卷积门控循环残差网络在轴承故障诊断中的研究

针对滚动轴承故障特征较难提取及许多深度学习方法因模型简单而导致准确率偏低的问题,提出一种基于残差网络的门控循环网络(GRU),该算法可以减少时序信息的丢失及解决由于网络较深而出现性能下降的问题。该模型包含2个卷积层、2个GRU层、1个残差块以及1个输出层,其先利用具有强大特征提取能力的卷积神经网络(CNN)提取轴承振动信号中的信息,然后将提取到的信息输入GRU中以保证时序信息不丢失,再通过残差模块解决神经网络深度较深问题,最后通过输出层输出结果。结果表明：该方法可以一次性诊断多种轴承的不同位置及不同尺寸的故障,且对比其他深度学习网络,该算法具有更高的准确性。     

双通道特征融合CNN-GRU齿轮箱故障诊断

旋转部件是否发生局部故障,关键是判断其振动信号在空间上是否出现周期性冲击以及周期大小。卷积神经网络(CNN)善于挖掘数据空间上的局部重要的信息特征,具有"端对端"的优势,从而克服了人工提取特征的缺陷;由于振动信号在时间维度上也蕴含着丰富的信息,而长短时记忆网络(LSTM)善于从动态变化的序列数据中学习到时间上的关联性;门控递归单元(GRU)属于LSTM的变种,但相对于LSTM结构更加简洁,参数的数量更少,因此将CNN的空间处理能力和GRU时序处理能力的优势结合,提出一种双通道特征融合CNN-GRU齿轮箱故障诊断方法;即采用并列式结构令CNN与GRU双通道同时提取齿轮箱原始振动信号的故障特征,然后将双通道提取的特征向量合并成一个融合特征向量,输入到SoftMax进行故障分类。该方法可以直接从原始振动信号自适应提取到空间和时序的融合特征,实现了"端对端"的故障诊断。用齿轮实测数据和西储大学轴承数据进行验证,试验结果表明,所提方法识别准确率较高,具有实用性和可行性。     

改进注意力机制的航空发动机试验转子系统智能故障诊断

考虑到航空发动机的工作环境十分恶劣,其故障的振动信号特征隐蔽且噪声干扰严重,为了加强网络对振动信号中关键特征的提取能力,提出了改进注意力机制的航空发动机转子系统智能故障诊断方法对航空发动机转子系统的不平衡和碰摩等故障进行诊断。提出局部池化改进的通道注意力机制,能够通过预提取局部极值解决现有通道注意力机制对航空发动机转子故障通道信息提取能力不足的问题;提出多评分机制改进的空间注意力机制,能够通过不同尺度的卷积评分解决现有空间注意力机制对航空发动机转子故障空间信息提取能力不足的问题;将二者结合构建改进的通道空间注意力机制模块,再导入一维卷积神经网络中构建改进注意力机制的一维卷积神经网络完成智能故障诊断,并且通过航空发动机转子系统故障数据集对比分析试验证明了该网络优秀的检测性能、抗噪性能和泛化性能等综合性能以及注意力机制改进方法的可行性。     

一种结合改进Inception V2模块和CBAM的轴承故障诊断方法EI北大核心CSCD

传统深度学习的轴承故障诊断方法网络复杂,训练参数多,模型泛化性弱。针对上述问题,在工业大数据背景下,提出一种结合改进Inception V2模块和CBAM注意力机制的轴承故障诊断方法,改进后的Inception V2模块通过增加平均池化层,进一步拓宽分支网络结构,从而提高网络表达能力。将轴承振动信号通过小波变换转换为时频图,作为卷积神经网络的输入,通过改进Inception V2模块对输入特征进行自适应特征提取,跨通道对提取的特征进行信息组织;通过CBAM注意力机制生成通道和空间的双重注意力权重,增强相关度高的特征并抑制相关度不高的特征;将生成的特征数据输入到全局平均池化层,并输出故障诊断结果。实验结果表明:该方法可以建立“浅层”卷积神经网络模型,减少模型参数,加快模型收敛速度,实现99.75%的准确率;同时在不同负载以及高噪声条件下,模型有较好的泛化性,更适合应用在工业大数据中。     

