燃?xì)廨啓C(jī)故障診斷系列課程教學(xué)優(yōu)化

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[摘要]為了滿足當(dāng)前新工科對(duì)人才培養(yǎng)質(zhì)量的需要，針對(duì)課程教學(xué)中出現(xiàn)的問(wèn)題，圍繞教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)故障診斷系列課程展開(kāi)教學(xué)改革，對(duì)教學(xué)體系進(jìn)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(kāi)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?xì)廨啓C(jī)的安全運(yùn)行，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)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(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。燃?xì)廨啓C(jī)故障診斷自開(kāi)展以來(lái)，經(jīng)過(guò)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?xì)廨啓C(jī)本體原理和性能，而且廣泛采用熱、機(jī)、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?xì)廨啓C(jī)故障診斷技術(shù)上了一個(gè)新的臺(tái)階。當(dāng)前我國(guó)從事燃?xì)廨啓C(jī)故障診斷技術(shù)的人員越來(lái)越多，迫切需要廣大高等教育工作者不斷針對(duì)人才培養(yǎng)需要，進(jìn)行系列課程教學(xué)改革，以培養(yǎng)理論基礎(chǔ)扎實(shí)，工程實(shí)踐能力強(qiáng)的綜合素質(zhì)人才。

1課程教學(xué)中存在問(wèn)題

燃?xì)廨啓C(jī)故障診斷技術(shù)相關(guān)課程開(kāi)設(shè)多年，由于從事故障診斷方向的學(xué)生學(xué)習(xí)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(wèn)題。首先，課程體系縱向?qū)哟位靵y，本碩博課程沒(méi)有按照系統(tǒng)內(nèi)容邏輯遞進(jìn)，尤其是體現(xiàn)在碩博階段，缺少課程邏輯銜接，勢(shì)必造成碩士博士學(xué)習(xí)降級(jí)化，不得不自修相關(guān)課程，造成學(xué)習(xí)壓力大，學(xué)習(xí)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(guò)于強(qiáng)調(diào)理論教學(xué)，實(shí)踐環(huán)節(jié)明顯不足，教學(xué)手段單一，學(xué)習(xí)非?？菰?，學(xué)生知識(shí)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(jìn)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(biāo)以及在整個(gè)教學(xué)中的位置，確定開(kāi)課順序，按照機(jī)械設(shè)備邏輯診斷以及知識(shí)點(diǎn)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(biāo)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(xí)內(nèi)容劃分為診斷對(duì)象相關(guān)專業(yè)知識(shí)模塊、測(cè)試技術(shù)模塊，簡(jiǎn)單的診斷方法模塊，主要是培養(yǎng)診斷基礎(chǔ)。診斷對(duì)象相關(guān)專業(yè)知識(shí)模塊主要學(xué)習(xí)燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)原理，燃?xì)廨啓C(jī)性能分析等圍繞燃?xì)廨啓C(jī)本體及附屬系統(tǒng)展開(kāi)；測(cè)試技術(shù)模塊主要學(xué)習(xí)參數(shù)測(cè)量，各類型傳感器原理。這一階段主要是針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)專業(yè)的本科生、部分非燃?xì)廨啓C(jī)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(xí)模塊有側(cè)重學(xué)習(xí)。層次一從分析各種燃?xì)廨啓C(jī)典型故障產(chǎn)生機(jī)理入手，使學(xué)生了解并掌握常見(jiàn)故障產(chǎn)生機(jī)理，通過(guò)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)故障監(jiān)測(cè)信號(hào)簡(jiǎn)單判斷運(yùn)行狀態(tài)，使學(xué)生初步建立燃?xì)廨啓C(jī)故障診斷流程框架。層次二：診斷中間層，包括信號(hào)處理模塊、特征提取模塊、趨勢(shì)分析技術(shù)模塊、診斷方法模塊。這一階段重點(diǎn)在信號(hào)分析方面，涵蓋設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)融合技術(shù)、降噪/濾波等信號(hào)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(cè)等趨勢(shì)分析技術(shù)、模式識(shí)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(xí)，有能力的本科生或是直博學(xué)生可以提前學(xué)習(xí)部分模塊。對(duì)于非燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)故障診斷進(jìn)階過(guò)程，信號(hào)處理主要講授數(shù)字信號(hào)處理方法、時(shí)間序列分析理論以及非平穩(wěn)信號(hào)分析與處理，例如：經(jīng)典的時(shí)頻分析方法小波變換、Wigner-Ville分布、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解等理論；診斷模塊主要講授狀態(tài)識(shí)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?xì)廨啓C(jī)故障診斷科學(xué)研究打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。層次三：診斷頂尖層，先進(jìn)診斷方法模塊，根據(jù)目前故障診斷前沿技術(shù)，學(xué)習(xí)智能故障診斷方法，例如：深度學(xué)習(xí)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?xì)廨啓C(jī)診斷相關(guān)理論知識(shí)后，改進(jìn)提高一些故障診斷方法，提高診斷系統(tǒng)的性能。同時(shí)需要進(jìn)一步研究燃?xì)廨啓C(jī)性能，結(jié)合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)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(shí)結(jié)構(gòu)。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中層次目標(biāo)明確，逐漸深入，循序遞進(jìn)提高，學(xué)習(xí)掌握所需理論知識(shí)。

