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Modelos digitales de fiabilidad para apoyo al ciclo de vida
Carmen López de Rojas
Ingeniería de Sistemas. Dirección de Ingeniería Conceptual
Navantia
Jose Antonio Pagan Rubio
Responsable Programa Servicios Inteligentes. Dirección de Innovación e Ingeniería
Navantia
Javier Martínez Escondrillas
Ingeniería y 4.0. Negocio Servicios
Navantia
Miguel Núñez Rodríguez
Responsable de Ingeniería Logística. Negocio de Corbetas y Buques de acción marítima
Navantia
Andrea Belén Arregui Arias
Programa Servicios Inteligentes. Dirección de Innovación e Ingeniería
Navantia
1. RESUMEN
Los avances tecnológicos en los últimos años en las herramientas de software utilizadas para los análisis de disponibilidad, fiabilidad y mantenibilidad (análisis ARM, por sus siglas en inglés) han permitido su integración desde el proceso de diseño del buque aportando grandes ventajas. Sin embargo, siguen dando lugar a entregables estáticos al estar basados en datos proporcionados por el fabricante de los equipos, bases de datos estándar y la relación entre los diferentes equipos.
Navantia, aprovechando estas capacidades de integración que proporcionan los softwares actuales, con el siguiente piloto demuestra la viabilidad de la actualización de los análisis ARM de los sistemas del buque de forma periódica durante la fase de explotación, al actualizar los mismos con datos reales de mantenimientos correctivos. Dando así la capacidad de poder conocer durante el ciclo de vida el cumplimiento de la fiabilidad e incluso como apoyo a la toma de decisiones al conocer la fiabilidad actual del buque, así como concretar cuales son los equipos del sistema que producen esa bajada de fiabilidad pudiendo ser valor añadido a la metodología FRACAS (Failure Reporting and Corrective Action System).
PALABRAS CLAVE: Fiabilidad, toma de decisiones, ARM
2. MODELOS DIGITALES DE FIABILIDAD PARA APOYO AL CICLO DE VIDA
2.1. La Era de la “Digitalización”
Son innumerables las alusiones a la “Industria 4.0” y la “Transformación Digital” dentro del mundo de la industria y los procesos. Hay multitud de factores que han convergido en generar estos dos vectores de cambio, pero a efectos de este artículo, citaremos como relevantes los siguientes conceptos e ideas:
- Empleo de nuevas herramientas y capacidades informáticas
- Conectividad
- Aprovechamiento de Datos
- Modelos de Simulación
- Capacidad de análisis en tiempo real
- Reaprovechamiento de la Información
- Optimización de Procesos y Costes
De todos los impactos y posibilidades generados por estos conceptos, se pueden extraer varias reflexiones: “Quiero obtener mayor rendimiento del trabajo que realizo” “Se puede extraer mayor valor de la información generada y recopilada de los procesos industriales” “Las capacidades actuales de simulación permiten anticipar lo que le va a suceder a un sistema sin esperar a que ocurra en realidad”.
Cada sector de la industria se encuentra en un proceso de transformación encaminado a sacar provecho de las nuevas capacidades de la “Industria 4.0” en función de sus necesidades y oportunidades.
Navantia SA SME (Grupo SEPI) es una empresa estratégica y líder en construcción naval que también está inmersa en este proceso de transformación orientado a la sostenibilidad y competitividad de la empresa. Para acelerar este proceso, Navantia como otros sectores industriales se apoya en las nuevas tecnologías 4.0.
Este proceso de transformación forma parte de los pilares del plan estratégico de la empresa y en su componente tecnológica se desarrolla mediante el despliegue del Plan de Transformación Digital de Navantia (PTD). El PTD de Navantia está desarrollado en base a tres ejes dirigidos a la mejora de los productos y servicios, de los procesos e infraestructura y de habilidades tecnológicas. Para desarrollar estos tres ejes, el PTD se compone de los siguientes programas de trabajo, cada uno de ellos con iniciativas claramente definidas en una hoja de ruta:
- Productos Inteligentes. Evolución tecnológica de los productos con el foco en el Gemelo Digital de Producto, los vehículos no tripulados y la conceptualización de los sistemas y buques de la futura serie SMART que conformarán la nueva cartera de productos de Navantia.
- Servicios Inteligentes. Evolución y creación de nuevos servicios aprovechando las nuevas tecnologías con el foco en el Gemelo Digital de Sostenimiento para proveer servicios de valor añadido al cliente con un alto componente de digitalización durante todo el ciclo de vida.
- Procesos Operativos. Revisión y transformación digital y tecnológica de los procesos productivos para reducción de costes, plazos y mejora de la calidad e integración de toda la cadena de suministro.
