Традиційні методи інтелектуальної діагностики несправностей суднових дизельних двигунів часто страждають від слабкої узагальнюючої здатності через брак навчальних вибірок з несправностями, а також від низької пояснюваності через недостатню інтеграцію апріорних знань про механізми відмов. Для вирішення цих проблем у даній статті пропонується метод Випадкового лісу за підтримки термодинамічного моделювання (TSRF) .
Цей метод виявляє характеристики розвитку несправностей за допомогою термодинамічного моделювання та інтегрує їх як апріорні знання в структуру моделі інтелектуальної діагностики. Спочатку було розроблено п'ять термодинамічних моделей несправностей шляхом точного налаштування базових параметрів системи для імітації значущих ознак різних відмов. Потім, на основі результатів чисельного моделювання, було визначено потенційні термодинамічні індикатори, що характеризують деградацію компонентів камери згоряння.
Відбір ознак проводився шляхом розрахунку значень SHapley Additive exPlanations (SHAP), при цьому зберігалися лише ті змінні, які мають значущу кореляцію зі станом несправності. Нарешті, оцінка стану здоров'я камери згоряння проводилася з використанням відібраних параметрів. Експериментальні результати показують, що запропонований метод TSRF демонструє відмінну класифікаційну ефективність, досягаючи середньої точності 99,07% на наборі даних з несправностями.
У галузі морської інженерії та управління прогнозуванням і станом (PHM) галузь стикається з двома давніми проблемами:
Для вирішення цих завдань ми запропонували метод TSRF. Поєднуючи фізично обґрунтовані механістичні моделі з передовими методами пояснюваності та використовуючи високоточні імітаційні моделі для вирішення проблеми нестачі даних, ми гарантуємо, що діагностичні рішення відповідають фундаментальним принципам термодинаміки.
Робочий процес цього дослідження включає наступні чотири основні етапи (див. рисунок):
Рис. 1: Архітектура методу TSRF.
Для забезпечення високої точності ми побудували одновимірну імітаційну модель дизельного двигуна. Ця механістична модель забезпечує баланс між фізичною точністю та обчислювальною ефективністю, необхідною для генерації наборів даних.
Система двигуна дискретизована як мережа рідинних трубопроводів і функціональних компонентів:
Перед введенням несправностей базова модель була суворо відкалібрована на основі виміряних даних.
Рис. 2: Схема одновимірної термодинамічної моделі дизельного двигуна.
Рис. 5: Модуль збору даних (DCM).
Оскільки одновимірні моделі не можуть безпосередньо відображати тривимірні структурні дефекти, ми застосували метод феноменологічного відображення для перекладу механізмів фізичної деградації в еквівалентні зсуви термодинамічних параметрів.
| Тип несправності | Фізичний механізм | Реалізація моделювання |
|---|---|---|
| F1: Тріщина ГБЦ | Порушення теплопровідності. | Підвищення температури поверхні головки блоку циліндрів ($T_H$) до 346°C. |
| F2: Абляція поршня | Втрата матеріалу та порушення герметичності. | Підвищення температури поршня ($T_P$) + незначний прорив газів (blow-by) (0.01 кг/с). |
| F3: Знос втулки (Liner) | Збільшення діаметра циліндра через знос. | Збільшення діаметра + сильний прорив газів (0.03 кг/с). |
| F4: Знос кілець | Витік газу. | Регулювання масової витрати прориву газів (0.02 кг/с). |
| F5: Залягання кілець | Збільшення тертя та порушення герметичності. | Зміна діаметра циліндра + підвищення температури втулки + прорив газів. |
Ключова інновація цього дослідження полягає у зміщенні фокусу з питання «Яка це несправність?» на «Чому діагностовано цю несправність?». Ми продемонстрували цю можливість на прикладі аналізу зносу поршневих кілець (F4):
Рис. 11: Аналіз несправності зносу поршневих кілець (F4) на основі значень SHAP: (a) Каскадна діаграма; (b) Діаграма рою бджіл; (c) Діаграма взаємодії; (d) Діаграма залежності.
Якщо вас цікавлять деталі реалізації наведених вище графіків, ось приклад коду для створення каскадної діаграми, діаграми рою бджіл, діаграми взаємодії та діаграми залежності.👇
Ми вважаємо, що ця робота зробила наступний ключовий внесок у цю галузь:
@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.