摘 要:針對(duì)傳統(tǒng)方法在微小振動(dòng)故障診斷中存在的特征識(shí)別效率低和樣本數(shù)量有限等問題,提出匹配小波深度模型遷移學(xué)習(xí)方法。首先利用Morse連續(xù)小波對(duì)一維故障信號(hào)進(jìn)行匹配升維,捕捉微小變化,得到可視化強(qiáng)化特征圖像;其次對(duì)深度遷移網(wǎng)絡(luò)源域模型進(jìn)行有效遷移,該模型具有高效的圖像學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn),可降低目標(biāo)域訓(xùn)練樣本數(shù)量;最后在模型遷移中根據(jù)有限數(shù)據(jù)進(jìn)行流程的參數(shù)優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)證明,該方法泛化能力強(qiáng),可對(duì)多工況下微小特征進(jìn)行檢測(cè)與定位,并有效減少對(duì)數(shù)據(jù)的依賴,能夠極大提高運(yùn)算速度和診斷精度。
關(guān)鍵詞:微小故障診斷;深度遷移網(wǎng)絡(luò);模型遷移學(xué)習(xí);連續(xù)小波變換
中圖分類號(hào):TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-3695(2023)08-027-2417-06
doi: 10.19734/j.issn.1001-3695.2023.01.0006
Research on matched wavelet deep transfer learning for micro vibration fault diagnosis
Zhang Ying, Peng Tingwei Luo Ruimin
(School of Aeronautical Engineering, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)
Abstract:This paper proposed a matching wavelet depth model transfer learning algorithm to solve the problems of low efficiency of feature identification and limited number of samples, which exist in traditional methods for small vibration fault diagnosis. Firstly, it used Morse continuous wavelets to capture small changes in a one-dimensional fault signal by matching and up-dimensioning the signal to obtain a visual enhanced feature image. Then, this algorithm effectively transferred the source domain model of the depth transfer network. This model had efficient image learning experience and could reduce the number of training samples in the target domain. Finally, it optimized the parameters of the process for this algorithm based on limited data in model transfer. The algorithm has proven to be highly generalizable, allowing the detection and localization of minute features in multiple operating conditions and effectively reducing the reliance on data, greatly improving the speed of computing and diagnostic accuracy.
Key words:micro-fault diagnosis; deep transfer network; model transfer learning; continuous wavelet transform
0 引言