- Procesos Corporativos. Revisión y transformación digital de los procesos corporativos con el foco en el dato y la generación de información útil para soporte a toma de decisiones.
- Personas y Cultura. Habilitar las capacidades tecnológicas, mejorar la gestión del conocimiento y acompañar a las personas en el cambio cultural que supone la transformación digital de la empresa.
- Plataforma y Arquitectura Digital. Habilitar la infraestructura digital definiendo la arquitectura digital de referencia y seleccionando e implantado las plataformas tecnológicas soporte de la transformación digital de los procesos y productos, con el foco en integración, la compatibilidad y la ciberseguridad.
El desarrollo de los nuevos servicios de Navantia gira en torno al Gemelo Digital de Sostenimiento (GDS) a través del cual se despliegan diversas soluciones que pueden adaptarse a las necesidades y requisitos del cliente durante todo el ciclo de vida del producto. Además es una aplicación del MBPS o Soporte de las Unidades Basado en Modelos (Model-Based Product Support).
2.2. Gemelo Digital de Sostenimiento de Navantia
Navantia mediante el proyecto Gemelo Digital de Sostenimiento (GDS) incorpora las capacidades del Gemelo Digital para proporcionar servicios de mayor valor añadido y soluciona el problema de existencia de silos de información desarrollando una única plataforma que engloba todas las funcionalidades relacionadas con el sostenimiento, marcando dos objetivos principales:
- Proporcionar el mejor sostenimiento para obtener la mayor disponibilidad y fiabilidad a un coste menor.
- Proporcionar la continuidad digital, conectando las capacidades del Gemelo Digital de producto y Planta con las de sostenimiento.
El primer objetivo del GDS está relacionado en la mejora de los servicios que Navantia ofrece al cliente, mejorando los actuales y creando nuevos, gracias a la integración de las nuevas tecnologías. La mejora de servicios se transforma en:
- Optimizar la disponibilidad y alistamiento de la flota
- Hacer el sostenimiento más asequible: alcanzar el mejor sostenimiento con el menor coste de ciclo de vida
- Aumentar los días en la mar libres de fallos
- Proporcionar continuidad digital, conectando las capacidades del Gemelo Digital de producto y planta con las de sostenimiento
El segundo objetivo, es necesario para conectar las plataformas de diseño y de sostenimiento de tal forma que el Gemelo Digital evolucione en el tiempo mejorando la calidad del servicio, así como se retroalimente el diseño con información de la fase operativa permitiendo optimizar diseños futuros.
Figura 1. El futuro del Gemelo Digital de Sostenimiento
Para lograr estos objetivos, Navantia ha definido las iniciativas mostradas a continuación, que se despliegan en la hoja de ruta del programa de Servicios Inteligentes. En algunos casos hay relaciones entre iniciativas de varios programas del del PTD que trabajan de forma coordinada.
Figura 2. Hoja de Ruta Gemelo Digital de Sostenimiento
De este modo se establecen ocho iniciativas a desarrollar progresivamente conducentes al desarrollo del Gemelo Digital de Sostenimiento:
- Catálogo de Servicios: Definición del nuevo catálogo de servicios de Navantia, que actualiza servicios existentes e incorpora nuevos servicios digitales.
- Análisis de datos y Mantenimiento Predictivo: Contempla todos aquellos servicios relacionados con la monitorización de la condición y mantenimiento predictivo, poniendo el foco en la metodología de Sostenimiento basado en modelos “Model Based Product Support (MBPS)”. Se utilizan modelos basados en el conocimiento y en datos (modelos híbridos) para detectar, aislar, diagnosticar, predecir y prescribir.
- Formación y Adiestramiento: Desarrolla la plataforma de training para el alistamiento de personas e integra todos los niveles desde la introducción teórica hasta el adiestramiento en entorno inmersivo. Utiliza diferentes modos de formación tales como e-learning, simuladores, AR/RV, centros de adiestramiento, entre otros.
- Asistencia Remota: Servicio de asistencia desde tierra por expertos que da soporte a la tripulación y técnicos que estén realizando trabajos a bordo para resolver en tiempo real tareas de operación y mantenimiento.
- Mantenimiento Zero: Automatización de las tareas de mantenimiento que realiza la dotación en el buque durante la misión, para permitir que la dotación se centre en la operación.
- Smart Crew: Desarrollo de servicios para bienestar, salud y seguridad de la dotación utilizando análisis de datos y conectividad entre dispositivos como pulseras inteligentes o similares y el buque.