基于GADF-CNN的滚动轴承故障诊断方法

针对一维信号作为卷积神经网络输入时无法充分利用数据间的相关信息的问题,提出GADF-CNN的轴承故障诊断模型。利用格拉姆角差域(GADF)对采集到的振动信号进行编码,可以很容易地进行角度透视,从而识别出不同时间间隔内的时间相关性并生产相应特征图,之后将其输入卷积神经网络(CNN)自适应的完成滚动轴承故障特征的提取与分类。为了验证模型性能,采用凯斯西储大学轴承数据集进行轴承故障诊断分析,同时引入常见神经网络作为对比,检验不同模型的分类性能。结果表明,相较于其他图像编码方式与神经网络,该模型在载荷变化以及噪声污染时,仍保持了良好的诊断性能。     

基于深度卷积神经网络与WPT-PWVD的轴承故障智能诊断

针对轴承故障诊断中人工提取特征依赖经验,且泛化性和自适应能力弱等问题,提出一种基于深度卷积神经网络(DCNN)与WPT-PWVD的智能故障诊断新方法。①利用小波包变换(WPT)将轴承故障信号进行自适应分解以提取有效高频成分并进行重构;②利用希尔伯特算法对重构信号做包络解调并进行伪魏格纳分布(PWVD)以得到能揭示轴承主要故障信息的时频图;③构建DCNN网络对轴承故障时频图自动学习提取故障特征,并通过在DCNN特征输出层后添加的Softmax多分类器进行网络参数微调,将特征自动学习提取与故障分类融为一体,实现轴承故障智能诊断。使用所提方法对不同工况、不同故障程度及不同故障类型的轴承进行诊断,结果证明了所提方法诊断精度高,且泛化能力强。     

基于残差连接和1D-CNN的滚动轴承故障诊断研究

针对滚动轴承故障诊断人工提取特征困难、浅层诊断模型性能差的问题,提出一种基于残差连接的一维卷积神经网络(1D-CNN)的深层轴承故障诊断模型.将原始轴承振动信号输入网络中,利用具有残差连接的多个一维卷积层自动提取特征,残差连接能够在提取深层特征信息的同时将浅层提取的特征信息保留下来,与无残差连接的一维卷积网络相比能获得...     

基于CNN与多通道声学信号的齿轮故障诊断

针对齿轮故障诊断任务中,振动信号受设备或工矿环境的影响难以获取,传统的单通道声学诊断法只能采集部分信息用于局部诊断,多通道声学诊断法权值确定过程复杂、实时性差等问题,结合深度学习理论,提出一种基于卷积神经网络与多通道声学信号齿轮故障诊断法。通过将传感器布置在不同测量点位以获取不同敏感度的故障信息,再以卷积神经网络作为融合技术,对4路齿轮声学信号进行特征级融合,实现对多级传动齿轮的故障诊断。实验结果表明:相比于单个传感器多个特征量信息的传统声学诊断方法,该文所提出的方法在齿轮故障识别率上有显著提升,可达99.8%。     

基于注意力改进卷积网络的隧道风机预埋基础损伤识别EI北大核心CSCD

针对隧道风机预埋基础损伤信息微弱、特征难以提取等问题,提出一种基于度量-频段注意力卷积神经网络的隧道风机预埋基础损伤识别方法。首先,通过预埋基础冲激试验的激励信号和响应信号,计算预埋基础的频率响应函数并作为损伤识别模型的输入;然后,使用多层卷积将输入的频率响应函数映射到特征空间提取损伤特征信息;再次,采用频段注意力机制对不同频段上的特征进行自适应加权融合,并采用度量损失进一步增强提取特征的可辨识性;最后,将提取的特征输入全连接层以实现预埋基础损伤识别。实测数据验证结果表明,所提方法对比现有的神经网络模型具有更高识别率,能够对隧道风机预埋基础健康状态进行有效地评估。     