機(jī)械振動(dòng)的微小故障通常出現(xiàn)于故障早期,往往揭示了機(jī)器設(shè)備故障的發(fā)展方向與惡化趨勢(shì)。對(duì)微小故障進(jìn)行準(zhǔn)確診斷,能有效提高系統(tǒng)可靠性,降低事故發(fā)生風(fēng)險(xiǎn),從而保障機(jī)器的安全運(yùn)行。但在真實(shí)設(shè)備環(huán)境中獲取的微小故障信號(hào)存在數(shù)據(jù)采集困難、特征幅值較低、易被外部噪聲擾動(dòng)干擾的特點(diǎn)。因此在數(shù)據(jù)受限的條件下,如何高效優(yōu)化對(duì)信號(hào)微小故障的診斷流程是亟待解決的難題。
針對(duì)以上難題,現(xiàn)有微小故障診斷方法主要基于傳統(tǒng)信號(hào)分析技術(shù)與深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。前者依賴對(duì)原始數(shù)據(jù)和信號(hào)特征的人工經(jīng)驗(yàn)判斷,而后者基于模型結(jié)構(gòu)從多維層面對(duì)信號(hào)進(jìn)行解構(gòu)分析。綜合比較,深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擁有更優(yōu)秀的信號(hào)診斷性能[1~3]。故障診斷領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)容包括故障種類的識(shí)別方法、故障程度的判斷方式,以及方法有效性的分析驗(yàn)證[4]。Hinton等人[5]指出深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適合識(shí)別高維數(shù)據(jù),在信號(hào)時(shí)頻域分析中表現(xiàn)優(yōu)秀,其主要針對(duì)故障類型的識(shí)別,而非故障程度的分析。Wang等人[6]研究的深度卷積樹學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了對(duì)軸承的分層故障診斷,其優(yōu)化了診斷邏輯,但依然需要大量故障樣本的經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)。Jia等人[7]提出堆疊自編碼器的特征分層模型,模型探究了故障分層邏輯卻忽視對(duì)于故障程度的討論。Zhao等人[8]直接將信號(hào)集轉(zhuǎn)換為灰度圖像,基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)圖像進(jìn)行診斷,該方法優(yōu)化了診斷流程,但未研究方法對(duì)微小故障的診斷能力。杜小磊等人[9]通過改進(jìn)深層自編碼器的診斷方法優(yōu)化編碼層邏輯,但方法依然離不開對(duì)樣本數(shù)量的依賴。以上研究表明基于深度學(xué)習(xí)的故障診斷存在模型訓(xùn)練依賴大量標(biāo)簽故障樣本、對(duì)故障程度輕微的特征識(shí)別率較低等問題。同時(shí)工況條件和故障程度的影響規(guī)律尚未明確揭示。
對(duì)此,遷移學(xué)習(xí)被引入微小振動(dòng)故障診斷,其優(yōu)勢(shì)在于能通過跨越特征維度和領(lǐng)域的訓(xùn)練學(xué)習(xí),提高對(duì)特征的識(shí)別能力,減輕對(duì)數(shù)據(jù)量的依賴[10]。文獻(xiàn)[11]構(gòu)建一維信號(hào)的遷移卷積網(wǎng)絡(luò),探究數(shù)據(jù)信號(hào)跨域間的有效遷移。文獻(xiàn)[12]的兩步遷移法參考數(shù)據(jù)集之間通用特性避免了負(fù)遷移效應(yīng),對(duì)解決樣本負(fù)遷移提出優(yōu)化方案。文獻(xiàn)[13]遷移不同程度故障樣本,證明遷移學(xué)習(xí)對(duì)于故障程度的分析是可行的。付松等人[14]提出基于自動(dòng)編碼器的小樣本遷移學(xué)習(xí),并應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)氣路診斷。Li等人[15]還開發(fā)了跨嚴(yán)重類型的軸承數(shù)據(jù)集上的CNN遷移學(xué)習(xí)方法,但缺少了對(duì)于程度的研究分析。Wang等人[16]基于特征映射的數(shù)值模擬遷移自動(dòng)自編碼器,實(shí)現(xiàn)了依靠低數(shù)據(jù)量訓(xùn)練預(yù)測(cè)故障滑動(dòng)的應(yīng)用。所以,遷移學(xué)習(xí)能應(yīng)用到跨域信號(hào)分析和特征學(xué)習(xí)中,且有效降低對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的依賴。
