A Microdata Analysis Approach to Transport Infrastructure Maintenance

Maintenance of transport infrastructure assets is widely advocated as the key in minimizing current and future costs of the transportation network. While effective maintenance decisions are often a result of engineering skills and practical knowledge, efficient decisions must also account for the net result over an asset's life-cycle. One essential aspect in the long term perspective of transport infrastructure maintenance is to proactively estimate maintenance needs. In dealing with immediate maintenance actions, support tools that can prioritize potential maintenance candidates are important to obtain an efficient maintenance strategy. This dissertation consists of five individual research papers presenting a microdata analysis approach to transport infrastructure maintenance. Microdata analysis is a multidisciplinary field in which large quantities of data is collected, analyzed, and interpreted to improve decision-making. Increased access to transport infrastructure data enables a deeper understanding of causal effects and a possibility to make predictions of future outcomes. The microdata analysis approach covers the complete process from data collection to actual decisions and is therefore well suited for the task of improving efficiency in transport infrastructure maintenance. Statistical modeling was the selected analysis method in this dissertation and provided solutions to the different problems presented in each of the five papers. In Paper I, a time-to-event model was used to estimate remaining road pavement lifetimes in Sweden. In Paper II, an extension of the model in Paper I assessed the impact of latent variables on road lifetimes; displaying the sections in a road network that are weaker due to e.g. subsoil conditions or undetected heavy traffic. The study in Paper III incorporated a probabilistic parametric distribution as a representation of road lifetimes into an equation for the marginal cost of road wear. Differentiated road wear marginal costs for heavy and light vehicles are an important information basis for decisions regarding vehicle miles traveled (VMT) taxation policies. In Paper IV, a distribution based clustering method was used to distinguish between road segments that are deteriorating and road segments that have a stationary road condition. Within railway networks, temporary speed restrictions are often imposed because of maintenance and must be addressed in order to keep punctuality. The study in Paper V evaluated the empirical effect on running time of speed restrictions on a Norwegian railway line using a generalized linear mixed model.

Aplicação de ferramentas de simulação estocástica na área de planeamento de uma empresa de abastecimento de água

No presente trabalho procura-se evidenciar algumas soluções para aplicação de simulação estocástica num contexto de gestão dos ativos, aplicado a um sistema de abastecimento de água, tirando partido da informação disponível sobre a manutenção que vem realizando, ao longo dos anos. Procura-se também descrever como estas metodologias podem ser aplicadas noutros casos, futuramente, beneficiando ainda da recolha de informação de colaboradores da empresa, com experiência no cargo e com elevado conhecimento do funcionamento das infraestruturas. A simulação estocástica é uma área cujas ferramentas podem dar uma preciosa ajuda no processo de tomada de decisão. Por outro lado, as organizações preocupam-se, cada vez mais, com o tema da gestão de ativos e com os custos a si associados, começando a investir mais tempo e dinheiro nessa matéria com o objetivo de delinearem estratégias para aumentar o período de vida útil dos seus ativos e otimizarem os seus investimentos de renovação. Nesse contexto, evidencia-se que um adequado plano de intervenções de manutenção e operação é uma boa metodologia, para garantir a redução de falhas no sistema de abastecimento de uma empresa desse setor, bem como garantir que as infraestruturas se encontram em condições de funcionamento. Contudo, esta abordagem tradicional não será suficiente para garantir as melhores práticas e os objetivos que se pretendem alcançar com uma gestão de ativos atual. O trabalho inclui, ainda, um estudo de caso com que se aplicaram as ferramentas estudadas a um caso real de um grupo de bombagem, de uma das Estações Elevatórias da empresa.

Condition-Based Diagnosis of Mechatronic Systems Using a Fractional Calculus Approach

While fractional calculus (FC) is as old as integer calculus, its application has been mainly restricted to mathematics. However, many real systems are better described using FC equations than with integer models. FC is a suitable tool for describing systems characterised by their fractal nature, long-term memory and chaotic behaviour. It is a promising methodology for failure analysis and modelling, since the behaviour of a failing system depends on factors that increase the model’s complexity. This paper explores the proficiency of FC in modelling complex behaviour by tuning only a few parameters. This work proposes a novel two-step strategy for diagnosis, first modelling common failure conditions and, second, by comparing these models with real machine signals and using the difference to feed a computational classifier. Our proposal is validated using an electrical motor coupled with a mechanical gear reducer.

