วิธีการวินิจฉัยข้อบกพร่องอัจฉริยะสำหรับเครื่องยนต์ดีเซลเรือแบบดั้งเดิมมักประสบปัญหาความสามารถในการสรุปผลทั่วไปที่ไม่ดี เนื่องจากขาดแคลนตัวอย่างการฝึกฝนที่มีข้อบกพร่อง และความสามารถในการอธิบายต่ำ เนื่องจากไม่ได้บูรณาการความรู้ก่อนหน้าเกี่ยวกับกลไกความล้มเหลวอย่างเพียงพอ เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ บทความนี้นำเสนอวิธีการ Random Forest ที่ช่วยด้วยการจำลองทางอุณหพลศาสตร์ (TSRF)
วิธีการนี้เปิดเผยลักษณะวิวัฒนาการของข้อบกพร่องผ่านการจำลองทางอุณหพลศาสตร์ และบูรณาการสิ่งเหล่านี้เป็นความรู้ก่อนหน้าในการออกแบบแบบจำลองการวินิจฉัยข้อบกพร่องอัจฉริยะ ขั้นแรก ได้พัฒนาแบบจำลองข้อบกพร่องทางอุณหพลศาสตร์ห้าแบบ โดยการปรับแต่งพารามิเตอร์พื้นฐานของระบบอย่างละเอียด เพื่อจำลองลักษณะเด่นของความล้มเหลวต่างๆ ต่อมา จากผลการจำลองเชิงตัวเลข ได้ระบุตัวบ่งชี้ทางอุณหพลศาสตร์ที่มีศักยภาพ ซึ่งแสดงถึงการเสื่อมสภาพของส่วนประกอบห้องเผาไหม้
การเลือกคุณลักษณะดำเนินการโดยการคำนวณค่า SHapley Additive exPlanations (SHAP) โดยเก็บเฉพาะตัวแปรที่มีความสัมพันธ์อย่างมีนัยสำคัญกับสถานะข้อบกพร่อง สุดท้าย สถานะสุขภาพของห้องเผาไหม้ได้รับการประเมินโดยใช้พารามิเตอร์ที่เลือก ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าวิธีการ TSRF ที่นำเสนอ แสดงประสิทธิภาพการจำแนกประเภทที่ยอดเยี่ยม โดยมีความแม่นยำเฉลี่ยสูงถึง 99.07% ในชุดข้อมูลข้อบกพร่อง
ในสาขาวิศวกรรมทางทะเลและการบริหารจัดการการพยากรณ์และสุขภาพ (PHM) อุตสาหกรรมกำลังเผชิญกับคอขวดระยะยาวสองประการ:
เพื่อตอบสนองต่อความท้าทายเหล่านี้ เราได้เสนอวิธีการ TSRF โดยการรวมแบบจำลองเชิงกลไกที่ใช้ฟิสิกส์เข้ากับเทคนิคความสามารถในการอธิบายขั้นสูง และใช้แบบจำลองการจำลองที่มีความแม่นยำสูงเพื่อแก้ปัญหาการขาดแคลนข้อมูล เรารับประกันว่าการตัดสินใจวินิจฉัยสอดคล้องกับหลักการพื้นฐานของอุณหพลศาสตร์
ขั้นตอนการทำงานของการศึกษานี้ประกอบด้วยสี่ขั้นตอนหลักดังต่อไปนี้ (ดังแสดงในรูป):
รูปที่ 1: สถาปัตยกรรมของวิธีการ TSRF
เพื่อให้แน่ใจว่ามีความแม่นยำสูง เราได้สร้างแบบจำลองการจำลองเครื่องยนต์ดีเซลหนึ่งมิติ แบบจำลองเชิงกลไกนี้สร้างความสมดุลระหว่างความแม่นยำทางกายภาพและประสิทธิภาพการคำนวณที่จำเป็นสำหรับการสร้างชุดข้อมูล
ระบบเครื่องยนต์ถูกทำให้ไม่ต่อเนื่องเป็นเครือข่ายของท่อของไหลและส่วนประกอบการทำงาน:
ก่อนดำเนินการป้อนข้อบกพร่อง แบบจำลองพื้นฐานได้รับการสอบเทียบอย่างเข้มงวดตามข้อมูลที่วัดได้
รูปที่ 2: แผนผังของแบบจำลองทางอุณหพลศาสตร์หนึ่งมิติของเครื่องยนต์ดีเซล
รูปที่ 5: โมดูลการเก็บข้อมูล (DCM)
เนื่องจากแบบจำลองหนึ่งมิติไม่สามารถแสดงข้อบกพร่องเชิงโครงสร้าง 3 มิติได้โดยตรง เราจึงใช้วิธีการทำแผนที่ปรากฏการณ์วิทยาเพื่อแปลกลไกการเสื่อมสภาพทางกายภาพเป็นการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์ที่เทียบเท่ากัน
| ประเภทข้อบกพร่อง | กลไกทางกายภาพ | การนำไปใช้ในแบบจำลอง |
|---|---|---|
| F1: รอยแตกของฝาสูบ | การนำความร้อนถูกขัดขวาง | เพิ่มอุณหภูมิพื้นผิวฝาสูบ ($T_H$) เป็น 346°C |
| F2: การสึกกร่อนของลูกสูบ (Ablation) | การสูญเสียวัสดุและความล้มเหลวของการปิดผนึก | เพิ่มอุณหภูมิลุกสูบ ($T_P$) + การรั่วไหลของก๊าซ (Blow-by) เล็กน้อย (0.01 กก./วินาที) |
| F3: การสึกหรอของกระบอกสูบ (Liner) | เส้นผ่านศูนย์กลางกระบอกสูบขยายใหญ่ขึ้นเนื่องจากการสึกหรอ | เพิ่มขนาดกระบอกสูบ + การรั่วไหลของก๊าซรุนแรง (0.03 กก./วินาที) |
| F4: การสึกหรอของแหวน | การรั่วไหลของก๊าซ | ปรับอัตราการไหลของมวลก๊าซรั่วไหล (0.02 กก./วินาที) |
| F5: แหวนติดขัด | แรงเสียดทานเพิ่มขึ้นและความล้มเหลวของการปิดผนึก | เปลี่ยนเส้นผ่านศูนย์กลางกระบอกสูบ + เพิ่มอุณหภูมิกระบอกสูบ + การรั่วไหลของก๊าซ |
นวัตกรรมหลักของการศึกษานี้อยู่ที่การเปลี่ยนความสนใจจาก "ข้อบกพร่องคืออะไร?" ไปเป็น "ทำไมข้อบกพร่องนี้จึงถูกวินิจฉัย?" เราแสดงให้เห็นถึงความสามารถนี้ผ่านการวิเคราะห์การสึกหรอของแหวนลูกสูบ (F4):
รูปที่ 11: การวิเคราะห์ข้อบกพร่องการสึกหรอของแหวนลูกสูบ (F4) ตามค่า SHAP: (a) Waterfall Plot; (b) Beeswarm Plot; (c) Interaction Plot; (d) Dependence Plot
หากคุณสนใจรายละเอียดการนำไปใช้ของแผนภูมิข้างต้น นี่คือโค้ดตัวอย่างสำหรับสร้างแผนภูมิ Waterfall, Beeswarm, Interaction และ Dependence👇
เราเชื่อว่างานนี้ได้ให้การสนับสนุนที่สำคัญต่อสาขานี้ดังต่อไปนี้:
@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.