綜上,本文依據(jù)遷移學(xué)習(xí)的跨領(lǐng)域性與深度學(xué)習(xí)的應(yīng)用性,結(jié)合小波變換對(duì)微小故障的清晰提煉相結(jié)合,提出匹配小波深度模型遷移學(xué)習(xí)方法。對(duì)于微小特征樣本,首先經(jīng)小波變換匹配強(qiáng)化故障樣本的特征,接著遷移具有高效圖像分類能力的DTN網(wǎng)絡(luò)模型。利用模型訓(xùn)練強(qiáng)化后樣本,使模型能在少量標(biāo)簽樣本下完成對(duì)信號(hào)微小故障的診斷。此方法通過對(duì)軸承典型故障進(jìn)行實(shí)驗(yàn),對(duì)比了方法在不同故障程度、多工況和多模型下的診斷能力。結(jié)果表明方法能夠達(dá)到預(yù)期診斷要求,且預(yù)期通過嵌入振動(dòng)信號(hào)故障診斷人機(jī)交互平臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。
1 基礎(chǔ)理論
1.1 遷移學(xué)習(xí)
1.2 深度遷移網(wǎng)絡(luò)模型
深度遷移網(wǎng)絡(luò)的源任務(wù)是高維圖像識(shí)別[21],源域數(shù)據(jù)庫圖片訓(xùn)練量達(dá)百萬級(jí)別,識(shí)別種類達(dá)到千余種。模型對(duì)top-5級(jí)別圖像層的分類精度達(dá)到了84.7%,在以此數(shù)據(jù)庫為源域的訓(xùn)練中能夠保證模型擁有成熟的診斷能力,性能滿足診斷任務(wù)要求。模型訓(xùn)練梯度為8層,使用的ReLU激活函數(shù)能確保其在跨域遷移中具備優(yōu)秀的適應(yīng)性。
模型包含25層框架,核心是5個(gè)卷積層、池化層和全連接層。輸入端數(shù)據(jù)是[227,227,3]的三通道RGB圖像。輸出端是來自任務(wù)圖像的三維數(shù)據(jù)。圖像空間特征由模型內(nèi)核采集自樣本數(shù)據(jù)。卷積層和全連接層能更快地收斂ReLU激活函數(shù),以確保函數(shù)特征權(quán)值在合理范圍內(nèi)。最大池化層通過輸出最大感知域,來降低運(yùn)算量和規(guī)避平均池化效應(yīng)。各層順次連接,優(yōu)化第三、四、五卷積層的尺化和歸一化處理。源域模型擁有海量不同類別特征的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn),用以降低模型遷移中的學(xué)習(xí)成本。同時(shí),模型的框架邏輯清晰,使用簡(jiǎn)潔架構(gòu)來適應(yīng)遷移中的優(yōu)化流程。DTN模型構(gòu)造參數(shù)如圖2所示。
1.3 Morse連續(xù)小波變換
2 匹配小波深度模型遷移故障診斷方法
針對(duì)微小故障振動(dòng)信號(hào),匹配小波深度模型遷移診斷方法的實(shí)現(xiàn),是將遷移源域數(shù)據(jù)集訓(xùn)練完畢的DTN模型作為目標(biāo)域的映射對(duì)象,通過連續(xù)小波變換后的目標(biāo)樣本遷移至成熟DTN模型,達(dá)到最終分類微小故障的目的。本文通過圖3步驟進(jìn)行模型遷移的分析研究。
模型遷移關(guān)鍵是框架層階的遷移,將源域?qū)与A的預(yù)測(cè)路徑遷移到目標(biāo)域。遷移對(duì)象主要是全連接層、softmax分類層、classification分類層及相關(guān)函數(shù)[22]。
2.1 遷移學(xué)習(xí)的預(yù)處理
針對(duì)微小故障信號(hào)在遷移學(xué)習(xí)中的特征強(qiáng)化問題。為便于后續(xù)特征匹配及模型遷移,預(yù)處理階段首先需要?dú)w一化信號(hào),接著對(duì)樣本施加Morse連續(xù)小波變換。最后按訓(xùn)練比例將處理后圖像分為訓(xùn)練集和測(cè)試集。將訓(xùn)練集對(duì)接模型輸入層,構(gòu)建遷移輸入樣本,對(duì)樣本特征進(jìn)行逐層運(yùn)算并轉(zhuǎn)換成特征向量。
