusion ungewiss ist. Auf der anderen Seite ist eine Rekonstruktion auch nicht möglich, wenn die Systemparameter nicht bekannt sind oder die Rekonstruktion aufgrund von begrenzter Rechenleistung nicht ausgeführt werden kann. In diesem Fall kann ein Simulationsansatz verwendet werden, um die Korrelationen zu schätzen. In dieser Arbeit werden Ansätze zur Schätzung von Korrelationen zwischen Schätzfehlern basierend auf der Simulation des gesamten Systems erarbeitet. Des Weiteren werden Ansätze zur vollständigen und teilweisen Rekonstruktion einer Menge korrelierter Schätzfehler für mehrere mögliche Systemkonfigurationen entwickelt. Diese Mengen an Korrelationen benötigen entsprechende Berücksichtigung bei der Fusion der Zustandsschätzungen. Daher werden mehrere Ansätze zur konservativen Fusion analysiert und angewendet. Zuletzt wird ein Verfahren basierend auf Gaußmischdichten weiterentwickelt, dass die direkte Verwendung von Mengen an Korrelationen ermöglicht. Die in dieser Dissertation erforschten Methoden bieten sowohl Nutzern als auch Herstellern von verteilten Schätzsystemen einen Baukasten an möglichen Lösungen zur systematischen Behandlung von korrelierten Schätzfehlern. Abhängig von der Art und den Umfang des Wissens über Korrelationen, der Kommunikationsbandbreite sowie der gewünschten Qualität der fusionierten Schätzung kann eine Methode passgenau aus den beschriebenen Methoden zusammengesetzt und angewendet werden. Die somit geschlossene Lücke in der Literatur eröffnet neue Möglichkeiten für verteilte Sensorsysteme in verschiedenen Anwendungsgebieten

Aeronautical engineering: A continuing bibliography with indexes (supplement 257)

This bibliography lists 560 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system in September 1990. Subject coverage includes: design, construction and testing of aircraft and aircraft engines; aircraft components, equipment and systems; ground support systems; and theoretical and applied aspects of aerodynamics and general fluid dynamics

NASA Tech Briefs, May 1989

This issue contains a special feature on the flight station of the future, discussing future enhancements to Aircraft cockpits. Topics include: Electronic Components and Circuits. Electronic Systems, Physical Sciences, Materials, Computer Programs, Mechanics, Machinery, Fabrication Technology, and Mathematics and Information Sciences

The Challenges of Low-Energy Secondary Electron Emission Measurement

The phenomena known as secondary electron emission was discovered over a century ago. Yet it remains very difficult to model accurately due to the limited availability of reliable experimental data. With the growing use of computer simulations in hardware development, the need for accurate models has increased. This research focused on determining what factors may be causing measurement discrepancies and methods for increasing the accuracy of measurements. It was found that several assumptions are commonly invoked when these measurements are performed that may not always be consistent with reality. The violation of these assumptions leads to measurement bias that is contingent upon the apparatus and the voltages used during the measurement. This research showed that secondary electron yield measurements are sensitive to changes in the apparatus geometry, the current level, and the electron gun settings. New techniques, hardware, and models were developed in order facilitate greater measurement repeatability and accuracy

Mining Technologies Innovative Development

The present book covers the main challenges, important for future prospects of subsoils extraction as a public effective and profitable business, as well as technologically advanced industry. In the near future, the mining industry must overcome the problems of structural changes in raw materials demand and raise the productivity up to the level of high-tech industries to maintain the profits. This means the formation of a comprehensive and integral response to such challenges as the need for innovative modernization of mining equipment and an increase in its reliability, the widespread introduction of Industry 4.0 technologies in the activities of mining enterprises, the transition to "green mining" and the improvement of labor safety and avoidance of man-made accidents. The answer to these challenges is impossible without involving a wide range of scientific community in the publication of research results and exchange of views and ideas. To solve the problem, this book combines the works of researchers from the world's leading centers of mining science on the development of mining machines and mechanical systems, surface and underground geotechnology, mineral processing, digital systems in mining, mine ventilation and labor protection, and geo-ecology. A special place among them is given to post-mining technologies research