Các phương pháp chẩn đoán lỗi thông minh truyền thống cho động cơ diesel hàng hải thường có khả năng khái quát hóa kém do thiếu mẫu huấn luyện về lỗi, và khả năng giải thích thấp do chưa tích hợp đầy đủ kiến thức tiên nghiệm về cơ chế hư hỏng. Để giải quyết các vấn đề trên, bài báo này đề xuất phương pháp Rừng ngẫu nhiên hỗ trợ bởi mô phỏng nhiệt động lực học (TSRF) .
Phương pháp này làm sáng tỏ các đặc điểm diễn biến lỗi thông qua mô phỏng nhiệt động lực học và tích hợp chúng làm kiến thức tiên nghiệm trong thiết kế mô hình chẩn đoán lỗi thông minh. Đầu tiên, năm mô hình lỗi nhiệt động lực học đã được phát triển bằng cách tinh chỉnh các thông số cơ bản của hệ thống để mô phỏng các đặc điểm quan trọng của các sự cố khác nhau. Sau đó, dựa trên kết quả mô phỏng số, các chỉ số nhiệt động lực học tiềm năng đặc trưng cho sự suy giảm của các bộ phận buồng đốt đã được xác định.
Việc lựa chọn đặc trưng được thực hiện bằng cách tính toán các giá trị SHapley Additive exPlanations (SHAP), chỉ giữ lại các biến có mối tương quan đáng kể với trạng thái lỗi. Cuối cùng, trạng thái sức khỏe của buồng đốt được đánh giá bằng cách sử dụng các thông số đã chọn. Kết quả thực nghiệm cho thấy phương pháp TSRF được đề xuất thể hiện hiệu suất phân loại xuất sắc, với độ chính xác trung bình đạt 99,07% trên bộ dữ liệu lỗi.
Trong lĩnh vực kỹ thuật hàng hải và Quản lý tiên lượng & sức khỏe (PHM), ngành công nghiệp đang phải đối mặt với hai nút thắt lâu dài:
Để giải quyết những thách thức này, chúng tôi đã đề xuất phương pháp TSRF. Bằng cách kết hợp các mô hình cơ chế dựa trên vật lý với các kỹ thuật giải thích tiên tiến và sử dụng các mô hình mô phỏng độ trung thực cao để giải quyết vấn đề khan hiếm dữ liệu, chúng tôi đảm bảo rằng các quyết định chẩn đoán tuân thủ các nguyên lý nhiệt động lực học cơ bản.
Quy trình làm việc của nghiên cứu này bao gồm bốn giai đoạn chính sau đây (như hình minh họa):
Hình 1: Kiến trúc phương pháp TSRF.
Để đảm bảo độ trung thực cao, chúng tôi đã xây dựng mô hình mô phỏng động cơ diesel một chiều. Mô hình cơ chế này cân bằng giữa độ chính xác vật lý và hiệu quả tính toán cần thiết cho việc tạo bộ dữ liệu.
Hệ thống động cơ được rời rạc hóa thành mạng lưới các đường ống lưu chất và các thành phần chức năng:
Trước khi thực hiện tiêm lỗi, mô hình cơ sở đã được hiệu chỉnh nghiêm ngặt dựa trên dữ liệu đo đạc.
Hình 2: Sơ đồ mô hình nhiệt động lực học một chiều của động cơ diesel.
Hình 5: Mô đun Thu thập Dữ liệu (DCM).
Do các mô hình một chiều không thể biểu diễn trực tiếp các khiếm khuyết cấu trúc 3D, chúng tôi đã áp dụng phương pháp ánh xạ hiện tượng để chuyển đổi các cơ chế suy giảm vật lý thành các dịch chuyển thông số nhiệt động lực học tương đương.
| Loại lỗi | Cơ chế vật lý | Triển khai mô hình hóa |
|---|---|---|
| F1: Nứt nắp quy lát | Cản trở dẫn nhiệt. | Tăng nhiệt độ bề mặt nắp quy lát ($T_H$) lên 346°C. |
| F2: Ăn mòn piston | Mất vật liệu và hỏng làm kín. | Tăng nhiệt độ piston ($T_P$) + lọt khí nhẹ (blow-by) (0.01 kg/s). |
| F3: Mòn áo xi-lanh | Tăng đường kính lòng xy-lanh do mài mòn. | Tăng đường kính lòng + lọt khí nghiêm trọng (0.03 kg/s). |
| F4: Mòn xéc-măng | Rò rỉ khí. | Điều chỉnh lưu lượng khối lượng lọt khí (0.02 kg/s). |
| F5: Bó kẹt xéc-măng | Tăng ma sát và hỏng làm kín. | Thay đổi đường kính lòng + tăng nhiệt độ áo xi-lanh + lọt khí. |
Một sự đổi mới cốt lõi của nghiên cứu này nằm ở việc chuyển trọng tâm từ "Lỗi là gì?" sang "Tại sao lại chẩn đoán là lỗi đó?". Chúng tôi đã chứng minh khả năng này thông qua phân tích lỗi mòn xéc-măng piston (F4):
Hình 11: Phân tích lỗi mòn xéc-măng (F4) dựa trên giá trị SHAP: (a) Biểu đồ thác nước; (b) Biểu đồ bầy ong; (c) Biểu đồ tương tác; (d) Biểu đồ phụ thuộc.
Nếu bạn quan tâm đến chi tiết triển khai của các biểu đồ trên, đây là mã ví dụ để tạo biểu đồ thác nước, bầy ong, tương tác và phụ thuộc.👇
Chúng tôi tin rằng công trình này đã đóng góp những điểm chính sau cho lĩnh vực này:
@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.