Традиционные методы интеллектуальной диагностики неисправностей судовых дизельных двигателей часто страдают от недостаточной обобщающей способности из-за нехватки обучающих выборок с неисправностями, а также от низкой интерпретируемости, поскольку они недостаточно интегрируют априорные знания о механизмах отказов. Для решения этих проблем в данной статье предлагается метод Случайного леса с поддержкой термодинамического моделирования (TSRF) .
Данный метод выявляет характеристики развития неисправностей с помощью термодинамического моделирования и интегрирует их в качестве априорных знаний в структуру модели интеллектуальной диагностики. Сначала были разработаны пять термодинамических моделей неисправностей путем точной настройки базовых параметров системы для имитации значимых признаков различных отказов. Затем, на основе результатов численного моделирования, были определены потенциальные термодинамические индикаторы, характеризующие деградацию компонентов камеры сгорания.
Отбор признаков проводился путем расчета значений SHapley Additive exPlanations (SHAP), при этом сохранялись только те переменные, которые имеют значимую корреляцию с состоянием неисправности. Наконец, оценка состояния здоровья камеры сгорания проводилась с использованием отобранных параметров. Экспериментальные результаты показывают, что предложенный метод TSRF демонстрирует отличную классификационную производительность, достигая средней точности 99,07% на наборе данных с неисправностями.
В области морской инженерии и управления прогнозированием и состоянием (PHM) отрасль сталкивается с двумя давними проблемами:
Для решения этих задач мы предложили метод TSRF. Объединяя физические механистические модели с передовыми методами объяснимости и используя высокоточные имитационные модели для решения проблемы нехватки данных, мы гарантируем, что диагностические решения соответствуют фундаментальным принципам термодинамики.
Рабочий процесс данного исследования включает следующие четыре основных этапа (см. рисунок):
Рис. 1: Архитектура метода TSRF.
Для обеспечения высокой точности мы построили одномерную имитационную модель дизельного двигателя. Эта механистическая модель обеспечивает баланс между физической точностью и вычислительной эффективностью, необходимой для генерации наборов данных.
Система двигателя дискретизирована как сеть жидкостных трубопроводов и функциональных компонентов:
Перед внедрением неисправностей базовая модель была строго откалибрована на основе измеренных данных.
Рис. 2: Схема одномерной термодинамической модели дизельного двигателя.
Рис. 5: Модуль сбора данных (DCM).
Поскольку одномерные модели не могут напрямую отображать трехмерные структурные дефекты, мы применили метод феноменологического отображения для перевода механизмов физической деградации в эквивалентные смещения термодинамических параметров.
| Тип неисправности | Физический механизм | Реализация моделирования |
|---|---|---|
| F1: Трещина ГБЦ | Нарушение теплопроводности. | Повышение температуры поверхности головки блока цилиндров ($T_H$) до 346°C. |
| F2: Прогар поршня | Потеря материала и нарушение герметичности. | Повышение температуры поршня ($T_P$) + незначительный прорыв газов (0.01 кг/с). |
| F3: Износ втулки | Увеличение диаметра цилиндра из-за износа. | Увеличение диаметра + сильный прорыв газов (0.03 кг/с). |
| F4: Износ колец | Утечка газа. | Регулировка массового расхода прорыва газов (0.02 кг/с). |
| F5: Залегание колец | Увеличение трения и нарушение герметичности. | Изменение диаметра цилиндра + повышение температуры втулки + прорыв газов. |
Ключевая инновация данного исследования заключается в смещении фокуса с вопроса «Какая это неисправность?» на «Почему диагностирована эта неисправность?». Мы продемонстрировали эту возможность на примере анализа износа поршневых колец (F4):
Рис. 11: Анализ неисправности износа поршневых колец (F4) на основе значений SHAP: (a) Каскадная диаграмма; (b) Диаграмма роя пчел; (c) Диаграмма взаимодействия; (d) Диаграмма зависимости.
Если вас интересуют детали реализации приведенных выше графиков, вот пример кода для создания каскадной диаграммы, диаграммы роя пчел, диаграммы взаимодействия и диаграммы зависимости.👇
Мы считаем, что данная работа внесла следующий ключевой вклад в эту область:
@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.