기존의 선박용 디젤 엔진 지능형 고장 진단 방법은 고장 훈련 데이터의 부족으로 인해 일반화 성능이 떨어지거나, 고장 메커니즘에 대한 사전 지식이 충분히 통합되지 않아 설명 가능성이 낮은 문제가 있었습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 논문에서는 열역학 시뮬레이션 기반 랜덤 포레스트(TSRF) 방법론을 제안합니다.
이 방법은 열역학 시뮬레이션을 통해 고장 진화 특성을 규명하고, 이를 사전 지식으로 지능형 고장 진단 모델 설계에 통합합니다. 먼저, 시스템 기초 파라미터를 미세 조정하여 다양한 고장의 주요 특징을 모사함으로써 5개의 열역학 고장 모델을 개발했습니다. 그 후, 수치 시뮬레이션 결과를 바탕으로 연소실 부품의 열화를 나타내는 잠재적인 열역학 지표를 식별했습니다.
SHapley Additive explanations (SHAP) 값을 계산하여 특징 선택을 수행함으로써, 고장 상태와 유의미한 상관관계를 가진 변수만을 유지했습니다. 마지막으로 선별된 파라미터를 사용하여 연소실의 건전성 상태를 평가했습니다. 실험 결과, 제안된 TSRF 방법은 우수한 분류 성능을 보였으며, 고장 데이터셋에서 99.07%의 높은 평균 정확도를 달성했습니다.
해양 공학 및 예지 보전(PHM) 분야에서 업계는 두 가지 오랜 병목 현상에 직면해 있습니다.
이러한 과제에 대응하기 위해 우리는 TSRF 방법론을 제안했습니다. 물리학 기반의 메커니즘 모델과 첨단 설명 가능성 기술을 융합하고, 고정밀 시뮬레이션 모델을 활용하여 데이터 희소성 문제를 해결함과 동시에 진단 결정이 열역학 기본 원리에 부합하도록 보장했습니다.
본 연구의 워크플로우는 다음 네 가지 주요 단계로 구성됩니다(그림 참조).
그림 1: TSRF 방법론 아키텍처.
높은 충실도를 보장하기 위해 1차원 디젤 엔진 시뮬레이션 모델을 구축했습니다. 이 메커니즘 모델은 물리적 정밀도와 데이터셋 생성에 필요한 계산 효율성 간의 균형을 맞추었습니다.
엔진 시스템은 유체 파이프라인과 기능 구성 요소의 네트워크로 이산화됩니다.
고장 주입을 수행하기 전에, 베이스라인 모델은 실측 데이터를 기반으로 엄격하게 보정되었습니다.
그림 2: 디젤 엔진 1차원 열역학 모델 개략도.
그림 5: 데이터 수집 모듈(DCM).
1차원 모델로는 3D 구조 결함을 직접 표현할 수 없으므로, 물리적 열화 메커니즘을 등가의 열역학 파라미터 변동으로 변환하는 현상학적 매핑 방법을 채택했습니다.
| 고장 유형 | 물리적 메커니즘 | 모델링 구현 |
|---|---|---|
| F1: 실린더 헤드 균열 | 열전도 저해. | 실린더 헤드 표면 온도($T_H$)를 346°C로 상승. |
| F2: 피스톤 소손 | 재료 손실 및 밀봉 실패. | 피스톤 온도($T_P$) 상승 + 경미한 블로바이(0.01 kg/s). |
| F3: 실린더 라이너 마모 | 마모로 인한 보어 직경 확대. | 보어 직경 확대 + 대량의 블로바이(0.03 kg/s). |
| F4: 피스톤 링 마모 | 가스 누출. | 블로바이 질량 유량 조절(0.02 kg/s). |
| F5: 피스톤 링 고착 | 마찰력 증대 및 밀봉 실패. | 보어 직경 변화 + 라이너 온도 상승 + 블로바이. |
본 연구의 핵심 혁신 중 하나는 초점을 '고장이 무엇인가?'에서 '왜 해당 고장으로 판정했는가?'로 전환한 데 있습니다. 피스톤 링 마모(F4)의 사례 분석을 통해 이러한 능력을 입증했습니다.
그림 11: SHAP 값 기반의 피스톤 링 마모(F4) 고장 분석: (a) Waterfall Plot; (b) Beeswarm Plot; (c) Interaction Plot; (d) Dependence Plot.
위 그래프의 구현 세부 사항에 관심이 있으시다면, 다음은 Waterfall, Beeswarm, Interaction 및 Dependence 플롯을 생성하기 위한 예제 코드입니다.👇
우리는 본 연구가 이 분야에 다음과 같은 주요 기여를 했다고 생각합니다.
@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.