- Gestión de Sostenimiento Inteligente: Servicio que permite realizar de forma eficiente la gestión del sostenimiento. Permite realizar la planificación de tareas, gestión de trabajos, gestión de aprovisionamiento, gestión del servicio…etc. El registro digitalizado de todas las acciones y la incorporación de las nuevas tecnologías permiten optimizar las operaciones y realizarlas con mayor calidad. La herramienta de gestión intercambia información con la de mantenimiento predictivo, ya que ésta última activa actividades de la herramienta de gestión. Es importante que la herramienta tenga la flexibilidad y versatilidad para adaptarse a las diferentes políticas de mantenimiento e importantes restricciones de ciberseguridad de los clientes en defensa.
- Disponibilidad de la Flota / Plataforma: Incluye servicios de cálculo dinámico de disponibilidad y fiabilidad durante la fase operativa tanto para tareas de planificación de misión como durante la misma. Este servicio proporciona un valor diferencial para el cliente.
3.3. Disponibilidad de la Flota / Plataforma
La iniciativa ligada a la Disponibilidad de la Plataforma se ha comenzado a desarrollar planteando como un primer escenario la definición de un servicio de gestión integral de la fiabilidad de los buques como servicio integrado dentro de un gemelo digital más amplio o como gemelo en sí mismo.
Este camino comenzó su recorrido en 2022 y del que se comenzó a hablar en artículos anteriores. El objetivo que se persigue en esta ocasión es de plantear la situación actual, los trabajos que se plantean a corto plazo y los retos futuros que aparecen para continuar con el objetivo global de gestión integral de la fiabilidad.
En las fases iniciales, se constató la necesidad de abordar el objetivo de una forma incremental, a partir de una prueba piloto sobre un sistema de un buque. De cara a asegurar la capacidad de emplear el modelo durante todas las fases del ciclo de vida de los buques, así como asegurar su interoperabilidad con el gemelo digital, se estableció que la herramienta de modelado sería MADe (Maintenance Aware Design environment), englobada dentro de la solución global de Siemens / Teamcenter empleada en Navantia.
3.4. Diseño del Modelo de Fiabilidad
Se decidió emplear una planta propulsora como base, por reunir en un solo sistema una amplia casuística de componentes y equipos, modos de operación, perfiles de uso, etc. de forma que se asegure que el modelo desarrollado sea capaz de cubrir las particularidades de todos los diversos sistemas que conforman un buque.
El primer paso necesario era construir un modelo de comportamiento del sistema, en la herramienta seleccionada, que será la base sobre la que se irán construyendo los casos de uso que se vayan definiendo para el servicio de gestión integral. Este modelo de comportamiento coincide con los modelos que se desarrollan durante el propio diseño del sistema, donde se define la arquitectura y los componentes, así como los perfiles de uso con el objetivo inicial de verificar el cumplimiento de los requisitos de fiabilidad del proyecto.
Actualmente, se han realizado las siguientes tareas sobre el sistema seleccionado:
- Recopilación de la información para la digitalización modelo de fiabilidad
- Desarrollo del modelo del prototipo en MADe para la digitalización modelo de fiabilidad
- Realización de un modelado físico
- Realización de un modelado lógico
- Realización de un modelado funcional
- Modelado del prototipo mediante módulo de MADe Modelling.
- Desarrollo de análisis y estudios de fiabilidad
Obteniéndose el siguiente esquema funcional del sistema de una de las cámaras de máquinas:
Figura 3. Diagrama Funcional Propulsión
Y el perfil de operación a aplicar:
Figura 4. Perfil de Operación
Figura 5. Perfil de Operación
Una vez modelado el sistema que va a ser sujeto de la prueba de concepto, llega el momento de empezar a construir los casos de uso sobre el que desarrollar las capacidades de las que se quiere dotar al Gemelo de Fiabilidad.
2.5. Gestión de la Fiabilidad en el Ciclo de Vida: Casos de Uso
De la correcta explotación de los modelos de comportamiento de los sistemas, su alimentación con los datos de uso y estado reales, así como la actualización de los escenarios de operación a simular se espera llegar a poder gestionar la fiabilidad del activo físico. No sólo para control de su comportamiento relativo a la fiabilidad sino como fuente de información para otros servicios y capacidades de la constelación del gemelo Digital de Sostenimiento, como es la propia gestión de la flota o la planificación del mantenimiento y necesidades de acopio.
Dentro de la idea del desarrollo incremental de funcionalidades, se establece como paso inicial el empleo directo del modelo de comportamiento desarrollado para evaluar la fiabilidad del buque en tiempo real.