Sistema de predição de avarias em máquinas de unidades fabris globalmente dispersas

Tese de Doutoramento Ramo Engenharia Industrial e de Sistemas

Kunnossapidon kehitysmalli sanomalehtipainon tuotannon luotettavuuden, tuottavuuden ja tuotteen laadun turvaamiseksi

Diplomityössä käsitellään ne toimet, jotka Esa Lehtipaino Oy:ssä tarvitsee tehdä kunnossapidon kehittämiseksi sanomalehtipainoprosessin kunnossapidossa. Työssä käytettiin luotettavuuskeskeisen ja kokonaisvaltaisen tuottavuuskeskeisen kunnossapidon strategioiden osia sekä PSK Standardisoinnin PSK 5705:2006standardin mukaista menetelmää määrittämään kunnossapidon kannalta tärkeimmät kohteet ja osa-alueet. PSK 5705:2006 on kunnonvalvonnan värähtelymittausten mittaustoiminnan suunnitteluun luotu standardi, jonka perusteella rakennettiin sanomalehtipainoprosessiin sopiva tuotantolaitteiston luokitusjärjestelmä. Luokituksenperusteella kohdennetaan kunnossapidon resurssit tuotantojärjestelmän luotettavuuden kannalta oikeisiin, tuottavimpiin kohteisiin. Tuotantohenkilöstön kunnossapitohenkilökunnalle tekemien vikailmoitusten välitykseen rakennettiin Microsoft Access -pohjainen Vikaloki-lomake. Kunnossapitotoiminnan kehityksen tuloksien seuraamiseksi määritettiin PSK 6201:2003 standardin mukainen tuotannon kokonaistehokkuutta kuvaava KNL-luku. KNL-luvusta luotiin ennuste kunnossapidon kehittämistarpeista regressioanalyysin avulla. Kehitysmalli esittää, että kohdeyrityksessä tulee toiminnan kehittäminen aloittaa päivittämällä tietokonepohjainen toiminnanohjausjärjestelmä, johon lisätään ennakoivat suunnitellut kunnossapitotoimet. Toimet määriteltiin yllämainitun kriittisyysluokituksen perusteella.

Venttiilien kunnossapidon optimointi

Tässä työssä tarkastellaan venttiilien kunnossapitoa ja erityisesti niiden kunnonvalvontaa. Työssä on kerrottu perusteita venttiileiden kunnonvalvonnan suorittamiseksi, venttiili- ja toimilaitevikojen perussyistä ja niiden havaitsemisesta. Työn pääpaino on kuitenkin kunnonvalvontamenetelmissä ja niiden käytössä. Mittauksia venttiilivuodon havaitsemiseksi suoritettiin akustisen emission, ultraäänen ja lämpötilan pistemittauksen avulla. Venttiilien yleistä kuntoa määritettiin värähtelyn, venymäliuskojen ja laitoksella jo toimivan moottoritoimilaitteen virtamittauksen avulla. Työssä on annettu suuntaviivat tulosten tulkitsemiselle, mutta yksityiskohtainen ja tarkempi tulosten tulkinnan määrittäminen jätetään laitoksen henkilökunnasta sille henkilölle joka mittauksia tulee tekemään tai jonka työnkuvaan muuten kuuluu kyseisten tulosten tulkitseminen.

Data collection and criticality analysis for cost effective maintenance during the life cycle of a flue gas line

Työn tarkoituksena oli kerätä käyttövarmuustietoa savukaasulinjasta kahdelta suomalaiselta sellutehtaalta niiden käyttöönotosta aina tähän päivään asti. Käyttövarmuustieto koostuu luotettavuustiedoista sekä kunnossapitotiedoista. Kerätyn tiedon avulla on mahdollista kuvata tarkasti laitoksen käyttövarmuutta seuraavilla tunnusluvuilla: suunnittelemattomien häiriöiden lukumäärä ja korjausajat, laitteiden seisokkiaika, vikojen todennäköisyys ja korjaavan kunnossapidon kustannukset suhteessa savukaasulinjan korjaavan kunnossapidon kokonaiskustannuksiin. Käyttövarmuustiedon keräysmetodi on esitelty. Savukaasulinjan kriittisten laitteiden määrittelyyn käytetty metodi on yhdistelmä kyselytutkimuksesta ja muunnellusta vian vaikutus- ja kriittisyysanalyysistä. Laitteiden valitsemiskriteerit lopulliseen kriittisyysanalyysiin päätettiin käyttövarmuustietojen sekä kyselytutkimuksen perusteella. Kriittisten laitteiden määrittämisen tarkoitus on löytää savukaasulinjasta ne laitteet, joiden odottamaton vikaantuminen aiheuttaa vakavimmat seuraukset savukaasulinjan luotettavuuteen, tuotantoon, turvallisuuteen, päästöihin ja kustannuksiin. Tiedon avulla rajoitetut kunnossapidon resurssit voidaan suunnata oikein. Kriittisten laitteiden määrittämisen tuloksena todetaan, että kolme kriittisintä laitetta savukaasulinjassa ovat molemmille sellutehtaille yhteisesti: savukaasupuhaltimet, laahakuljettimet sekä ketjukuljettimet. Käyttövarmuustieto osoittaa, että laitteiden luotettavuus on tehdaskohtaista, mutta periaatteessa samat päälinjat voidaan nähdä suunnittelemattomien vikojen todennäköisyyttä esittävissä kuvissa. Kustannukset, jotka esitetään laitteen suunnittelemattomien kunnossapitokustannusten suhteena savukaasulinjan kokonaiskustannuksiin, noudattelevat hyvin pitkälle luotettavuuskäyrää, joka on laskettu laitteen seisokkiajan suhteena käyttötunteihin. Käyttövarmuustiedon keräys yhdistettynä kriittisten laitteiden määrittämiseen mahdollistavat ennakoivan kunnossapidon oikean kohdistamisen ja ajoittamisen laitteiston elinaikana siten, että luotettavuus- ja kustannustehokkuusvaatimukset saavutetaan.

