在大型远洋船舶动力系统中，低速二冲程柴油机燃烧室部件（包括气缸盖、活塞组件与气缸套）长期处于高温、高压与交变机械应力的综合作用下，是故障高发的关键区域。由于实船运行中极难直接开展破坏性的故障注入试验，而基于微观材料力学退化的有限元仿真又存在计算周期长、难以直接捕捉全系统宏观热力响应的问题，论文《 Thermodynamic simulation-assisted random forest: Towards explainable fault diagnosis of combustion chamber components of marine diesel engines 》提出了一种将系统级热力学仿真与数据驱动模型相结合的研究框架。本文着重梳理该研究中通过宏观热物理参数微调实现系统级故障响应建模的具体技术流程。

一、一维热力学基准模型的搭建与稳态标定

故障模拟的基础是建立能够精确反映整机热力循环特性的机理模型。建模对象为直列六缸二冲程大功率船用柴油机，其建模与标定步骤如下：

• 1. 系统拓扑构建：在一维流动与热力学仿真平台中搭建整机系统，包括环境进排气边界、进排气总管、废气涡轮增压器、中冷器以及六个独立气缸单元。系统管道网络涵盖压气机进气管、中冷器进出口管、各缸分支进气管与排气歧管，以及涡轮前后的增压管路，并在各关键节点设立热工参数监测点。

• 2. 实船监测数据采集与预处理：利用安装于柴油机上的数据采集模块，同步获取监控系统、废气处理系统以及快信号单元的运行数据。原始数据经移动平均滤波降噪、剔除异常记录并进行插值补全后，提取柴油机在稳态工况下的运行时间序列。

• 3. 稳态工况校准：对比台架实测数据与仿真输出，对进排气系统流阻系数、燃烧放热规律、传热经验模型常数及涡轮增压器效率特性曲面进行迭代标定，确保额定工况下各监测点工质温度、压力和功率响应符合稳态基准。

图1：一维柴油机热力学系统模型结构图

二、燃烧室故障机理向宏观热物理参数的映射与微调

传统微观退化模型着眼于材料内部的金相组织与裂纹微观演化，计算代价较高。该方案改用“宏观等效参数微调”策略，将部件不同形式的结构损伤与退化过程，提炼为影响热力循环的一维宏观状态量变更：

• 气缸盖开裂：气缸盖在长期热机械交变载荷下产生裂纹，导致开裂区域出现热传导阻滞与局部过热积聚。在热力学模型中，将该状态等效映射为上调气缸盖表面温度。

• 活塞烧蚀：活塞顶部材料发生剥落与高温烧损，破坏活塞顶面均温环境并减弱气缸环带配合紧密度，增加漏气通道。在模型中，通过同步提升活塞表面温度与增加窜气漏气质量流量进行联合表征。

• 气缸套磨损：颗粒污染物磨损导致缸套内壁几何尺寸失真、工作直径增大，进而引起活塞组件密封退化与漏气加剧。在模型中，采用微调增大有效气缸内径并提高漏气质量流量实现等效。

• 活塞环磨损：磨粒与摩擦导致活塞环端面磨损和外圆失圆，密封环背压建立异常引起密封阻气效能降低。在模型中，设定为单一增加漏气质量流量。

• 活塞环胶结卡死：积碳与油泥沉积导致活塞环在环槽内丧失自适应浮动能力，阻断活塞顶向缸套壁面的主要导热路径，引起热阻剧增，同时伴随局部摩擦异常与密封丧失。在模型中，采用同时调大气缸内径、升高气缸套表面温度并加大漏气质量流量的三参数联动调节。

三、循环周期动态热工响应计算与特征抽取

在完成正常状态与五类故障状态的参数标定后，执行全工况热力学循环的数值仿真计算：

• 1. 瞬态热力参数求解：求解微分方程组，获取各缸在整个工作循环内随曲轴转角变化的动态物理量。

• 2. 多通道热工状态量提取：为覆盖燃烧室与进排气系统的全面状态，提取了共计十四项周期性热力学参数，涵盖气缸内部燃烧状态（缸内压力、缸内温度）、传热特征（活塞壁面热流、气缸盖壁面热流、气缸套壁面热流）、泄漏特征（窜气漏气热流、漏气质量流量）以及进排气做功与换气状态（涡轮做功功率、排气歧管压力与温度、涡轮增压器前排气压力与温度、涡轮增压器后排气压力与温度）。

