【论文解读】基于热力学仿真与随机森林的船用柴油机燃烧室可解释故障诊断

本篇技术博客针对发表于期刊《Measurement》的研究论文《Thermodynamic simulation-assisted random forest: Towards explainable fault diagnosis of combustion chamber components of marine diesel engines》（热力学仿真辅助随机森林：面向船用柴油机燃烧室部件的可解释故障诊断）进行技术梳理。

针对船用柴油机故障样本匮乏及数据驱动模型可解释性不足的问题，该研究构建了一维热力学仿真模型并进行数据校准，通过参数微调模拟燃烧室部件的典型故障，结合随机森林分类与夏普利加性解释方法，开展了基于物理机理与特征归因的故障识别与决策分析。

图 1：整体技术路线图

针对气缸盖开裂故障，仿真过程中主要通过调整气缸盖表面温度参数来表征裂纹造成的局部热负荷异常与热传导恶化。在可解释诊断方面，气缸盖开裂会直接削弱局部散热能力并影响燃烧室壁面的传热分布，模型通过捕捉缸盖壁面热流及排气相关温度的变化趋势，能够将分类决策依据追溯至开裂引发的热力学边界变化。

图 2：多工况热力学仿真响应曲线

针对活塞烧蚀故障，仿真方法是通过协同调整活塞表面温度分布与漏气质量流量参数，以反映材料缺失引起的热不均匀性及密封面退化。在诊断解释中，活塞烧蚀不仅导致局部温度升高，还会因间隙增大引起工质泄漏，模型决策过程主要依据活塞壁面热流及漏气热力学状态的变化，体现了材料热损伤与密封失效的物理联系。

针对气缸套磨损故障，仿真建模通过调整气缸内径尺寸及对应的漏气质量流量特性，模拟磨损颗粒导致的缸壁材料剥落和局部缸径扩大。在可解释分析中，缸套磨损破坏了活塞与缸壁间的密封状态，促使漏气量增加并改变传热路径，诊断系统重点依赖缸套壁面热流、排气压力以及漏气热流等特征的变化来完成状态区分。

针对活塞环磨损故障，仿真过程通过单独调制漏气质量流量参数，再现活塞环失圆及端面磨损所引发的气体泄漏通道扩展。在故障诊断与特征分析中，活塞环磨损以漏气效应为主导，模型依据增压器前排气压力、排气温度以及漏气热流等关键特征的响应规律做出判定，展现了排气与漏气参数对活塞环密封退化的表征作用。

针对活塞环胶结故障，仿真方法联合调整了气缸内径、缸套表面温度以及漏气质量流量三个关键参数，综合反映积碳堆积、润滑失效及环槽卡滞等物理过程。在解释分析方面，活塞环胶结增大了环与缸套界面的接触热阻并加剧了界面摩擦，模型通过识别活塞表面过热、缸壁热流异常以及漏气参数的协同变化，实现了复杂多诱因故障的逻辑辨识。

图 3：多维度 SHAP 可解释性分析图

来源文献：

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/abs/pii/S0263224125006116