由圖5可知,Morse小波變換強(qiáng)化了信號(hào)特征的時(shí)頻域局部變化,強(qiáng)化后表現(xiàn)為具有明顯周期變化的二維圖像。信號(hào)上升到了沿空間分布呈數(shù)字陣列展現(xiàn)的形式,增加了對(duì)信號(hào)頻率和能量變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系,由故障變化引起的高頻突變,其能量集中顯示出亮色。色差的強(qiáng)弱對(duì)比增強(qiáng)了能量顯示效果,能更精細(xì)地描述出不同故障特征的能量頻率變化。一維到二維的變換也顯著加強(qiáng)了信號(hào)的可視性,既有利于模型遷移訓(xùn)練的特征提取,又有利于研究員對(duì)其直接觀察。
2.2 遷移與診斷訓(xùn)練
2.3 參數(shù)優(yōu)化與結(jié)果輸出
參數(shù)優(yōu)化對(duì)提高模型整體性能非常重要。利用測(cè)試樣本和訓(xùn)練結(jié)果校對(duì)模型數(shù)值,校對(duì)完成后驗(yàn)證訓(xùn)練模型,直到達(dá)到預(yù)期診斷目標(biāo)。依據(jù)訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)修正學(xué)習(xí)進(jìn)步參數(shù),參數(shù)值過大(如gt;0.1)會(huì)導(dǎo)致模型對(duì)特征的識(shí)別率下降,過小(如lt;0.001)將會(huì)降低學(xué)習(xí)效率,因此實(shí)驗(yàn)設(shè)置學(xué)習(xí)步進(jìn)參數(shù)為0.001。
3 實(shí)驗(yàn)分析
本章基于公開凱斯西儲(chǔ)大學(xué)滾動(dòng)軸承數(shù)據(jù)集對(duì)微小故障診斷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)包括評(píng)價(jià)方法對(duì)微小故障的診斷性能、比較多工況梯度訓(xùn)練結(jié)果和多模型訓(xùn)練結(jié)果。目的是研究遷移學(xué)習(xí)在有限數(shù)據(jù)下的有效性,驗(yàn)證方法對(duì)微小故障的泛化能力,以及比較遷移模型與其他模型的診斷性能。
3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來自凱斯西儲(chǔ)大學(xué)滾動(dòng)軸承數(shù)據(jù)集[23]。實(shí)驗(yàn)臺(tái)由一臺(tái)1.5 KW的電動(dòng)機(jī)、一個(gè)扭轉(zhuǎn)傳感器、一個(gè)功率測(cè)試計(jì)和電子控制器組成。數(shù)據(jù)采集自SKF6205驅(qū)動(dòng)端軸承數(shù)據(jù)和6203-2RS JEM SKF風(fēng)扇端軸承數(shù)據(jù),故障模式是機(jī)械加工電火花單點(diǎn)故障損傷,選用的故障直徑分別為0.117 8 mm(微小故障)和0.533 4 mm(顯著故障)。損傷位置分別位于滾動(dòng)軸承內(nèi)圈、滾動(dòng)軸承滾動(dòng)體、滾動(dòng)軸承外圈中心方向六點(diǎn)、滾動(dòng)軸承外圈正交方向三點(diǎn)、滾動(dòng)軸承外圈相對(duì)方向十二點(diǎn)五個(gè)位置對(duì)應(yīng)五類故障模式。軸承采樣頻率為12 KHz。
實(shí)驗(yàn)臺(tái)和組成如圖6所示。診斷故障樣本分類參照表1。
3.2 遷移訓(xùn)練
對(duì)采集樣本進(jìn)行模型遷移的連續(xù)小波變換預(yù)處理。按照表1分類,故障數(shù)據(jù)分配訓(xùn)練集和測(cè)試集初始占比為8∶2,驗(yàn)證數(shù)據(jù)集來自30%隨機(jī)化的訓(xùn)練數(shù)據(jù)拆分以保證實(shí)驗(yàn)的泛化性。預(yù)處理后的分類故障圖像如圖7所示。
分析圖7可得:Magnitude信號(hào)幅值上限為外圈故障中心六點(diǎn)方向的4.45 dB,信號(hào)幅值下限為正常信號(hào)的0.14 dB。dB數(shù)表示量之間的比值大小且無物理單位??捎^察到連續(xù)小波變換處理的故障信號(hào)圖像具有規(guī)律特征差異。正常信號(hào)圖像在0.1個(gè)取樣周期的正常頻率下,高頻特征間隔穩(wěn)定且明顯,低頻間歇性出現(xiàn);內(nèi)圈故障圖7(b)高頻出現(xiàn)明顯斷裂,且低頻不明顯;滾動(dòng)體故障圖7(c)頻率在0.15個(gè)取樣周期附近連續(xù)且穩(wěn)定,低頻可見;外圈故障正交三點(diǎn)方向圖像,圖7(d)變化最明顯,高頻正常范圍從0.05到0.15個(gè)取樣周期,間斷明顯;外圈故障中心六點(diǎn)方向圖7(e)和相對(duì)十二點(diǎn)方向圖10(f)高頻特征均不明顯;十二點(diǎn)方向只能間歇觀察到某小段變化。Magnitude顏色變化欄代表的是取樣范圍內(nèi)頻率特征幅值變化。不同故障類別對(duì)應(yīng)不同頻率幅值范圍。目標(biāo)域網(wǎng)絡(luò)故障診斷依據(jù)RGB圖片的顏色分布參數(shù)進(jìn)行分類,因此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的六類故障的Magnitude幅值范圍變化不影響遷移學(xué)習(xí)的診斷結(jié)果。診斷訓(xùn)練依據(jù)顯著和微小故障種類分開進(jìn)行。