Figura 6. Cálculo Dinámico de la Fiabilidad
En este punto, se establecen dos casos de uso a ser desarrollados, cuya diferencia radica en el entorno donde van a ser explotados: aparecen necesidades u objetivos diferentes para el gemelo de fiabilidad según su empleo a bordo o en tierra. Se establecen dos casos de uso:
Dashboard a bordo:
Una vez que el buque inicia una misión, se establece una “foto inicial” de la fiabilidad esperada del buque en base a la misión teórica que va a enfrentar. Para el usuario a bordo, se busca un dashboard que de una forma visual compare la situación real de los sistemas en cuanto a su fiabilidad a fin de evaluar la situación general del buque así como la posibilidad de cargar un nuevo perfil de misión y de manera rápida evaluar la probabilidad de éxito de la misma en base a la situación real del buque.
Dashboard en tierra:
Los modelos generados inicialmente responden a perfiles y estrategias de uso teóricas, empleando valores de fiabilidad y mantenibilidad obtenidos de suministradores y librerías. Para el usuario en tierra, se busca la posibilidad de actualizar los modelos teóricos a partir del uso real del buque durante su vida operativa.
2.6. Experiencia Piloto de Modelo Embarcado
Alistado el buque para el servicio, comienza su servicio con un perfil determinado contra el que se puede simular el comportamiento del buque y sus sistemas en lo relativo a fiabilidad durante el tiempo requerido de misión.
Durante el desarrollo de la misión se plantea monitorizar las horas de funcionamiento real de los diferentes equipos así como los datos del sistema de monitorización de la condición como drivers primarios para la determinación del estado real de los equipos en cuanto a su fiabilidad esperada.
De este modo se espera poder re-evaluar la estimación de la fiabilidad, implementando en el modelo simulación las horas de trabajo reales en vez de las horas esperadas según el perfil teórico, así como afectar la fiabilidad inherente de los equipos en función de su estado de salud obtenido del sistema de monitorización. Se busca ofrecer gráficamente una comparativa entre el estado esperado y el estado real de modo que se puedan detectar desviaciones y poder “navegar” hacia el sistema o componente que está provocando la desviación y poder tomar las medidas de actuación que se consideren apropiadas.
Figura 7. Evaluación de la Disponibilidad en tiempo real
Derivado del conocimiento del estado del buque en tiempo real, se persigue también la posibilidad de emplear el dashboard como herramienta de apoyo a la toma de decisiones ante el evento de un cambio del perfil de misión durante el transcurso de la misma. De este modo, ante un cambio de escenario de operaciones, en el que se varían los tiempos esperados de operación, se pretende actualizar la estimación de fiabilidad con el objetivo de valorar la capacidad del buque de afrontar esa nueva misión.
2.7. Experiencia Piloto de Modelo en Tierra
Para el usuario en tierra, donde la toma de decisiones “on going” no es la situación esperable, y para lo cual puede ser el modelo embarcado, se establecen como capacidades los análisis derivados de los datos recopilados durante la realización de las misiones.
El primer punto que resolver ha sido establecer la metodología FRACAS como vehículo conductor para la recopilación de la información a considerar. El objetivo principal que se establece es el de la actualización de los valores de MTBF y MTTR de los componentes del modelo en base a sus datos de campo, recopilados por medio del FRACAS, de modo que las evaluaciones de fiabilidad sean lo más cercanas a la realidad posible.
Figura 8. Actualización de MTBF, MTTR y MLDT a partir de datos reales
Esta actividad, que se plantea inicialmente con una periodicidad anual, requiere de un proceso de análisis elemento por elemento para asegurar que el nuevo valor a integrar en el modelo es válido o no en función de la casuística detrás de los eventos e incidentes registrados.
Figura 9. Validación actualización de datos
El modelo consolidado, incluidos los cambios de configuración que apliquen por modificaciones en los sistemas, será propagado a los modelos embarcados.
2.8. Próximos Pasos
Como se ha comentado, la fase que está actualmente en desarrollo se centra en:
- El desarrollo de un Dashboard instalado a bordo de los buques como herramienta de apoyo a toma de decisiones
- El desarrollo de un Dashboard instalado en tierra para la actualización de los valores de fiabilidad de los equipos en base a los datos de campo (FRACAS)
Del desarrollo de estas actividades se están identificando elementos de detalle que deben ser analizados y trabajados en más detalle antes de continuar con la definición de más casos de uso.
Estos futuros casos de uso se centrarán en una siguiente fase en ampliar las capacidades de los dashboards actualmente en desarrollo. De la experiencia obtenida, se podrán definir posteriormente los casos de uso a desarrollar de integración con otros sistemas como gestión del mantenimiento.
3. BIBLIOGRAFÍA
- NAVSEA SEA06L Model Based Product Support (MBPS)
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