Physics-informed hybrid anomaly detection and fault diagnosis for an R744 booster refrigeration system with heat recovery and oil management

dc.contributor.authorYakovleva Olga Yu.
dc.contributor.authorOstapenko Oleksii V.
dc.contributor.authorЯковлева О. Ю.
dc.contributor.authorОстапенко О. В.
dc.date.accessioned2026-11-04T11:35:11Z
dc.date.issued2026
dc.description.abstractPurpose. To develop and evaluate a physics-informed hybrid anomaly detection and fault diagnosis framework for an R744 booster refrigeration system with heat recovery and oil management by combining thermodynamic modelling and machine learning methods. Methodology. The proposed approach integrates thermodynamic feature engineering with two unsupervised machine learning techniques: K-means clustering and an autoencoder neural network. K-means clustering is used to identify global operating-mode deviations, while the autoencoder detects local nonlinear anomalies through reconstruction-error analysis. A hybrid decision logic based on union and intersection rules is applied to improve diagnostic reliability. The framework was validated using a synthetic physics-informed dataset representing seven days of operation with a 10-second sampling interval and including normal operation as well as four fault classes: flash-gas instability, heat-recovery disturbance, oil-return disturbance, and sensor drift. Findings. The developed hybrid framework demonstrated high anomaly-detection and fault-diagnosis performance. The Stage-1 anomaly detector achieved Precision = 1.000, Recall = 0.903, and F1-score = 0.949. The Stage-2 diagnostic classifier reached an overall accuracy of 0.992. The results confirmed the capability of the proposed approach to distinguish between different fault mechanisms and associate detected anomalies with physically meaningful thermodynamic processes occurring within the refrigeration system. Originality. A physics-informed hybrid fault detection and diagnosis framework for transcritical R744 booster refrigeration systems with heat recovery and oil management is proposed. Unlike conventional purely statistical approaches, the developed methodology combines thermodynamic interpretation with machine learning techniques, enabling both accurate anomaly detection and physically explainable diagnostics. Practical value. The proposed framework can be integrated into SCADA and building management systems as a supervisory diagnostic layer for commercial refrigeration applications. The approach supports predictive maintenance, improves system reliability, reduces energy consumption, and facilitates the implementation of intelligent monitoring strategies for low-GWP refrigeration systems.
dc.description.abstractengМета. Розробити та оцінити фізико-орієнтований гібридний підхід до виявлення аномалій та діагностування несправностей у бустерній холодильній системі на R744 з рекуперацією теплоти та системою керування мастилом на основі поєднання термодинамічного моделювання та методів машинного навчання. Методика. Запропонований підхід поєднує термодинамічне формування ознак із двома методами машинного навчання без учителя: кластеризацією k-means та автоенкодером. Кластеризація використовується для виявлення глобальних змін режимів роботи, тоді як автоенкодер дозволяє визначати локальні нелінійні відхилення на основі похибки реконструкції. Для підвищення достовірності діагностування застосовано комбіновану логіку об’єднання та перетину результатів обох алгоритмів. Перевірку підходу виконано на синтетичному фізико-орієнтованому наборі даних, що описує сім діб роботи системи з інтервалом дискретизації 10 секунд та включає нормальний режим роботи і чотири типи несправностей: нестабільність флеш-газу, порушення роботи контуру рекуперації теплоти, погіршення повернення мастила та дрейф датчика. Результати. Розроблена гібридна система продемонструвала високі показники виявлення аномалій та діагностування несправностей. На першому етапі досягнуто значень Precision = 1,000, Recall = 0,903 та F1-score = 0,949. На другому етапі загальна точність класифікації несправностей становила 0,992. Отримані результати підтвердили здатність запропонованого підходу розрізняти різні типи несправностей та пов’язувати виявлені аномалії з фізичними процесами, що відбуваються в холодильній системі. Наукова новизна. Запропоновано фізико-орієнтовану гібридну систему виявлення аномалій та діагностування несправностей для транскритичних бустерних холодильних систем на R744 з рекуперацією теплоти та контролем мастила. На відміну від традиційних статистичних методів, підхід поєднує термодинамічну інтерпретацію з алгоритмами машинного навчання, що забезпечує як високу точність діагностування, так і фізичну пояснюваність результатів. Практична значимість. Запропонований підхід може бути інтегрований у системи SCADA та BMS як надбудова для диспетчерського моніторингу комерційних холодильних установок. Використання розробленої системи сприяє реалізації предиктивного обслуговування, підвищенню надійності роботи обладнання, зниженню енергоспоживання та впровадженню інтелектуальних стратегій керування холодильними системами на природних холодоагентах.
dc.identifier.citationYakovleva, O. Yu. Physics-informed hybrid anomaly detection and fault diagnosis for an R744 booster refrigeration system with heat recovery and oil management = Фізико-орієнтоване гібридне виявлення аномалій та діагностування несправностей у бустерній холодильній системі на R744 з рекуперацією теплоти та системою котролю мастила / O. Yu. Yakovleva, O. V. Ostapenko // Зб. наук. пр. НУК. – Миколаїв : Гельветика, 2026. – № 3 (506). – С. 210–220.
dc.identifier.issn3154-8245 (Print)
dc.identifier.issn3154-8253 (Online)
dc.identifier.urihttps://eir.nuos.edu.ua/handle/123456789/13887
dc.language.isoen
dc.relation.ispartofseriesUDC 621.56:004.89:502.131.1
dc.subjectR744 booster refrigeration system
dc.subjectfault detection and diagnosis
dc.subjectphysics-informed machine learning
dc.subjectk-means clustering
dc.subjectautoencoder
dc.subjectheat recovery
dc.subjectoil management
dc.subjectpredictive maintenance
dc.subjectбустерна холодильна система R744
dc.subjectвиявлення та діагностування несправностей
dc.subjectфізико-орієнтоване машинне навчання
dc.subjectкластеризація k-means
dc.subjectавтоенкодер
dc.subjectрекуперація теплоти
dc.subjectсистема керування мастилом
dc.subjectпредиктивне обслуговування
dc.titlePhysics-informed hybrid anomaly detection and fault diagnosis for an R744 booster refrigeration system with heat recovery and oil management
dc.title.alternativeФізико-орієнтоване гібридне виявлення аномалій та діагностування несправностей у бустерній холодильній системі на R744 з рекуперацією теплоти та системою котролю мастила
dc.typeСтаття

Files

Original bundle

Now showing 1 - 1 of 1
Loading...
Thumbnail Image
Name:
Yakovleva_ Ostapenko.pdf
Size:
1.49 MB
Format:
Adobe Portable Document Format

Collections