一种机械设备故障诊断的FD-Transformer方法

随着机械设备故障诊断技术的发展，利用深度学习技术判断设备故障类型越来越引起人们重视。目前，基于注意力机制的Transformer模型有着优于卷积神经网络(convolutional neural network, CNN)的特征提取能力且在自然语言处理及计算机视觉领域都得到成功的应用。该研究提出一种用于机械设备故障诊断的Transformer方法(fault diagnosis-Transformer, FD-Transformer)。首先，对原始振动信号利用Dropout技术进行数据增强，提高模型的泛化能力；然后，利用多通道一维卷积进行数据处理并得到矩阵形式；接着，利用Dense连接的Encoder结构进行机械设备的故障特征提取；最后，利用分类模块得到故障诊断结果。分别采用变转速轴承数据和轮对轴承数据对模型进行试验验证，试验结果表明，该模型在两种数据集上均达到99%以上的故障识别率，与CNN相比可以更好地提取机械设备故障特征，有工程应用价值。     

基于ITD-MFCC与卷积神经网络的核电电气设备异音检测技术

针对核电设备小样本异音数据集无法训练出高效预测模型难题，提出一种基于ITD-MFCC和卷积神经网络的电气设备异音检测方法。首先，利用固有时间尺度分解(Intrinsic Time-scale Decomposition,ITD)强化信号特征，增强特征辨识度；然后，利用梅尔频率倒谱系数(Mel-frequency Cepstral Coefficients,MFCC)提取与人耳听觉特性关联的时频特征，进一步增强异音特征辨识度；最后，融合所提取特征指标，并利用卷积神经网络对融合特征进行训练，建立异响与数据特征映射关系，实现异音检测。试验结果表明：所设计的模型在小样本数据中准确率达到97.63%，相比于现有的支持向量机(Support Vector Machine,SVM)和BP神经网络模型准确率分别提升10.43%和12.86%。     

多头注意力驱动的航空高速轴承故障诊断方法EI北大核心CSCD

航空发动机运行速度高、工况变化大、结构复杂且干扰噪声大,导致微弱故障特征往往存在于多子空间中,目前基于数据驱动的诊断模型尚不足以可靠捕捉不同子空间中丰富的特征信息。针对上述问题,提出一种基于信号特征的多头注意力诊断方法(multi-head attention diagnosis method,MADM),可实现高速非平稳工况下航空轴承故障状态的识别和诊断。该方法首先通过卷积模块和双向GRU模块对原始振动信号进行特征提取;然后引入多头注意力模块,使网络同时注意并融合不同表示子空间的信息以提高故障特征的显著性水平;最后利用全连接模块和Softmax分类器对提取的特征进行高速轴承故障诊断。试验结果表明,提出的MADM该诊断方法可实现转速为12000 r/min以上、剥落面积最小为0.5 mm^(2)的航空轴承高精度可靠诊断,且优于目前主流的深度诊断方法。     

基于特征融合进行活动识别的DCNN 5法

研究了输入是可穿戴传感器获得的多通道时间序列信号,输出是预定义的活动的活动识别模型,指出活动中的有效特征的提取目前多依赖于手工和浅层特征学习结构,不仅复杂而且会导致识别准确率下降;基于深度学习的卷积神经网络（ CNN）不是对时间序列信号进行手工特征提取,而是自动学习最优特征;目前使用卷积神经网络处理有限标签数据仍存在过拟合问题。因此提出了一种基于融合特征的系统性的特征学习方法用于活动识别,用ImageNet16对原始数据集进行预训练,将得到的数据与原始数据进行融合,并将融合数据和对应的标签送入有监督的深度卷积神经网络（ DCNN ）中,训练新的系统。在该系统中,特征学习和分类是相互加强的,它不仅能处理端到端的有限数据问题,也能使学习到的特征有更强的辨别力。与其他方法相比,该方法整体精度从87.0％提高到87.4％。     

基于MTF-CNN的轴承故障诊断研究EI北大核心CSCD

轴承故障诊断对保证机械设备的安全十分重要。近年来,数据驱动的故障诊断方法得到了研究者的关注。与传统的依赖于专家经验的故障特征提取方法不同,深度学习方法可以实现端到端自动故障特征提取与分类。针对一维信号作为卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)输入时无法充分利用数据间的相关信息的问题,提出一种基于MTF-CNN的轴承故障诊断方法。利用马尔可夫变迁场(Markov transition field,MTF)对采集到的振动信号进行编码,根据数据之间的转移概率得到不同时间间隔内的数据相关性并生成相应特征图,之后将其输入卷积神经网络完成特征的提取并进行故障分类。采用凯斯西储大学轴承数据对模型进行验证,试验结果表明该模型达到99.8%以上的故障诊断准确率,与其他图像编码方式相比获得了较好的泛化性能。     

