燃气轮机故障诊断系列课程教学优化

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[摘要]为了满足当前新工科对人才培养质量的需要，针对课程教学中出现的问题，围绕教学内容、教学方法对燃气轮机故障诊断系列课程展开教学改革，对教学体系进行优化，构建纵向分层、横向分组教学体系，为本硕博课程体系的教学开展提供参考。

[关键词]诊断系列课程；教学改革；教学体系

故障诊断技术可以有利地保障燃气轮机的安全运行，对燃气轮机的运行状态进行评估，给出故障定位，提出视情维修建议，不仅可以提高系统的安全性，而且会带来巨大的经济效益。燃气轮机故障诊断自开展以来，经过了广大科技工作者和教育工作者的共同努力，在理论研究和工程应用方面取得了大量的研究成果，使这一技术得到了广泛应用。它不只涉及燃气轮机本体原理和性能，而且广泛采用热、机、电、信息技术等多学科融合技术，尤其是人工智能的快速发展与应用，使燃气轮机故障诊断技术上了一个新的台阶。当前我国从事燃气轮机故障诊断技术的人员越来越多，迫切需要广大高等教育工作者不断针对人才培养需要，进行系列课程教学改革，以培养理论基础扎实，工程实践能力强的综合素质人才。

1课程教学中存在问题

燃气轮机故障诊断技术相关课程开设多年，由于从事故障诊断方向的学生学习状况不同，诊断技术和手段更新较快，使得课程教学暴露出问题。首先，课程体系纵向层次混乱，本硕博课程没有按照系统内容逻辑递进，尤其是体现在硕博阶段，缺少课程逻辑衔接，势必造成硕士博士学习降级化，不得不自修相关课程，造成学习压力大，学习效果不佳，直接影响到研究生课题研究的水平[1]。课程体系横向内容要么相互割裂，要么相互重叠。其次，故障诊断教学过于强调理论教学，实践环节明显不足，教学手段单一，学习非常枯燥，学生知识掌握不好，工程应用能力不佳。

2教学优化措施

2.1构建纵向逻辑递进层次化，横向联系紧密模块化的教学体系

根据故障诊断各教学阶段教学目标以及在整个教学中的位置，确定开课顺序，按照机械设备逻辑诊断以及知识点的前后层次关系，构建纵向体系。纵向体系中每一层目标确定后将横向课程优化出联系紧密的模块，系统的教学体系如图1所示。层次一：诊断基础层，按照学习内容划分为诊断对象相关专业知识模块、测试技术模块，简单的诊断方法模块，主要是培养诊断基础。诊断对象相关专业知识模块主要学习燃气轮机结构原理，燃气轮机性能分析等围绕燃气轮机本体及附属系统展开；测试技术模块主要学习参数测量，各类型传感器原理。这一阶段主要是针对燃气轮机专业的本科生、部分非燃气轮机专业的研究生。后者硕士阶段需要修读课程较多，可以根据硕士课题研究选择学习模块有侧重学习。层次一从分析各种燃气轮机典型故障产生机理入手，使学生了解并掌握常见故障产生机理，通过对燃气轮机故障监测信号简单判断运行状态，使学生初步建立燃气轮机故障诊断流程框架。层次二：诊断中间层，包括信号处理模块、特征提取模块、趋势分析技术模块、诊断方法模块。这一阶段重点在信号分析方面，涵盖设计数据融合技术、降噪/滤波等信号处理技术、数据降维/分解特征提取技术、数据回归/预测等趋势分析技术、模式识别方法。[2]这一阶段硕士研究生可以根据具体方向选择学习，有能力的本科生或是直博学生可以提前学习部分模块。对于非燃气轮机专业硕士研究生，例如自控或者电子信息等，可以免修部分模块(本科已修)。这一层次是燃气轮机故障诊断进阶过程，信号处理主要讲授数字信号处理方法、时间序列分析理论以及非平稳信号分析与处理，例如：经典的时频分析方法小波变换、Wigner-Ville分布、经验模态分解等理论；诊断模块主要讲授状态识别方法，例如：贝叶斯分类法、、粗糙集理论、主成分分析法等；神经网络诊断，例如：BP神经网络模型、RBF神经网络等)等理论。[3]这些较深层次的经典理论为学生在研究生阶段从事燃气轮机故障诊断科学研究打下坚实的理论基础。层次三：诊断顶尖层，先进诊断方法模块，根据目前故障诊断前沿技术，学习智能故障诊断方法，例如：深度学习神经网络主要讲授深度卷积神经网络、深度堆栈自编码网络、稀疏神经网络等。这一层次是诊断的提高阶段。在具备燃气轮机诊断相关理论知识后，改进提高一些故障诊断方法，提高诊断系统的性能。同时需要进一步研究燃气轮机性能，结合创新实验提出诊断新思维。本硕博诊断课程分层分组的建设思想就是要体现本领域与相关交叉领域前后逻辑、由浅入深的知识结构。学生在学习过程中层次目标明确，逐渐深入，循序递进提高，学习掌握所需理论知识。