模型的數(shù)個(gè)卷積層在遷移后分別對(duì)應(yīng)特定的特征權(quán)數(shù)。在訓(xùn)練階段,模型的特征通道參數(shù)在源域?qū)W習(xí)中針對(duì)提供的百萬數(shù)據(jù)進(jìn)行了深度識(shí)別學(xué)習(xí),以完成遷移前的模型構(gòu)建。針對(duì)遷移目標(biāo)域的樣本,小波-DTN模型中的卷積層對(duì)目標(biāo)域信號(hào)圖像矩陣產(chǎn)生響應(yīng)激活,激活對(duì)象是采樣信號(hào)模型遷移后的過濾權(quán)重層。可視化卷積層權(quán)重每一欄權(quán)重表征對(duì)應(yīng)故障不同類別表現(xiàn)。圖片的黑白和彩色部分分別對(duì)應(yīng)圖像的形狀和顏色特征。
如圖8所示,以激活第一層卷積10×10的過濾權(quán)重集為例說明特征激活過程。特征通道開始激活在第一卷積層,接著根據(jù)可視化特征權(quán)重圖像的變化,提取特征通道圖層,捕獲降低的特征維度,遷移后的權(quán)重經(jīng)過卷積層的分類提取,最后輸入到分類層進(jìn)行信號(hào)分類。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在提取權(quán)重后,將激活類圖層中的可視層。
3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
3.3.1 實(shí)驗(yàn)1:不同故障程度的對(duì)比分析
本節(jié)實(shí)驗(yàn)為評(píng)價(jià)方法的診斷性能和魯棒性,分析微小和顯著兩種故障程度在此方法下的診斷性能。分別對(duì)兩類故障各進(jìn)行重復(fù)模型訓(xùn)練。基于表1進(jìn)行樣本采樣,采樣來源為數(shù)據(jù)總庫,每組實(shí)驗(yàn)隨機(jī)采樣10次,共采樣50次,結(jié)果取平均值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄于表2,結(jié)果表明本文方法對(duì)顯著故障和微小故障的診斷,其準(zhǔn)確率都達(dá)到100%,在單CPU運(yùn)算核支持下,單輪次訓(xùn)練時(shí)間只需3.5 s,流程效率高。
后續(xù)將整體數(shù)據(jù)集在原實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上縮小50%,即24組訓(xùn)練集,6組測(cè)試集。訓(xùn)練集占總目標(biāo)域樣本的1/24,訓(xùn)練時(shí)間94 s,準(zhǔn)確率依舊保持在100%。在有限數(shù)據(jù)下,本文方法對(duì)微小故障的診斷性能達(dá)到與顯著故障同一層次。結(jié)果表明,基于方法的模型遷移顯著提升微小故障的診斷效率且有效減少對(duì)數(shù)據(jù)集的依賴,同時(shí)具有良好的魯棒性。
3.3.2 實(shí)驗(yàn)2:多工況梯度訓(xùn)練的診斷對(duì)比
本節(jié)實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證方法的泛化性,分析多工況不同訓(xùn)練梯度下對(duì)微小故障的診斷效果。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分組隨機(jī)截取信號(hào)樣本作為模型樣本輸入,每類故障隨機(jī)選取10組數(shù)據(jù)。工況分類依據(jù)負(fù)載大小、轉(zhuǎn)速、軸承型號(hào)、傳感器部位的不同分成8類差異工況,按C1~C8排序。對(duì)于不同工況條件的訓(xùn)練數(shù)據(jù)比例設(shè)置 0.1~0.9的梯度比例 ,間隔為0.1。數(shù)據(jù)集詳細(xì)工況分類參照表3:
圖9為準(zhǔn)確率擬合曲線,準(zhǔn)確率指模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確的結(jié)果所占全部預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的比例,是驗(yàn)證模型質(zhì)量重要指標(biāo)。結(jié)果表明在50輪迭代內(nèi),能達(dá)到100%的分類準(zhǔn)確率。圖10為迭代到50輪時(shí)的損失函數(shù)值曲線,損失函數(shù)值越低表示模型預(yù)測(cè)值與真實(shí)值一致度越高。在運(yùn)算核支持下,單輪次運(yùn)算時(shí)間只需3.5 s,識(shí)別效率較高,且可進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)。由結(jié)果可知迭代50輪時(shí),損失值已達(dá)到最低,此時(shí)診斷結(jié)果可靠。
數(shù)據(jù)集的訓(xùn)練比例與模型診斷準(zhǔn)確率呈正相關(guān)關(guān)系。為了研究方法準(zhǔn)確率與數(shù)據(jù)集訓(xùn)練比例兩者間的關(guān)系,將訓(xùn)練數(shù)據(jù)比例設(shè)置按0.1~0.9等梯度提升,以便選取閾值范圍內(nèi)的訓(xùn)練參數(shù)。訓(xùn)練結(jié)果如表4所示。
3.3.3 實(shí)驗(yàn)3:與其他方法的對(duì)比研究
基于圖12分析,時(shí)間序列結(jié)構(gòu)信號(hào)的多樣本分類對(duì)于以線性分類為基礎(chǔ)的模型(SVM等)分類效果較差。分析原因是微小故障信號(hào)故障特征微弱,難以從線性分類的基礎(chǔ)中區(qū)分多類故障樣本。本文方法運(yùn)算時(shí)間均長(zhǎng)163 s,診斷時(shí)間層面僅長(zhǎng)于DT和GNB分類器;準(zhǔn)確率能穩(wěn)定保持99.9%以上,準(zhǔn)確率層面相比DNN、GNB、ODNN,能提升3.66%~5%,且運(yùn)算時(shí)間較少。同樣針對(duì)微小故障診斷的文獻(xiàn)[13]采用堆疊自編碼器為遷移模型,與本文方法相比,存在需要大量標(biāo)簽故障進(jìn)行前期訓(xùn)練的局限性。文獻(xiàn)[24]利用遷移學(xué)習(xí)卷積網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)圖像的分辨擴(kuò)展,但診斷目標(biāo)僅是顯著故障缺少對(duì)微小故障的診斷分析。文獻(xiàn)[25]利用小波變換增加診斷特征識(shí)別率,但在訓(xùn)練階段依賴大量數(shù)據(jù)且缺少對(duì)故障程度的分析。綜合比較,本文方法增強(qiáng)特征可視化同時(shí),有效降低對(duì)訓(xùn)練集的數(shù)據(jù)要求,與其他方法比較在保持準(zhǔn)確率的同時(shí)提升了效率。
4 結(jié)束語
本文針對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)在微小故障診斷下存在的問題,提出了匹配小波深度模型遷移學(xué)習(xí)方法。結(jié)論如下:
a)理論來看,方法采用Morse連續(xù)小波變換動(dòng)態(tài)匹配信號(hào)時(shí)頻域的可識(shí)別特征,顯著強(qiáng)化信號(hào)局部特征。結(jié)合深度遷移學(xué)習(xí),遷移DTN模型來適配目標(biāo)域,優(yōu)化診斷流程,最后達(dá)到降低訓(xùn)練數(shù)據(jù)量和提高診斷精度的目的。
b)基于實(shí)驗(yàn)分析,實(shí)驗(yàn)1驗(yàn)證方法對(duì)微小故障振動(dòng)信號(hào)具有優(yōu)秀的診斷能力,同時(shí)具有良好的魯棒性。實(shí)驗(yàn)2、3在不同工況和不同診斷模型的測(cè)試中,表明方法能夠在低于普遍訓(xùn)練比率數(shù)據(jù)和較少訓(xùn)練時(shí)間下,完成對(duì)目標(biāo)的診斷。表明方法具有泛化能力,在提高訓(xùn)練效率的同時(shí)能夠有效降低對(duì)數(shù)據(jù)集的依賴性。
c)下一研究階段將面向線上同步的遷移學(xué)習(xí)診斷方案進(jìn)行研究。
參考文獻(xiàn):
[1]Hoang D T,Kang H J. Rolling element bearing fault diagnosis using convolutional neural network and vibration image[J]. Cognitive Systems Research,2018,53: 42-50.
