غالبًا ما تعاني طرق التشخيص الذكي لأعطال محركات الديزل البحرية التقليدية من ضعف القدرة على التعميم بسبب ندرة عينات التدريب على الأعطال، وضعف القابلية للتفسير نظرًا لعدم دمج المعرفة المسبقة حول آليات الأعطال بشكل كافٍ. لمعالجة هذه المشكلات، تقترح هذه الورقة منهجية الغابة العشوائية المدعومة بالمحاكاة الديناميكية الحرارية (TSRF) .
تكشف هذه الطريقة عن خصائص تطور الأعطال من خلال المحاكاة الديناميكية الحرارية وتدمجها كمعرفة مسبقة في تصميم نموذج تشخيص الأعطال الذكي. أولاً، تم تطوير خمسة نماذج للأعطال الديناميكية الحرارية من خلال ضبط المعلمات الأساسية للنظام بدقة لمحاكاة الخصائص البارزة للأعطال المختلفة. بعد ذلك، وبناءً على نتائج المحاكاة العددية، تم تحديد المؤشرات الديناميكية الحرارية المحتملة التي تميز تدهور مكونات غرفة الاحتراق.
تم إجراء اختيار الميزات عن طريق حساب قيم SHapley Additive exPlanations (SHAP)، مع الاحتفاظ فقط بالمتغيرات التي لها ارتباط كبير بحالة العطل. أخيرًا، تم تقييم الحالة الصحية لغرفة الاحتراق باستخدام المعلمات المختارة. تظهر النتائج التجريبية أن طريقة TSRF المقترحة تظهر أداء تصنيف ممتاز، بدقة متوسطة تصل إلى 99.07% على مجموعة بيانات الأعطال.
في مجال الهندسة البحرية وإدارة التنبؤ والصحة (PHM)، تواجه الصناعة عقبتين رئيسيتين طويلتي الأمد:
لمواجهة هذه التحديات، اقترحنا طريقة TSRF. من خلال دمج النماذج الميكانيكية القائمة على الفيزياء مع تقنيات القابلية للتفسير المتقدمة واستخدام نماذج محاكاة عالية الدقة لحل مشكلة ندرة البيانات، نضمن أن قرارات التشخيص تتوافق مع المبادئ الأساسية للديناميكا الحرارية.
يتضمن سير العمل في هذه الدراسة المراحل الأربع الرئيسية التالية (كما هو موضح في الشكل):
الشكل 1: هيكلية طريقة TSRF.
لضمان دقة عالية، قمنا ببناء نموذج محاكاة لمحرك الديزل أحادي البعد. يوازن هذا النموذج الميكانيكي بين الدقة الفيزيائية وكفاءة الحساب المطلوبة لتوليد مجموعة البيانات.
يتم تمثيل نظام المحرك كشبكة من خطوط الموائع والمكونات الوظيفية:
قبل إجراء حقن الأعطال، تمت معايرة النموذج الأساسي بدقة بناءً على البيانات المقاسة.
الشكل 2: مخطط للنموذج الديناميكي الحراري أحادي البعد لمحرك الديزل.
الشكل 5: وحدة الحصول على البيانات (DCM).
نظرًا لأن النماذج أحادية البعد لا يمكنها تمثيل العيوب الهيكلية ثلاثية الأبعاد بشكل مباشر، فقد اعتمدنا طريقة رسم الخرائط الظاهراتية لترجمة آليات التدهور الفيزيائي إلى انحرافات مكافئة في المعلمات الديناميكية الحرارية.
| نوع العطل | الآلية الفيزيائية | تنفيذ النمذجة |
|---|---|---|
| F1: شق في رأس الأسطوانة | إعاقة التوصيل الحراري. | رفع درجة حرارة سطح رأس الأسطوانة ($T_H$) إلى 346 درجة مئوية. |
| F2: تآكل المكبس (Ablation) | فقدان المواد وفشل الختم. | زيادة درجة حرارة المكبس ($T_P$) + تسرب غاز خفيف (Blow-by) (0.01 كجم/ثانية). |
| F3: تآكل البطانة | زيادة قطر التجويف بسبب التآكل. | زيادة التجويف + تسرب غاز شديد (0.03 كجم/ثانية). |
| F4: تآكل الحلقات | تسرب الغاز. | تعديل معدل تدفق كتلة تسرب الغاز (0.02 كجم/ثانية). |
| F5: التصاق الحلقات | زيادة الاحتكاك وفشل الختم. | تغيير قطر التجويف + زيادة درجة حرارة البطانة + تسرب الغاز. |
يكمن الابتكار الجوهري لهذه الدراسة في تحويل التركيز من "ما هو العطل؟" إلى "لماذا تم تشخيص هذا العطل؟". لقد أظهرنا هذه القدرة من خلال تحليل حالة تآكل حلقات المكبس (F4):
الشكل 11: تحليل عطل تآكل الحلقات (F4) بناءً على قيم SHAP: (أ) مخطط الشلال؛ (ب) مخطط السرب؛ (ج) مخطط التفاعل؛ (د) مخطط الاعتماد.
إذا كنت مهتمًا بتفاصيل تنفيذ الرسوم البيانية أعلاه، فإليك مثال للكود لإنشاء مخططات الشلال والسرب والتفاعل والاعتماد.👇
نعتقد أن هذا العمل قد قدم المساهمات الرئيسية التالية في هذا المجال:
@article{luo2025thermodynamic,
title = {Thermodynamic simulation-assisted random forest: Towards explainable fault diagnosis of combustion chamber components of marine diesel engines},
author = {Luo, Congcong and Zhao, Minghang and Fu, Xuyun and Zhong, Shisheng and Fu, Song and Zhang, Kai and Yu, Xiaoxia},
journal = {Measurement},
volume = {251},
pages = {117252},
year = {2025},
publisher = {Elsevier},
doi = {10.1016/j.measurement.2025.117252},
}
C. Luo, M. Zhao, X. Fu, S. Zhong, S. Fu, K. Zhang, X. Yu. Thermodynamic simulation-assisted random forest: Towards explainable fault diagnosis of combustion chamber components of marine diesel engines[J]. Measurement, 2025, 251: 117252.