• 3. 样本标准化与离散化：截取完整工作循环的特征数据并去除量纲影响。针对连续热物理量在后续决策树结构中的节点划分需求，采用基于信息熵的二分切分方法计算离散划分点，将连续波动曲线转化为具备状态区分度的样本集。

图2：多故障状态下热力学状态参数随曲轴转角的响应曲线

四、基于博弈归因的核心参数筛选与智能模型耦合

全面在线监测全部热工参数在工程中硬件开销过大，因此需要剔除冗余测点，筛选出对故障类别区分度最高的参数子集：

1. 基于树结构博弈论的参数贡献度计算：

• 将仿真数据集输入初步构建的随机森林分类模型；

• 利用优化决策树遍历路径的算法，量化各热力学参数在各类分支组合下的平均边际贡献，即各特征对分类输出的增量影响；

• 综合全部样本的归因绝对值，获得各参数在全局状态判断中的重要性排序。

2. 核心特征子集保留：

• 根据参数贡献度累积比例，剔除对故障判定影响弱、物理耦合度低的冗余状态量；

• 最终选定由涡轮增压器后排气温度、气缸套壁面热流、窜气漏气热流、漏气质量流量、涡轮增压器前排气压力与温度、活塞壁面热流及气缸盖壁面热流等核心参数组成的特征子集。

图3：基于博弈贡献值评估的参数筛选技术路线

图4：热力学仿真辅助随机森林诊断系统的整体框架

五、诊断决策机理的双尺度热物理归因解析

建立基于筛选特征子集的随机森林分类器后，通过归因解释工具将黑盒模型的判别路径与物理机理重新关联，验证系统响应建模的物理合理性：

1. 局部个体样本归因（瀑布图分析）：

• 以特定的活塞环磨损样本为例，模型从全局基准预测值出发，将各参数的取值及其对判定为该故障的积极贡献与消极贡献逐项叠加；

• 通过对比仿真输出可知，活塞环磨损导致窜气加剧，但在特定工况相位下，若排气温度及缸盖受热参数出现局部异常偏低，模型会将其识别为对该故障判定的抑制项，与物理机理直接吻合。

2. 全局分布与参数交互分析（蜂群图与依赖图分析）：

• 在全局样本空间内，统计参数取值高低对输出倾向的影响分布，明确涡轮前排气压力、涡轮前排气温度以及漏气流量等参数的数值降低是驱动模型判定活塞环故障的主导因素；

• 计算参数交互贡献度，分析表明涡轮前排气压力与温度之间存在显著的正相关联动效应，而窜气热流与窜气质量流量则呈现强物理耦合，直接印证了宏观热力系统在泄漏故障下的传递规律。

图5：活塞环磨损故障决策机理的归因分析图谱

六、技术实现总结

该建模技术路线的核心在于规避繁琐的微观几何缺陷动力学演化，将故障机理直接抽象为宏观边界参数的受控扰动，在确保热物理规律完整的前提下大幅缩短计算开销：

• 1. 基准标定：基于柴油机稳态实测数据完成一维气动与燃烧传热机理模型的参数对齐；

• 2. 故障注入：以部件表面温度、几何内径和漏气流量作为微调旋钮，构建五类典型燃烧室热力损伤工况；

• 3. 响应计算：开展全循环模拟，提取覆盖燃烧室与进排气系统的循环时序参数；

• 4. 归因降维：借助基于决策树路径的边际贡献度量完成关键监测变量的筛选与模型拟合；

• 5. 机理反哺：通过局部与全局归因图谱反向核验数据模型与热物理过程的吻合程度。

参考文献

Thermodynamic simulation-assisted random forest: Towards explainable fault diagnosis of combustion chamber components of marine diesel engines[J]. Measurement, 2025, 251: 117252.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0263224125006116