2.2構(gòu)建多樣化實(shí)踐教學(xué)體系

2.2.1加強(qiáng)故障診斷實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能燃?xì)廨啓C(jī)故障診斷系列課程理論與實(shí)踐聯(lián)系緊密，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)一步掌握課堂知識(shí)。教學(xué)團(tuán)隊(duì)根據(jù)目前實(shí)驗(yàn)室可開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，有針對(duì)性建設(shè)聯(lián)合動(dòng)力實(shí)驗(yàn)臺(tái)燃燃聯(lián)合動(dòng)力裝置子模塊[4](如圖2)診斷系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)為研究燃燃聯(lián)合動(dòng)力裝置總體性能而建，采用S1A-02燃?xì)廨啓C(jī)作為巡航燃機(jī)，采用GTD350燃?xì)廨啓C(jī)作為加速燃?xì)廨啓C(jī)，具有較好的實(shí)船模擬性，美國(guó)多艘性能良好的大型驅(qū)逐艦都采用了燃燃聯(lián)合動(dòng)力作為主推進(jìn)裝置?？筛鶕?jù)層次化體系構(gòu)建本科燃?xì)廨啓C(jī)性能試驗(yàn)；數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)分析，特征提取，故障診斷實(shí)驗(yàn)?zāi)K。改變以往驗(yàn)證性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)學(xué)生尤其是碩博研究生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證課題研究過(guò)程中提出的新觀點(diǎn)；本科生可以通過(guò)性能實(shí)驗(yàn)掌握參數(shù)測(cè)量傳感器選型，安裝使用。

2.2.2充分利用開(kāi)放實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jìn)行驗(yàn)證。例如在軸承故障診斷領(lǐng)域，從可見(jiàn)報(bào)道的文獻(xiàn)資料數(shù)量來(lái)看，很多利用了美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)公開(kāi)的軸承多故障、多尺寸振動(dòng)數(shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)是在實(shí)驗(yàn)室中搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，以過(guò)載或在實(shí)驗(yàn)室中人為的對(duì)軸承進(jìn)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(kāi)的軸承全壽命實(shí)驗(yàn)信號(hào)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是在軸承實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的長(zhǎng)達(dá)一個(gè)月的軸承全壽命振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)該信號(hào)可以完整觀測(cè)軸承在運(yùn)行過(guò)程中各項(xiàng)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(kāi)放實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)可以大大減少獲得數(shù)據(jù)的時(shí)間成本。

2.2.3利用企業(yè)實(shí)際案例深入企業(yè)內(nèi)部，充分利用企業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)正常狀態(tài)數(shù)據(jù)，故障狀態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)研究方法進(jìn)行驗(yàn)證。碩博大多數(shù)進(jìn)行故障診斷方法的改進(jìn)研究，使診斷系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，準(zhǔn)確性提高。企業(yè)實(shí)際案例提供了良好的數(shù)據(jù)素材。建立企業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)體系，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)際應(yīng)用能力培養(yǎng)可以讓碩士二年級(jí)或者博士三年級(jí)進(jìn)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?xì)廨啓C(jī)診斷人才，用理論指導(dǎo)實(shí)踐，對(duì)企業(yè)而言，使得生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟(jì)性得到提高。

2.2.4注重多軟件融合教學(xué)對(duì)于一些難于構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，指導(dǎo)學(xué)生借助計(jì)算機(jī)軟件，建立診斷對(duì)象機(jī)理模型，進(jìn)行數(shù)字仿真，輸入故障模型，得到燃?xì)廨啓C(jī)故障數(shù)據(jù)。這種方法優(yōu)點(diǎn)在于可以自由的決定信號(hào)的特性，成本低，耗時(shí)短，生成信號(hào)無(wú)噪聲等[5]。還可以借助軟件，建立測(cè)試技術(shù)與信號(hào)分析虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解與掌握，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)實(shí)際應(yīng)用能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

3結(jié)束語(yǔ)

燃?xì)廨啓C(jī)故障診斷知識(shí)領(lǐng)域涉學(xué)科較多，綜合考慮課程學(xué)習(xí)內(nèi)容、專業(yè)性質(zhì)，行業(yè)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上構(gòu)建了縱向邏輯遞進(jìn)層次化，橫向聯(lián)系緊密模塊化的教學(xué)體系，拓寬了實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，使學(xué)生具有扎實(shí)的理論知識(shí)、獨(dú)立從事科學(xué)研究，分析解決問(wèn)題及創(chuàng)新能力，成為新時(shí)代優(yōu)秀人才。

參考文獻(xiàn)

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作者：謝春玲 單位：煙臺(tái)大學(xué)