The Design of a Software Lifecycle Management Framework to a Configuration Management System

Keeping track of software assets and managing software installations in IT environments can be a hard endeavor, especially when the size and diversity of the environment grows. How to install and uninstall software efficiently and cost effectively? Are there too few or too many software licenses purchased? If installed, is the software actually in use? Software Asset Management (SAM) is a process that involves managing and optimizing the purchase, deployment, maintenance, utilization, and disposal of software applications within an organization. This master’s thesis describes a special Software Lifecycle Management Framework to provide solutions to the multitude of challenges within SAM. The main objectives when designing the framework was to provide a set of tools to control the software assets during their entire lifecycle while trying to minimize the costs related to owning and managing them.

Kunnonvalvonnan uudelleen organisointi

Tutkimuksen tavoitteena oli tarkastella nykyinen kunnonvalvonnan toimintomalli Eforan kunnossapitopaikkakunnilla. Tarkastelun pohjalta tutkimuksessa organisoidaan kunnonvalvonta uudelleen näissä kohteissa. Kohteena ovat Eforan paikkakunnat Heinola, Imatra, Oulu, Varkaus, Veitsiluoto is Uimaharju. Teoriaosiossa käsitellään strategista johtamista yrityksen perustamisen näkökulmasta, Perustamista lähestytään myös analyysien kautta, sekä organisaation liiketoimintamallien ja prosessien kautta. Empiirisessä osiossa tehtiin organisaation hahmottamisen kautta portfolio-analyysi, markkinatarkastelu is toimintasuunnitelma. Ne loivat perustan uudelleen organisoitumiselle. Osioon sisältyvät myös toiminnan käynnistämiseen, järjestäytymiseen, mittaamiseen, seurantaan ja raportointiin liittyvät toimet.

Online Ultrasound Measurements of Membrane Compaction

There are several filtration applications in the pulp and paper industry where the capacity and cost-effectiveness of processes are of importance. Ultrafiltration is used to clean process water. Ultrafiltration is a membrane process that separates a certain component or compound from a liquid stream. The pressure difference across the membrane sieves macromolecules smaller than 0.001-0.02 μm through the membrane. When optimizing the filtration process capacity, online information about the conditions of the membrane is needed. Fouling and compaction of the membrane both affect the capacity of the filtration process. In fouling a “cake” layer starts to build on the surface of the membrane. This layer blocks the molecules from sieving through the membrane thereby decreasing the yield of the process. In compaction of the membrane the structure is flattened out because of the high pressure applied. The higher pressure increases the capacity but may damage the structure of the membrane permanently. Information about the compaction is needed to effectively operate the filters. The objective of this study was to develop an accurate system for online monitoring of the condition of the membrane using ultrasound reflectometry. Measurements of ultrafiltration membrane compaction were made successfully utilizing ultrasound. The results were confirmed by permeate flux decline, measurements of compaction with a micrometer, mechanical compaction using a hydraulic piston and a scanning electron microscope (SEM). The scientific contribution of this thesis is to introduce a secondary ultrasound transducer to determine the speed of sound in the fluid used. The speed of sound is highly dependent on the temperature and pressure used in the filters. When the exact speed of sound is obtained by the reference transducer, the effect of temperature and pressure is eliminated. This speed is then used to calculate the distances with a higher accuracy. As the accuracy or the resolution of the ultrasound measurement is increased, the method can be applied to a higher amount of applications especially for processes where fouling layers are thinner because of smaller macromolecules. With the help of the transducer, membrane compaction of 13 μm was measured in the pressure of 5 bars. The results were verified with the permeate flux decline, which indicated that compaction had taken place. The measurements of compaction with a micrometer showed compaction of 23–26 μm. The results are in the same range and confirm the compaction. Mechanical compaction measurements were made using a hydraulic piston, and the result was the same 13 μm as obtained by applying the ultrasound time domain reflectometry (UTDR). A scanning electron microscope (SEM) was used to study the structure of the samples before and after the compaction.

