روشهای سنتی تشخیص هوشمند خطا در موتورهای دیزل دریایی اغلب به دلیل کمبود نمونههای آموزشی خطا دچار ضعف در تعمیمپذیری هستند و به دلیل عدم ادغام کافی دانش پیشین در مورد مکانیسمهای خرابی، قابلیت تفسیر پایینی دارند. برای رفع این مشکلات، این مقاله روش جنگل تصادفی به کمک شبیهسازی ترمودینامیکی (TSRF) را پیشنهاد میکند.
این روش ویژگیهای تکامل خطا را از طریق شبیهسازی ترمودینامیکی آشکار میکند و آنها را به عنوان دانش پیشین در طراحی مدل تشخیص هوشمند خطا ادغام مینماید. ابتدا، پنج مدل خطای ترمودینامیکی با تنظیم دقیق پارامترهای اساسی سیستم برای شبیهسازی ویژگیهای بارز خرابیهای مختلف توسعه داده شد. سپس، بر اساس نتایج شبیهسازی عددی، شاخصهای ترمودینامیکی بالقوهای که بیانگر تخریب اجزای محفظه احتراق هستند، شناسایی شدند.
انتخاب ویژگی با محاسبه مقادیر SHapley Additive exPlanations (SHAP) انجام شد و تنها متغیرهایی که همبستگی معنیداری با وضعیت خطا داشتند حفظ شدند. در نهایت، وضعیت سلامت محفظه احتراق با استفاده از پارامترهای انتخاب شده ارزیابی گردید. نتایج تجربی نشان میدهد که روش پیشنهادی TSRF عملکرد طبقهبندی عالی از خود نشان میدهد و میانگین دقت آن بر روی مجموعه دادههای خطا به 99.07% میرسد.
در زمینه مهندسی دریایی و مدیریت پیشبینی و سلامت (PHM)، صنعت با دو گلوگاه طولانیمدت مواجه است:
برای مقابله با این چالشها، ما روش TSRF را پیشنهاد کردیم. با ادغام مدلهای مکانیستیک مبتنی بر فیزیک با تکنیکهای پیشرفته تفسیرپذیری و استفاده از مدلهای شبیهسازی با دقت بالا برای حل مشکل کمیابی دادهها، ما اطمینان حاصل میکنیم که تصمیمات تشخیصی با اصول بنیادی ترمودینامیک مطابقت دارند.
گردش کار این پژوهش شامل چهار مرحله اصلی زیر است (مطابق شکل):
شکل 1: معماری روش TSRF.
برای اطمینان از دقت بالا، ما یک مدل شبیهسازی موتور دیزل یکبعدی ساختیم. این مدل مکانیستیک تعادلی بین دقت فیزیکی و کارایی محاسباتی مورد نیاز برای تولید مجموعه داده ایجاد میکند.
سیستم موتور به عنوان شبکه ای از لولههای سیال و اجزای عملکردی گسسته شده است:
قبل از انجام تزریق خطا، مدل پایه بر اساس دادههای اندازهگیری شده به دقت کالیبره شد.
شکل 2: شماتیک مدل ترمودینامیکی یکبعدی موتور دیزل.
شکل 5: ماژول جمعآوری داده (DCM).
از آنجا که مدلهای یکبعدی نمیتوانند مستقیماً عیوب ساختاری سهبعدی را نمایش دهند، ما از یک روش نگاشت پدیدارشناختی برای تبدیل مکانیسمهای تخریب فیزیکی به جابجاییهای معادل پارامترهای ترمودینامیکی استفاده کردیم.
| نوع خطا | مکانیسم فیزیکی | پیادهسازی مدلسازی |
|---|---|---|
| F1: ترک سرسیلندر | اختلال در هدایت حرارتی. | افزایش دمای سطح سرسیلندر ($T_H$) به 346 درجه سانتیگراد. |
| F2: سوختگی پیستون (Ablation) | از دست رفتن مواد و نارسایی آببندی. | افزایش دمای پیستون ($T_P$) + نشت گاز (Blow-by) خفیف (0.01 کیلوگرم بر ثانیه). |
| F3: سایش بوش سیلندر | افزایش قطر داخلی سیلندر ناشی از سایش. | افزایش قطر داخلی + نشت گاز شدید (0.03 کیلوگرم بر ثانیه). |
| F4: سایش رینگها | نشت گاز. | تظیم نرخ جریان جرمی نشت گاز (0.02 کیلوگرم بر ثانیه). |
| F5: چسبندگی رینگها | افزایش اصطکاک و نارسایی آببندی. | تغییر قطر داخلی + افزایش دمای بوش + نشت گاز. |
یک نوآوری اصلی در این پژوهش، تغییر تمرکز از «خطا چیست؟» به «چرا این خطا تشخیص داده شد؟» است. ما این توانایی را از طریق تحلیل سایش رینگ پیستون (F4) نشان دادیم:
شکل 11: تحلیل خطای سایش رینگ پیستون (F4) بر اساس مقادیر SHAP: (الف) نمودار آبشاری؛ (ب) نمودار زنبوری؛ (ج) نمودار تعاملی؛ (د) نمودار وابستگی.
اگر به جزئیات پیادهسازی نمودارهای بالا علاقهمند هستید، در اینجا کد نمونه برای تولید نمودارهای آبشاری، زنبوری، تعاملی و وابستگی آمده است.👇
ما معتقدیم که این کار کمکهای کلیدی زیر را به این حوزه کرده است:
@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.