燃氣輪機故障診斷系列課程教學(xué)優(yōu)化

前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了燃氣輪機故障診斷系列課程教學(xué)優(yōu)化范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。

[摘要]為了滿足當前新工科對人才培養(yǎng)質(zhì)量的需要，針對課程教學(xué)中出現(xiàn)的問題，圍繞教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法對燃氣輪機故障診斷系列課程展開教學(xué)改革，對教學(xué)體系進行優(yōu)化，構(gòu)建縱向分層、橫向分組教學(xué)體系，為本碩博課程體系的教學(xué)開展提供參考。

[關(guān)鍵詞]診斷系列課程；教學(xué)改革；教學(xué)體系

故障診斷技術(shù)可以有利地保障燃氣輪機的安全運行，對燃氣輪機的運行狀態(tài)進行評估，給出故障定位，提出視情維修建議，不僅可以提高系統(tǒng)的安全性，而且會帶來巨大的經(jīng)濟效益。燃氣輪機故障診斷自開展以來，經(jīng)過了廣大科技工作者和教育工作者的共同努力，在理論研究和工程應(yīng)用方面取得了大量的研究成果，使這一技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。它不只涉及燃氣輪機本體原理和性能，而且廣泛采用熱、機、電、信息技術(shù)等多學(xué)科融合技術(shù)，尤其是人工智能的快速發(fā)展與應(yīng)用，使燃氣輪機故障診斷技術(shù)上了一個新的臺階。當前我國從事燃氣輪機故障診斷技術(shù)的人員越來越多，迫切需要廣大高等教育工作者不斷針對人才培養(yǎng)需要，進行系列課程教學(xué)改革，以培養(yǎng)理論基礎(chǔ)扎實，工程實踐能力強的綜合素質(zhì)人才。

1課程教學(xué)中存在問題

燃氣輪機故障診斷技術(shù)相關(guān)課程開設(shè)多年，由于從事故障診斷方向的學(xué)生學(xué)習狀況不同，診斷技術(shù)和手段更新較快，使得課程教學(xué)暴露出問題。首先，課程體系縱向?qū)哟位靵y，本碩博課程沒有按照系統(tǒng)內(nèi)容邏輯遞進，尤其是體現(xiàn)在碩博階段，缺少課程邏輯銜接，勢必造成碩士博士學(xué)習降級化，不得不自修相關(guān)課程，造成學(xué)習壓力大，學(xué)習效果不佳，直接影響到研究生課題研究的水平[1]。課程體系橫向內(nèi)容要么相互割裂，要么相互重疊。其次，故障診斷教學(xué)過于強調(diào)理論教學(xué)，實踐環(huán)節(jié)明顯不足，教學(xué)手段單一，學(xué)習非常枯燥，學(xué)生知識掌握不好，工程應(yīng)用能力不佳。

