Geleneksel gemi dizel motoru akıllı arıza teşhis yöntemleri, arıza eğitim örneklerinin eksikliği nedeniyle genellikle zayıf genelleme yeteneğinden muzdariptir ve arıza mekanizmaları hakkındaki ön bilgileri yeterince entegre etmedikleri için düşük açıklanabilirliğe sahiptir. Bu sorunları ele almak için, bu makale bir Termodinamik Simülasyon Destekli Rastgele Orman (TSRF) yöntemi önermektedir.
Bu yöntem, termodinamik simülasyon yoluyla arıza gelişim özelliklerini ortaya çıkarır ve bunları akıllı arıza teşhis modelinin tasarımına ön bilgi olarak entegre eder. İlk olarak, farklı arızaların belirgin özelliklerini simüle etmek için sistemin temel parametrelerinde ince ayar yapılarak beş termodinamik arıza modeli geliştirilmiştir. Ardından, sayısal simülasyon sonuçlarına dayanarak, yanma odası bileşenlerinin bozulmasını karakterize eden potansiyel termodinamik göstergeler belirlenmiştir.
Özellik seçimi, SHapley Additive exPlanations (SHAP) değerleri hesaplanarak gerçekleştirilmiş ve yalnızca arıza durumuyla anlamlı bir korelasyona sahip değişkenler korunmuştur. Son olarak, seçilen parametreler kullanılarak yanma odasının sağlık durumu değerlendirilmiştir. Deneysel sonuçlar, önerilen TSRF yönteminin, arıza veri setinde %99,07'ye varan ortalama doğrulukla mükemmel sınıflandırma performansı sergilediğini göstermektedir.
Gemi mühendisliği ve Prognostik ve Sağlık Yönetimi (PHM) alanında, endüstri iki uzun vadeli darboğazla karşı karşıyadır:
Bu zorlukların üstesinden gelmek için TSRF yöntemini önerdik. Fizik tabanlı mekanistik modelleri gelişmiş açıklanabilirlik teknikleriyle birleştirerek ve veri kıtlığı sorununu çözmek için yüksek doğruluğa sahip simülasyon modellerini kullanarak, teşhis kararlarının temel termodinamik ilkelerine uymasını sağlıyoruz.
Bu çalışmanın iş akışı aşağıdaki dört ana aşamayı içermektedir (şekilde gösterildiği gibi):
Şekil 1: TSRF yöntemi mimarisi.
Yüksek doğruluk sağlamak için tek boyutlu bir dizel motor simülasyon modeli oluşturduk. Bu mekanistik model, fiziksel hassasiyet ile veri seti oluşturma için gereken hesaplama verimliliği arasında bir denge kurar.
Motor sistemi, akışkan boru hatları ve fonksiyonel bileşenlerden oluşan bir ağ olarak ayrıklaştırılmıştır:
Arıza enjeksiyonunu gerçekleştirmeden önce, temel model ölçülen verilere dayanarak titizlikle kalibre edilmiştir.
Şekil 2: Dizel motorun tek boyutlu termodinamik modelinin şeması.
Şekil 5: Veri Toplama Modülü (DCM).
Tek boyutlu modeller 3B yapısal kusurları doğrudan temsil edemediğinden, fiziksel bozulma mekanizmalarını eşdeğer termodinamik parametre kaymalarına dönüştürmek için fenomenolojik bir haritalama yöntemi benimsedik.
| Arıza Tipi | Fiziksel Mekanizma | Modelleme Uygulaması |
|---|---|---|
| F1: Silindir Kapağı Çatlağı | Isı iletiminin engellenmesi. | Silindir kapağı yüzey sıcaklığının ($T_H$) 346°C'ye yükseltilmesi. |
| F2: Piston Aşınması (Ablation) | Malzeme kaybı ve sızdırmazlık hatası. | Piston sıcaklığının ($T_P$) artırılması + hafif karter gazı kaçağı (Blow-by) (0.01 kg/s). |
| F3: Gömlek (Liner) Aşınması | Aşınma nedeniyle silindir çapının büyümesi. | Çapın büyümesi + ciddi karter gazı kaçağı (0.03 kg/s). |
| F4: Segman (Ring) Aşınması | Gaz kaçağı. | Karter gazı kütle debisinin ayarlanması (0.02 kg/s). |
| F5: Segman Sıkışması | Sürtünme artışı ve sızdırmazlık hatası. | Silindir çapı değişimi + gömlek sıcaklığı artışı + karter gazı kaçağı. |
Bu çalışmanın temel yeniliklerinden biri, odağı "Arıza nedir?" sorusundan "Neden bu arıza teşhis edildi?" sorusuna kaydırmasında yatmaktadır. Bu yeteneği piston segmanı aşınması (F4) analizi ile gösterdik:
Şekil 11: SHAP değerlerine dayalı piston segmanı aşınması (F4) arıza analizi: (a) Şelale Grafiği; (b) Arı Kovanı Grafiği; (c) Etkileşim Grafiği; (d) Bağımlılık Grafiği.
Yukarıdaki grafiklerin uygulama detaylarıyla ilgileniyorsanız, işte şelale, arı kovanı, etkileşim ve bağımlılık grafikleri oluşturmak için örnek kod.👇
Bu çalışmanın alana aşağıdaki temel katkıları sağladığına inanıyoruz:
@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.