שיטות מסורתיות לאבחון חכם של תקלות במנועי דיזל ימיים סובלות לעיתים קרובות מיכולת הכללה ירודה בשל המחסור בדוגמאות אימון של תקלות, ומרמת הסבר נמוכה בשל חוסר שילוב מספק של ידע מוקדם על מנגנוני הכשל. כדי להתמודד עם בעיות אלו, מאמר זה מציע שיטת יער אקראי בסיוע סימולציה תרמודינמית (TSRF) .
שיטה זו חושפת את מאפייני התפתחות התקלות באמצעות סימולציה תרמודינמית ומשלבת אותם כידע מוקדם בתכנון המודל לאבחון תקלות חכם. תחילה, פותחו חמישה מודלים תרמודינמיים של תקלות על ידי כוונון עדין של פרמטרים בסיסיים במערכת כדי לדמות את המאפיינים המובהקים של כשלים שונים. לאחר מכן, בהתבסס על תוצאות הסימולציה המספרית, זוהו אינדיקטורים תרמודינמיים פוטנציאליים המאפיינים את ההתדרדרות של רכיבי תא הבעירה.
בחירת מאפיינים בוצעה על ידי חישוב ערכי SHapley Additive exPlanations (SHAP), תוך שמירה רק על משתנים בעלי מתאם מובהק למצב התקלה. לבסוף, מצב הבריאות של תא הבעירה הוערך באמצעות הפרמטרים שנבחרו. תוצאות הניסוי מראות כי שיטת TSRF המוצעת מפגינה ביצועי סיווג מצוינים, עם דיוק ממוצע של 99.07% על סט נתוני התקלות.
בתחום ההנדסה הימית וניהול פרוגנוסטיקה ובריאות (PHM), התעשייה מתמודדת עם שני צווארי בקבוק ארוכי טווח:
כדי להתמודד עם אתגרים אלו, הצענו את שיטת TSRF. על ידי מיזוג מודלים מכניסטיים מבוססי-פיזיקה עם טכניקות הסבר מתקדמות ושימוש במודלים של סימולציה בנאמנות גבוהה כדי לפתור את בעיית המחסור בנתונים, אנו מבטיחים שהחלטות האבחון תואמות לעקרונות תרמודינמיים בסיסיים.
זרימת העבודה של מחקר זה כוללת את ארבעת השלבים העיקריים הבאים (כפי שמוצג באיור):
איור 1: ארכיטקטורת שיטת TSRF.
כדי להבטיח נאמנות גבוהה, בנינו מודל סימולציה של מנוע דיזל חד-ממדי. מודל מכניסטי זה מאזן בין דיוק פיזיקלי ליעילות חישובית הנדרשת ליצירת סט הנתונים.
מערכת המנוע מתוארת כרשת של צינורות נוזל ורכיבים פונקציונליים:
לפני ביצוע הזרקת התקלות, המודל הבסיסי כויל בקפדנות על סמך נתונים מדודים.
איור 2: סכמה של המודל התרמודינמי החד-ממדי של מנוע הדיזל.
איור 5: מודול איסוף נתונים (DCM).
מכיוון שמודלים חד-ממדיים אינם יכולים לייצג ישירות פגמים מבניים תלת-ממדיים, אימצנו שיטת מיפוי פנומנולוגית כדי לתרגם מנגנוני התדרדרות פיזיקליים להזזות שוות ערך של פרמטרים תרמודינמיים.
| סוג תקלה | מנגנון פיזיקלי | יישום במודל |
|---|---|---|
| F1: סדק בראש הצילינדר | הולכת חום מופרעת. | העלאת טמפרטורת פני השטח של ראש הצילינדר ($T_H$) ל-346°C. |
| F2: אבלציה של הבוכנה | אובדן חומר וכשל באיטום. | העלאת טמפרטורת הבוכנה ($T_P$) + דליפת גזים (Blow-by) קלה (0.01 ק"ג/שנייה). |
| F3: שחיקת שרוול (Liner) | הגדלת הקדח עקב שחיקה. | הגדלת הקדח + דליפת גזים חמורה (0.03 ק"ג/שנייה). |
| F4: שחיקת טבעות | דליפת גז. | התאמת קצב זרימת המסה של דליפת הגזים (0.02 ק"ג/שנייה). |
| F5: היתפסות טבעות | חיכוך מוגבר וכשל באיטום. | שינוי קוטר הקדח + עליית טמפרטורת השרוול + דליפת גזים. |
חידוש מרכזי במחקר זה טמון בהסטת המיקוד מ"מהי התקלה?" ל"מדוע אובחנה תקלה זו?". הדגמנו יכולת זו באמצעות ניתוח שחיקת טבעות הבוכנה (F4):
איור 11: ניתוח תקלת שחיקת טבעות (F4) מבוסס ערכי SHAP: (א) גרף מפל; (ב) גרף נחיל דבורים; (ג) גרף אינטראקציה; (ד) גרף תלות.
אם אתם מעוניינים בפרטי היישום של הגרפים לעיל, הנה קוד לדוגמה ליצירת גרפי מפל, נחיל, אינטראקציה ותלות.👇
אנו מאמינים כי עבודה זו תרמה את התרומות המרכזיות הבאות לתחום:
@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.