2教學(xué)優(yōu)化措施

2.1構(gòu)建縱向邏輯遞進層次化，橫向聯(lián)系緊密模塊化的教學(xué)體系

根據(jù)故障診斷各教學(xué)階段教學(xué)目標以及在整個教學(xué)中的位置，確定開課順序，按照機械設(shè)備邏輯診斷以及知識點的前后層次關(guān)系，構(gòu)建縱向體系?？v向體系中每一層目標確定后將橫向課程優(yōu)化出聯(lián)系緊密的模塊，系統(tǒng)的教學(xué)體系如圖1所示。層次一：診斷基礎(chǔ)層，按照學(xué)習內(nèi)容劃分為診斷對象相關(guān)專業(yè)知識模塊、測試技術(shù)模塊，簡單的診斷方法模塊，主要是培養(yǎng)診斷基礎(chǔ)。診斷對象相關(guān)專業(yè)知識模塊主要學(xué)習燃氣輪機結(jié)構(gòu)原理，燃氣輪機性能分析等圍繞燃氣輪機本體及附屬系統(tǒng)展開；測試技術(shù)模塊主要學(xué)習參數(shù)測量，各類型傳感器原理。這一階段主要是針對燃氣輪機專業(yè)的本科生、部分非燃氣輪機專業(yè)的研究生。后者碩士階段需要修讀課程較多，可以根據(jù)碩士課題研究選擇學(xué)習模塊有側(cè)重學(xué)習。層次一從分析各種燃氣輪機典型故障產(chǎn)生機理入手，使學(xué)生了解并掌握常見故障產(chǎn)生機理，通過對燃氣輪機故障監(jiān)測信號簡單判斷運行狀態(tài)，使學(xué)生初步建立燃氣輪機故障診斷流程框架。層次二：診斷中間層，包括信號處理模塊、特征提取模塊、趨勢分析技術(shù)模塊、診斷方法模塊。這一階段重點在信號分析方面，涵蓋設(shè)計數(shù)據(jù)融合技術(shù)、降噪/濾波等信號處理技術(shù)、數(shù)據(jù)降維/分解特征提取技術(shù)、數(shù)據(jù)回歸/預(yù)測等趨勢分析技術(shù)、模式識別方法。[2]這一階段碩士研究生可以根據(jù)具體方向選擇學(xué)習，有能力的本科生或是直博學(xué)生可以提前學(xué)習部分模塊。對于非燃氣輪機專業(yè)碩士研究生，例如自控或者電子信息等，可以免修部分模塊(本科已修)。這一層次是燃氣輪機故障診斷進階過程，信號處理主要講授數(shù)字信號處理方法、時間序列分析理論以及非平穩(wěn)信號分析與處理，例如：經(jīng)典的時頻分析方法小波變換、Wigner-Ville分布、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解等理論；診斷模塊主要講授狀態(tài)識別方法，例如：貝葉斯分類法、、粗糙集理論、主成分分析法等；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷，例如：BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等)等理論。[3]這些較深層次的經(jīng)典理論為學(xué)生在研究生階段從事燃氣輪機故障診斷科學(xué)研究打下堅實的理論基礎(chǔ)。層次三：診斷頂尖層，先進診斷方法模塊，根據(jù)目前故障診斷前沿技術(shù)，學(xué)習智能故障診斷方法，例如：深度學(xué)習神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要講授深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度堆棧自編碼網(wǎng)絡(luò)、稀疏神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。這一層次是診斷的提高階段。在具備燃氣輪機診斷相關(guān)理論知識后，改進提高一些故障診斷方法，提高診斷系統(tǒng)的性能。同時需要進一步研究燃氣輪機性能，結(jié)合創(chuàng)新實驗提出診斷新思維。本碩博診斷課程分層分組的建設(shè)思想就是要體現(xiàn)本領(lǐng)域與相關(guān)交叉領(lǐng)域前后邏輯、由淺入深的知識結(jié)構(gòu)。學(xué)生在學(xué)習過程中層次目標明確，逐漸深入，循序遞進提高，學(xué)習掌握所需理論知識。

2.2構(gòu)建多樣化實踐教學(xué)體系

2.2.1加強故障診斷實驗臺實驗教學(xué)功能燃氣輪機故障診斷系列課程理論與實踐聯(lián)系緊密，可以通過實驗教學(xué)進一步掌握課堂知識。教學(xué)團隊根據(jù)目前實驗室可開設(shè)實驗項目，有針對性建設(shè)聯(lián)合動力實驗臺燃燃聯(lián)合動力裝置子模塊[4](如圖2)診斷系統(tǒng)。實驗臺為研究燃燃聯(lián)合動力裝置總體性能而建，采用S1A-02燃氣輪機作為巡航燃機，采用GTD350燃氣輪機作為加速燃氣輪機，具有較好的實船模擬性，美國多艘性能良好的大型驅(qū)逐艦都采用了燃燃聯(lián)合動力作為主推進裝置。可根據(jù)層次化體系構(gòu)建本科燃氣輪機性能試驗；數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)分析，特征提取，故障診斷實驗?zāi)K。改變以往驗證性質(zhì)的實驗，指導(dǎo)學(xué)生尤其是碩博研究生自行設(shè)計實驗來驗證課題研究過程中提出的新觀點；本科生可以通過性能實驗掌握參數(shù)測量傳感器選型，安裝使用。