[2]郭文強(qiáng),徐成,肖秦琨,等. 基于變權(quán)重遷移學(xué)習(xí)的BN參數(shù)學(xué)習(xí)算法[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2021,38(1): 110-114. (Guo Wenqiang,Xu Cheng,Xiao Qinkun,et al. BN parameter learning algorithm based on variable weight transfer learning[J]. Application Research of Computers,2021,38(1): 110-114.)
[3]余萍,曹潔. 深度學(xué)習(xí)在故障診斷與預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2020,56(3): 1-18. (Yu Ping,Cao Jie. Application of deep learning in fault diagnosis and prediction[J]. Computer Engineering and Application,2020,56(3): 1-18.)
[4]文成林,呂菲亞,包哲靜,等. 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的微小故障診斷方法綜述[J]. 自動(dòng)化學(xué)報(bào),2016,42(9): 1285-1299. (Wen Chenglin,Lyu Yafei,Bao Zhejing,et al. A review of data-driven diagnostic methods for small faults[J]. Acta Automatica Sinica,2016,42(9): 1285-1299.)
[5]Hinton G E,Salakhutdinov R R. Reducing the dimensionality of data with neural networks[J]. Science,2006,313(5786): 504-507.
[6]Wang Xu,Gu Hongyang,Wang Tianyang,et al. Deep convolutional tree-inspired network: a decision-tree-structured neural network for hierarchical fault diagnosis of bearings[J]. Frontiers of Mechanical Engineering,2021,16: 814-828.
[7]Jia Feng,Lei Guoya,Lin Jing,et al. Deep neural networks: a promi-sing tool for fault characteristic mining and intelligent diagnosis of rotating machinery with massive data[J]. Mechanical Systems and Signal Processing,2016,72-73: 303-315.
[8]Zhao Jing,Yang Shaopu,Li Qiang,et al. A new bearing fault diagnosis method based on signal-to-image mapping and convolutional neural network[J]. Measurement,2021,176: 109088.
[9]杜小磊,陳志剛,許旭,等. 改進(jìn)深層小波自編碼器的軸承故障診斷方法[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2020,56(5): 263-269. (Du Xiao-lei,Chen Zhigang,Xu Xu,et al. Improved bearing fault diagnosis methods for deep wavelet autoencoders[J]. Computer Engineering and Applications,2020,56(5): 263-269.)
[10]Qian Chenhui,Zhu Junjun,Shen Yehe,et al. Deep transfer learning in mechanical intelligent fault diagnosis: application and challenge[J]. Neural Processing Letters,2022,54(3),2509-2531.
[11]He Jun,Ouyang Ming,Yong Chen,et al. A novel intelligent fault diagnosis method for rolling bearing based on integrated weight strategy features learning[J]. Sensors,2020,20(6): 1774.