2.2构建多样化实践教学体系

2.2.1加强故障诊断实验台实验教学功能燃气轮机故障诊断系列课程理论与实践联系紧密，可以通过实验教学进一步掌握课堂知识。教学团队根据目前实验室可开设实验项目，有针对性建设联合动力实验台燃燃联合动力装置子模块[4](如图2)诊断系统。实验台为研究燃燃联合动力装置总体性能而建，采用S1A-02燃气轮机作为巡航燃机，采用GTD350燃气轮机作为加速燃气轮机，具有较好的实船模拟性，美国多艘性能良好的大型驱逐舰都采用了燃燃联合动力作为主推进装置。可根据层次化体系构建本科燃气轮机性能试验；数据获取、数据分析，特征提取，故障诊断实验模块。改变以往验证性质的实验，指导学生尤其是硕博研究生自行设计实验来验证课题研究过程中提出的新观点；本科生可以通过性能实验掌握参数测量传感器选型，安装使用。

2.2.2充分利用开放实验室资源现阶段很多故障诊断研究缺乏故障数据的支撑，大量的硕博研究生进行数据分析、诊断方法的理论研究，需要故障数据进行验证。例如在轴承故障诊断领域，从可见报道的文献资料数量来看，很多利用了美国凯斯西储大学公开的轴承多故障、多尺寸振动数据，这部分数据是在实验室中搭建实验台架，以过载或在实验室中人为的对轴承进行各种定量的破坏而得到。还有很多研究生利用辛辛那提大学公开的轴承全寿命实验信号数据，该数据是在轴承实验机上进行的长达一个月的轴承全寿命振动信号，通过该信号可以完整观测轴承在运行过程中各项特征的变化情况。[5]这一部分学生大多侧重于理论研究，又缺少诊断典型故障数据，直接利用开放实验室数据可以大大减少获得数据的时间成本。

2.2.3利用企业实际案例深入企业内部，充分利用企业燃气轮机现场实测正常状态数据，故障状态数据，对研究方法进行验证。硕博大多数进行故障诊断方法的改进研究，使诊断系统实时性，准确性提高。企业实际案例提供了良好的数据素材。建立企业实践环节培养体系，加强学生实际应用能力培养可以让硕士二年级或者博士三年级进驻企业，校内指导教师同企业指导联合培养燃气轮机诊断人才，用理论指导实践，对企业而言，使得生产的安全性和经济性得到提高。

2.2.4注重多软件融合教学对于一些难于构建的实验平台，指导学生借助计算机软件，建立诊断对象机理模型，进行数字仿真，输入故障模型，得到燃气轮机故障数据。这种方法优点在于可以自由的决定信号的特性，成本低，耗时短，生成信号无噪声等[5]。还可以借助软件，建立测试技术与信号分析虚拟实验平台，进一步增强学生对理论知识的理解与掌握，激发学习兴趣，培养实际应用能力和解决实际问题的能力。

3结束语

燃气轮机故障诊断知识领域涉学科较多，综合考虑课程学习内容、专业性质，行业特点的基础上构建了纵向逻辑递进层次化，横向联系紧密模块化的教学体系，拓宽了实验教学手段，使学生具有扎实的理论知识、独立从事科学研究，分析解决问题及创新能力，成为新时代优秀人才。

参考文献

[1]陈启卷，谢诞梅，郭江．研究生“机械设备故障诊断”课程的建设与实践[J]．中国电力教育，2011(12)：197-199．

[2]贾海蓉，张雪英，李鸿燕．“本硕博”贯通人才培养模式的系统思考——以语音信号处理系列课程的一体化改革为例[J]．系统科学学报，2019，27(04)：45-50．

[3]何正嘉，陈进，王太勇，等．机械故障诊断理论及应用[M]．北京：高等教育出版社，2010：1-7．

[4]谢春玲，张晓云，李淑英，等．舰船电力推进原动机多模块配置实验台测试系统研制[J]．船舶工程，2005(04)：58-61．

[5]佟博．基于GAN和DBN模型的伺服电机轴承故障诊断研究[D]．昆明理工大学，2019：54-55．

作者：谢春玲 单位：烟台大学