Kompressoriyksiköiden mekaaninen kunnonhallinta

Kunnossapidon kuluista suurimman osan aiheuttavat koneiden ennakoimattomat rikkoutumiset ja niiden tuomat tuotannonpysäytykset. Kunnossapidon suunnitelmallisuutta ja vikojen ennustettavuutta pyritään parantamaan erilaisin kunnonvalvonnallisin keinoin. Havaitsemalla alkava vikaantuminen ajoissa ja seuraamalla sen kehittymistä luodaan mahdollisuus korjaustoimenpiteiden ja -ajankohdan hallittuun suunnitteluun ja tätä kautta kustannussäästöihin. Tässä työssä on tutkittu kompressoriyksiköiden (kaasuturbiini ja keskipakokompressori) ja niiden apulaitteiden kunnossapidon menetelmiä, niiden hyödynnettävyyttä sekä mahdollisuuksia kehittää mekaanista kunnonhallintaa. Työssä päädyttiin johtopäätökseen, että käytettävien menetelmien hyödynnettävyydessä on kehitettävää. Kunnonvalvonnan ohjeistuksia tarkennettiin vastaamaan tämän päivän tavoitteita. Todettiin myös, että värähtelynvalvontaan perustuva kunnonvalvontajärjestelmä soveltuu hyvin kompressoriyksiköiden kunnonvalvonnan järjestelmäksi. Värähtelynvalvontaan perustuva kunnonvalvontajärjestelmä luo mahdollisuuden turvallisen käyttöajan ennustamiseen. Kunnonvalvonnan kehittämisen ja käyttövarmuuden parantamisen kannalta jatkotutkimuksen tekeminen kompressoriyksiköiden mekaanistenlaitteiden turvallisen käyttöajan ennustamiseksi on perusteltua.

Hitsauskoneen kunnonvalvontajärjestelmän kehittäminen

Teollisuuden kasvavien laatuvaatimusten johdosta valmistava teollisuus joutuu tiukentamaan laatuvaatimuksiaan täyttääkseen asiakasvaatimukset. Laatujärjestelmät asettavat valmistajille erilaisia vaatimuksia, kuten valmistuksessa käytettävien laitteistojen huoltodokumentaatioiden tuottaminen. Standardi SFS-EN ISO 3834-2 Metallien sulahitsauksen laatuvaatimukset: Kattavat laatuvaatimukset tuo edellä mainitut vaatimukset myös hitsaustuotantoon. Ennakoivaa kunnossapitoa käytetään monilla teollisuuden aloilla, koska tuotannon yllättävät keskeytymiset halutaan ennaltaehkäistä. Käsinhitsaukseen ei ole ollut toistaiseksi työkaluja, jotka mahdollistaisivat ennakoivan kunnossapidon hitsauskoneille. Kemppi Oy kehittää hitsauksen monitorointiratkaisua, jonka yhtenä päämääränä on kunnonvalvontajärjestelmän kehittäminen hitsauslaitteistolle. Järjestelmä ottaa huomioon myös laatujärjestelmien asettamat vaatimukset hitsauskoneiden huoltodokumentaation tuottamisesta. Diplomityön tavoitteena oli tehdä vaatimusmäärittely hitsauskoneiden kunnonvalvontajärjestelmälle. Tässä diplomityössä perehdyttiin kunnossapidon ja vikaantumisen lajeihin, laatujärjestelmiin sekä hitsauslaitteistoon. Tutkimuksessa syvennyttiin hitsauskoneiden kunnossapidon ja vikaantumistapauksien kautta suunnitteilla olevan järjestelmän tarpeisiin. Haastatteluiden avulla kartoitettiin hitsauslaitteiden kunnonvalvontajärjestelmältä vaadittavia piirteitä, järjestelmälle asetettavia vaatimuksia sekä järjestelmän monitorointikohteita. Tutkimuksen pohjalta laadittuun vaatimusmäärittelyyn saatiin muodostettua toiminnalliset vaatimukset, joista muodostetaan tuotekehityksen aikana tuotteen ominaisuudet. Lisäksi vaatimusmäärittelyyn luotiin käyttäjäryhmät, käyttötapaukset sekä alustavat monitorointikohteet. Vaatimusten täyttämiseksi kunnonvalvontajärjestelmään on suunnitteilla myös laitetietokanta, johon sisällytetään hitsauslaitteille suoritettujen huoltojen ja validointien tiedot. Varsinaisen tuotekehitystyön alkaessa nyt laadittua vaatimusmäärittelyä tullaan käyttämään suuntaviivojen näyttäjänä projektissa.