2.2.2充分利用開放實驗室資源現(xiàn)階段很多故障診斷研究缺乏故障數(shù)據(jù)的支撐，大量的碩博研究生進行數(shù)據(jù)分析、診斷方法的理論研究，需要故障數(shù)據(jù)進行驗證。例如在軸承故障診斷領(lǐng)域，從可見報道的文獻資料數(shù)量來看，很多利用了美國凱斯西儲大學(xué)公開的軸承多故障、多尺寸振動數(shù)據(jù)，這部分數(shù)據(jù)是在實驗室中搭建實驗臺架，以過載或在實驗室中人為的對軸承進行各種定量的破壞而得到。還有很多研究生利用辛辛那提大學(xué)公開的軸承全壽命實驗信號數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是在軸承實驗機上進行的長達一個月的軸承全壽命振動信號，通過該信號可以完整觀測軸承在運行過程中各項特征的變化情況。[5]這一部分學(xué)生大多側(cè)重于理論研究，又缺少診斷典型故障數(shù)據(jù)，直接利用開放實驗室數(shù)據(jù)可以大大減少獲得數(shù)據(jù)的時間成本。

2.2.3利用企業(yè)實際案例深入企業(yè)內(nèi)部，充分利用企業(yè)燃氣輪機現(xiàn)場實測正常狀態(tài)數(shù)據(jù)，故障狀態(tài)數(shù)據(jù)，對研究方法進行驗證。碩博大多數(shù)進行故障診斷方法的改進研究，使診斷系統(tǒng)實時性，準確性提高。企業(yè)實際案例提供了良好的數(shù)據(jù)素材。建立企業(yè)實踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)體系，加強學(xué)生實際應(yīng)用能力培養(yǎng)可以讓碩士二年級或者博士三年級進駐企業(yè)，校內(nèi)指導(dǎo)教師同企業(yè)指導(dǎo)聯(lián)合培養(yǎng)燃氣輪機診斷人才，用理論指導(dǎo)實踐，對企業(yè)而言，使得生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟性得到提高。

2.2.4注重多軟件融合教學(xué)對于一些難于構(gòu)建的實驗平臺，指導(dǎo)學(xué)生借助計算機軟件，建立診斷對象機理模型，進行數(shù)字仿真，輸入故障模型，得到燃氣輪機故障數(shù)據(jù)。這種方法優(yōu)點在于可以自由的決定信號的特性，成本低，耗時短，生成信號無噪聲等[5]。還可以借助軟件，建立測試技術(shù)與信號分析虛擬實驗平臺，進一步增強學(xué)生對理論知識的理解與掌握，激發(fā)學(xué)習興趣，培養(yǎng)實際應(yīng)用能力和解決實際問題的能力。

3結(jié)束語

燃氣輪機故障診斷知識領(lǐng)域涉學(xué)科較多，綜合考慮課程學(xué)習內(nèi)容、專業(yè)性質(zhì)，行業(yè)特點的基礎(chǔ)上構(gòu)建了縱向邏輯遞進層次化，橫向聯(lián)系緊密模塊化的教學(xué)體系，拓寬了實驗教學(xué)手段，使學(xué)生具有扎實的理論知識、獨立從事科學(xué)研究，分析解決問題及創(chuàng)新能力，成為新時代優(yōu)秀人才。

參考文獻

[1]陳啟卷，謝誕梅，郭江．研究生“機械設(shè)備故障診斷”課程的建設(shè)與實踐[J]．中國電力教育，2011(12)：197-199．

[2]賈海蓉，張雪英，李鴻燕．“本碩博”貫通人才培養(yǎng)模式的系統(tǒng)思考——以語音信號處理系列課程的一體化改革為例[J]．系統(tǒng)科學(xué)學(xué)報，2019，27(04)：45-50．

[3]何正嘉，陳進，王太勇，等．機械故障診斷理論及應(yīng)用[M]．北京：高等教育出版社，2010：1-7．

[4]謝春玲，張曉云，李淑英，等．艦船電力推進原動機多模塊配置實驗臺測試系統(tǒng)研制[J]．船舶工程，2005(04)：58-61．

[5]佟博．基于GAN和DBN模型的伺服電機軸承故障診斷研究[D]．昆明理工大學(xué)，2019：54-55．

作者：謝春玲 單位：煙臺大學(xué)