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原文传递基于数字孪生的柴油机故障诊断系统研究

论文题名：	基于数字孪生的柴油机故障诊断系统研究
关键词：	船舶柴油机;数字孪生;故障诊断;仿真技术
摘要：	近年来，数字孪生技术在工业界和学术界均受到了广泛的关注，并已在不同行业不同领域得到应用。基于模型和数据双驱动的数字孪生不仅在仿真、虚拟验证和可视化等方面体现其应用价值，还可针对不同的对象和需求，在产品设计、运行监测、能耗优化、智能管控、故障预测与诊断、循环与再利用等方面提供相应的功能与服务。因此，随着船用柴油机的发展，为满足智能机舱需求，开发服务于故障诊断与预测的船用柴油机数字孪生系统非常必要。针对目前数字孪生技术在船用发动机领域应用实践不足的问题，以某型船用柴油机为研究对象，在NILabVIEW软件平台下构建了由孪生模型、信息感知与传输模块和服务应用软件组成的数字孪生系统。其中数字孪生模型包含基于Matlab/Simulink软件具有故障仿真功能的柴油机工作过程计算模型，和基于Python软件的燃烧室部件故障诊断模型；信息感知与传输模块获取实体柴油机的工况信息、相关热力参数和缸盖振动特征参数传输给孪生模型；服务应用软件根据获取的信息，调用孪生模型分析发动机状态，诊断燃烧室部件故障。最后，通过模拟柴油机燃烧室部件易出现的几种故障，验证了该模型满足数字孪生技术的精度和实时性要求，可应用于异地远程柴油机故障诊断，并为智能机舱的发展提供了一定的技术参考。　　本文的主要研究内容和成果如下：　　（1）结合数字孪生技术在各个领域的应用，分析数字孪生技术的理论基础，对本文所研究的数字孪生系统进行需求分析，以数字孪生五维结构模型为主要脉络，设计了由信息感知与传输模块、数字孪生模型和服务应用软件组成的数字孪生系统框架，并提出了关键技术的实现方案。　　（2）设计信息感知与传输模块，基于NILabVIEW软件平台搭建信号采集处理系统，实现了对数据的采集与存储功能，为后续的模型调试与分析等提供数据支持。并且利用LabVIEW的TCP/IP通信协议，将数据传输至异地远程设备，更好地满足实际的远程监测需要。解决了数字孪生技术所需的数据采集、数据处理和数据传输三个问题。　　（3）针对于“虚拟模型”的建立，开发了用于故障诊断的柴油机数字孪生模型，其中包括基于Matlab/Simulink软件具有故障仿真功能的柴油机工作过程计算模型和基于Python软件的燃烧室部件故障诊断模型。经验证，模型仿真结果与台架实验数据均较接近，大部分参数误差在5%以内，且模型每循环的运行时间均小于柴油机实机每循环的运行时间，满足数字孪生技术的精度和实时性要求。　　（4）设计服务应用软件来完善数字孪生五维结构模型中的“服务系统”问题，利用服务应用软件调用数字孪生模型完成对柴油机当前状态的监测和分析，实现船用柴油机远程可视化显示、故障监测诊断和异常报警。　　数字孪生是用来阐述物理世界与数字空间二者之间的融合状态，随着船用柴油机朝数字化和智能化方向发展，船舶朝无人自主航行方向发展，基于数字孪生技术的船用柴油机运维也必将蓬勃发展，本文主要依据数字孪生思想，构建了船舶柴油机的数字孪生系统，主要用于故障监测诊断，尚处于探索阶段，希望能起到抛转引玉的作用。
作者：	刘轩毓
专业：	轮机工程
导师：	余永华
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021