Profiling the Value of Industrial Maintenance Services

Industrial maintenance can be executed internally, acquired from the original equipment manufacturer or outsourced to a service provider, and this concludes in many different kind of business relationships. To maximize the total value in a maintenance business relationship it is important to know what the partner values. The value of maintenance services can be considered to consist of value elements and the perceived total value for the customer and the service provider is the sum of these value elements. The specific objectives of this thesis are to identify the most important value elements for the maintenance service customer and provider and also to recognize where the value elements differ. The study was executed as a statistical analysis using the survey method. The data has been collected by an online survey sent to 345 maintenance service professionals in Finland. In the survey, four different types of value elements were considered: the customer’s high critical and low critical items and the service provider’s core and support service. The most valued elements by the respondents were reliability, safety at work, environmental safety, and operator knowledge. The least valued elements were asset management factors and access to markets. Statistically significant differences in value elements between service types were also found. As a managerial implication a value gap profile is presented. This Master’s Thesis is part of the MaiSeMa (Industrial Maintenance Services in a Renewing Business Network: Identify, Model and Manage Value) research project where network decision models are created to identify, model and manage the value of maintenance services.

Paperitehtaan arkittamon kokonaistehokkuuden nostaminen kunnossapitoa kehittämällä

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia, miten UPM:n Kymin tehtaan A4- arkittamon kunnossapitotoimintaa pystyttäisiin kehittämään niin, että tuotantolaitoksen kokonaistehokkuutta saataisiin kasvatettua. Työssä on pohdittu keinoja nykyisen, pääasiallisesti korjaavan kunnossapitotoiminnan muuttamiseksi suunnitelmalliseksi eri teorialähtökohtien pohjalta. Keskeinen teoria, johon työn tulokset pohjautuvat, on kokonaisvaltainen tuottava kunnossapito (TPM). Kirjallisuuslähteisiin tukeutuvaa tutkimusta täydensivät useat haastattelut, A4-valmistajille suunnattu laitteiden kuntokartoituskysely ja tuotannon- ja toiminnanohjausjärjestelmistä kerätty mittausaineisto. Työn merkittävimmät tulokset osoittavat, että A4-arkittamon kunnossapitotoimintaa tulisi suunnata nykyistä enemmän käyttökunnossapitolähtöiseksi. Käyttökunnossapito perustuu tuotannon operaattoreiden osallistumiseen kunnossapitotoimiin varsinaisen kunnossapitohenkilöstön ohella. Tuotantooperaattoreilla on työnsä vuoksi parhaat mahdollisuudet käyttämiensä laitteiden kunnonvalvontaan ja näin ollen mahdollisten vikaantumisten ennakointiin jo varhaisessa vaiheessa. Ennakoimalla pystyttäisiin parantamaan kunnossapidon suunnitelmallisuutta, minkä ansiosta laitteiden käytettävyys ja sitä kautta tuotantolaitoksen kokonaistehokkuus olisivat nykyistä korkeampia.

Evidencing and Sharing Value with Decision Making Models in an Industrial Maintenance Network

The objective of this thesis is to concretize the potential benefits that the industrial maintenance case network could achieve through using the value-based life-cycle model and the flexible asset management model. It is also inspected what factors prevent value creation and sharing in the maintenance contract practices of the case network. This thesis is a case study which utilizes modelling. Four scenarios were developed to demonstrate value creation in the future. The data was partly provided by the collaborating company, partly gathered from public financial statement information. The results indicate that value has been created through the past maintenance of the collaborating company’s rod mill and that profitability of the collaborating company has been mostly on satisfactory level during the past few years. Potential value might be created by increasing the share of proactive maintenance of the rod mill in the future. Profitability of the network could be improved in the future through flexible asset management operations. The main obstacle for value creation and sharing seems to be the lack of sufficient trust between the network members.