燃氣輪機故障診斷系列課程教學優化

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[摘要]為了滿足當前新工科對人才培養質量的需要，針對課程教學中出現的問題，圍繞教學內容、教學方法對燃氣輪機故障診斷系列課程展開教學改革，對教學體系進行優化，構建縱向分層、橫向分組教學體系，為本碩博課程體系的教學開展提供參考。

[關鍵詞]診斷系列課程；教學改革；教學體系

故障診斷技術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，不僅可以提高系統的安全性，而且會帶來巨大的經濟效益。燃氣輪機故障診斷自開展以來，經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用方面取得了大量的研究成果，使這一技術得到了廣泛應用。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、信息技術等多學科融合技術，尤其是人工智能的快速發展與應用，使燃氣輪機故障診斷技術上了一個新的臺階。當前我國從事燃氣輪機故障診斷技術的人員越來越多，迫切需要廣大高等教育工作者不斷針對人才培養需要，進行系列課程教學改革，以培養理論基礎扎實，工程實踐能力強的綜合素質人才。

1課程教學中存在問題

燃氣輪機故障診斷技術相關課程開設多年，由于從事故障診斷方向的學生學習狀況不同，診斷技術和手段更新較快，使得課程教學暴露出問題。首先，課程體系縱向層次混亂，本碩博課程沒有按照系統內容邏輯遞進，尤其是體現在碩博階段，缺少課程邏輯銜接，勢必造成碩士博士學習降級化，不得不自修相關課程，造成學習壓力大，學習效果不佳，直接影響到研究生課題研究的水平[1]。課程體系橫向內容要么相互割裂，要么相互重疊。其次，故障診斷教學過于強調理論教學，實踐環節明顯不足，教學手段單一，學習非常枯燥，學生知識掌握不好，工程應用能力不佳。

2教學優化措施

2.1構建縱向邏輯遞進層次化，橫向聯系緊密模塊化的教學體系

根據故障診斷各教學階段教學目標以及在整個教學中的位置，確定開課順序，按照機械設備邏輯診斷以及知識點的前后層次關系，構建縱向體系。縱向體系中每一層目標確定后將橫向課程優化出聯系緊密的模塊，系統的教學體系如圖1所示。層次一：診斷基礎層，按照學習內容劃分為診斷對象相關專業知識模塊、測試技術模塊，簡單的診斷方法模塊，主要是培養診斷基礎。診斷對象相關專業知識模塊主要學習燃氣輪機結構原理，燃氣輪機性能分析等圍繞燃氣輪機本體及附屬系統展開；測試技術模塊主要學習參數測量，各類型傳感器原理。這一階段主要是針對燃氣輪機專業的本科生、部分非燃氣輪機專業的研究生。后者碩士階段需要修讀課程較多，可以根據碩士課題研究選擇學習模塊有側重學習。層次一從分析各種燃氣輪機典型故障產生機理入手，使學生了解并掌握常見故障產生機理，通過對燃氣輪機故障監測信號簡單判斷運行狀態，使學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、趨勢分析技術模塊、診斷方法模塊。這一階段重點在信號分析方面，涵蓋設計數據融合技術、降噪/濾波等信號處理技術、數據降維/分解特征提取技術、數據回歸/預測等趨勢分析技術、模式識別方法。[2]這一階段碩士研究生可以根據具體方向選擇學習，有能力的本科生或是直博學生可以提前學習部分模塊。對于非燃氣輪機專業碩士研究生，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字信號處理方法、時間序列分析理論以及非平穩信號分析與處理，例如：經典的時頻分析方法小波變換、Wigner-Ville分布、經驗模態分解等理論；診斷模塊主要講授狀態識別方法，例如：貝葉斯分類法、、粗糙集理論、主成分分析法等；神經網絡診斷，例如：BP神經網絡模型、RBF神經網絡等)等理論。[3]這些較深層次的經典理論為學生在研究生階段從事燃氣輪機故障診斷科學研究打下堅實的理論基礎。層次三：診斷頂尖層，先進診斷方法模塊，根據目前故障診斷前沿技術，學習智能故障診斷方法，例如：深度學習神經網絡主要講授深度卷積神經網絡、深度堆棧自編碼網絡、稀疏神經網絡等。這一層次是診斷的提高階段。在具備燃氣輪機診斷相關理論知識后，改進提高一些故障診斷方法，提高診斷系統的性能。同時需要進一步研究燃氣輪機性能，結合創新實驗提出診斷新思維。本碩博診斷課程分層分組的建設思想就是要體現本領域與相關交叉領域前后邏輯、由淺入深的知識結構。學生在學習過程中層次目標明確，逐漸深入，循序遞進提高，學習掌握所需理論知識。

2.2構建多樣化實踐教學體系

2.2.1加強故障診斷實驗臺實驗教學功能燃氣輪機故障診斷系列課程理論與實踐聯系緊密，可以通過實驗教學進一步掌握課堂知識。教學團隊根據目前實驗室可開設實驗項目，有針對性建設聯合動力實驗臺燃燃聯合動力裝置子模塊[4](如圖2)診斷系統。實驗臺為研究燃燃聯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逐艦都采用了燃燃聯合動力作為主推進裝置。可根據層次化體系構建本科燃氣輪機性能試驗；數據獲取、數據分析，特征提取，故障診斷實驗模塊。改變以往驗證性質的實驗，指導學生尤其是碩博研究生自行設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階段很多故障診斷研究缺乏故障數據的支撐，大量的碩博研究生進行數據分析、診斷方法的理論研究，需要故障數據進行驗證。例如在軸承故障診斷領域，從可見報道的文獻資料數量來看，很多利用了美國凱斯西儲大學公開的軸承多故障、多尺寸振動數據，這部分數據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公開的軸承全壽命實驗信號數據，該數據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]這一部分學生大多側重于理論研究，又缺少診斷典型故障數據，直接利用開放實驗室數據可以大大減少獲得數據的時間成本。

2.2.3利用企業實際案例深入企業內部，充分利用企業燃氣輪機現場實測正常狀態數據，故障狀態數據，對研究方法進行驗證。碩博大多數進行故障診斷方法的改進研究，使診斷系統實時性，準確性提高。企業實際案例提供了良好的數據素材。建立企業實踐環節培養體系，加強學生實際應用能力培養可以讓碩士二年級或者博士三年級進駐企業，校內指導教師同企業指導聯合培養燃氣輪機診斷人才，用理論指導實踐，對企業而言，使得生產的安全性和經濟性得到提高。

2.2.4注重多軟件融合教學對于一些難于構建的實驗平臺，指導學生借助計算機軟件，建立診斷對象機理模型，進行數字仿真，輸入故障模型，得到燃氣輪機故障數據。這種方法優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，建立測試技術與信號分析虛擬實驗平臺，進一步增強學生對理論知識的理解與掌握，激發學習興趣，培養實際應用能力和解決實際問題的能力。

3結束語

燃氣輪機故障診斷知識領域涉學科較多，綜合考慮課程學習內容、專業性質，行業特點的基礎上構建了縱向邏輯遞進層次化，橫向聯系緊密模塊化的教學體系，拓寬了實驗教學手段，使學生具有扎實的理論知識、獨立從事科學研究，分析解決問題及創新能力，成為新時代優秀人才。

參考文獻

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

[2]賈海蓉，張雪英，李鴻燕．“本碩博”貫通人才培養模式的系統思考——以語音信號處理系列課程的一體化改革為例[J]．系統科學學報，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，2019：54-55．

作者：謝春玲 單位：煙臺大學