[12]陶啟生,彭成,滿君豐,等. 用于軸承故障診斷的兩步遷移學(xué)習(xí)法[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2022,58(2): 303-312. (Tao Qisheng,Peng Cheng,Man Junfeng,et al. Two-step transfer learning method for bearing fault diagnosis[J]. Computer Engineering and Applications,2022,58(2): 303-312.)
[13]陳丹敏. 基于遷移學(xué)習(xí)的故障診斷方法研究[D]. 鄭州: 戰(zhàn)略支援部隊(duì)信息工程大學(xué),2020. (Chen Danmin. Research on fault diagnosis method based on transfer learning[D]. Zhengzhou: Strategic Support Force Information Engineering University,2020.)
[14]付松,鐘詩勝,林琳. 基于遷移學(xué)習(xí)的民航發(fā)動(dòng)機(jī)小樣本故障診斷[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2021,27(12): 3450-3461. (Fu Song,Zhong Shisheng,Lin Lin. Fault diagnosis of small sample of civil aviation engine based on transfer learning[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems,2021,27(12): 3450-3461.)
[15]Li Xingqiu,Jiang Hongkai,Zhao Ke,et al. A deep transfer nonnegativity-constraint sparse autoencoder for rolling bearing fault diagnosis with few labeled data[J]. IEEE Access,2019,7: 91216-91224.
[16]Wang Kun,Johnson C W,Bennett K C,et al. Predicting fault slip via transfer learning[J].Nature Communications,2021,12∶article No.7319.
[17]崔振凱,王成,何霆,等. 基于深度遷移學(xué)習(xí)的多點(diǎn)頻域振動(dòng)響應(yīng)預(yù)測(cè)[J/OL]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng). (2021-10-22) [2022-07-01]. http://kns. cnki.net/kcms/detail/11.5946.TP.20211022.1456.012.html. (Cui Zhenkai,Wang Cheng,He Ting,et al. Multi-point frequency domain vibration response prediction based on deep transfer learning [J/OL]. Computer Integrated Manufacturing Systems. (2021-10-22) [2022-07-01]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.5946.TP.20211022.1456.012.html.)
[18]肖燕珊,梁飛,劉波. 基于弱標(biāo)簽的多示例遷移學(xué)習(xí)方法[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2021,38(1): 125-128. (Xiao Yanshan,Liang Fei,Liu Bo. Multi-example transfer learning method based on weak labels[J]. Application Research of Computers,2021,38(1): 125-128.)
[19]左航旭,廖彬,陳小昆,等. 融合遷移學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)增強(qiáng)的SC-Net模型在皮膚癌識(shí)別中的應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2022,39(8): 2550-2555,2560. (Zuo Hangxu,Liao Bin,Chen Xiaokun,et al. Application of SC-Net model based on transfer learning and data enhancement in skin cancer recognition[J]. Application Research of Computers,2022,39(8): 2550-2555,2560.)
[20]Cao Pei. Preprocessing-free gear fault diagnosis using small datasets with deep convolutional neural network-based transfer learning[J]. IEEE Access,2018,6: 26241-26253.
[21]Lilly J M,Olhede S C. Generalized morse wavelets as a superfamily of analytic wavelets[J]. IEEE Trans on Signal Processing,2012,60(11): 6036-6041.
[22]Krizhevsky A,Sutskever I,Hinton G E,et al. ImageNet classification with deep convolutional neural networks[J]. Communications of the ACM,2017,60(6): 84-90.
[23]Case Western Reserve University. Bearing data center: seeded fault test data[DB/OL]. (2017-11-03). https://engineering.case.edu/bearingdatacenter.
[24]Han Tian,Tian Zhixin,Yin Zhongjun,et al. Bearing fault identification based on convolutional neural network by different input modes[J]. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering,2020,42∶article No. 474.
[25]Lilly J M. Element analysis: a wavelet-based method for analysing time-localized events in noisy time series[J]. Proceedings of the Royal Society A,2017,473(2200): 20160776.
[26]Zhou Jianye. Multisignal VGG19 network with transposed convolution for rotating machinery fault diagnosis based on deep transfer learning[J]. Shock and Vibration,2020,2020∶article ID 8863388.