基于参数优化SDP分析的转子故障诊断方法

针对存在多种故障类型不同故障严重程度的转子故障诊断问题，提出了一种基于参数优化对称点模式(symmetrized dot pattern, SDP)分析的智能诊断方法。首先，利用SDP分析提取多个传感器信号的故障特征并将其融合为SDP图像；然后，以基于欧氏距离定义的图像区分度函数为适应度函数，基于天牛须搜索(beetle antennae search, BAS)算法获得SDP分析中角域增益因子与时间延滞系数的最佳取值；最后，利用SDP图像训练卷积神经网络(convolutional neural network, CNN)获得转子故障诊断模型。试验研究表明，该方法相较于其他故障诊断方法具有更高的诊断精度，且在强噪声环境下的诊断表现良好。基于BAS算法优化后的SDP分析放大了不同类型不同严重程度转子故障的表征差异，提高了故障诊断精度。     

基于特征融合进行活动识别的DCNN方法

研究了输入是可穿戴传感器获得的多通道时间序列信号,输出是预定义的活动的活动识别模型,指出活动中的有效特征的提取目前多依赖于手工和浅层特征学习结构,不仅复杂而且会导致识别准确率下降;基于深度学习的卷积神经网络(CNN)不是对时间序列信号进行手工特征提取,而是自动学习最优特征;目前使用卷积神经网络处理有限标签数据仍存在过拟合问题。因此提出了一种基于融合特征的系统性的特征学习方法用于活动识别,用Image Net16对原始数据集进行预训练,将得到的数据与原始数据进行融合,并将融合数据和对应的标签送入有监督的深度卷积神经网络(DCNN)中,训练新的系统。在该系统中,特征学习和分类是相互加强的,它不仅能处理端到端的有限数据问题,也能使学习到的特征有更强的辨别力。与其他方法相比,该方法整体精度从87.0%提高到87.4%。     

基于MACNN的柴油机故障诊断方法研究EI北大核心CSCD

高效、准确的故障诊断可以提高柴油机的安全性和可靠性。传统机械故障诊断方法中人工参与程度过高,对识别结果带来诸多不确定性。针对这一问题,提出一种基于多重注意力卷积神经网络(multiple attention convolutional neural networks,MACNN)的端到端故障诊断方法。该方法采用多层卷积神经网络(convolutional neural networks,CNN)结合卷积注意力模块(convolutional block attention module,CBAM)对原始时域数据进行特征提取;然后,对多维卷积输出特征图进行重组以保留其序列信息;最后,直接采用序列注意力机制完成序列特征的学习。经采用实测柴油机缸盖振动信号数据进行验证后表明:面对8分类柴油机故障数据集,MACNN能够达到97.88%的识别准确率,测试100个样本用时仅为0.35 s。与现有多种传统故障诊断方法和端到端故障诊断方法相比,均具有更好的诊断效果。     

基于多传感器信号和卷积神经网络的滚动轴承故障诊断

针对滚动轴承故障信号非平稳非线性且易受背景噪声干扰的特点,结合深度学习的优势,提出了一种基于卷积神经网络(CNN)的滚动轴承故障诊断法。将不同故障下多个传感器测得的1维(1D)振动信号转化为2维(2D)灰度图像作为网络输入,并将其分为训练集和测试集;将训练集输入卷积神经网络进行训练,自动提取其中的特征;测试集被用于验证学习完毕的网络的有效性,实现滚动轴承故障识别。该方法不依赖于人为经验和信号处理技术进行预先的信号特征提取,实验数据分析表明,相比于经典的支持向量机和概率神经网络方法,提出的方法识别准确率更高且更稳定。     

深度卷积神经网络在滑动轴承转子轴心轨迹识别中的应用

针对传统旋转机械智能识别方法需要人为提取特征及诊断精度低的问题,基于深度学习的强大学习能力,提出一种深度卷积神经网络故障诊断模型(Deep Convolutional Neural Network Fault Diagnosis Model,DCNN-FDM)用于轴心轨迹识别.该模型包括输入模块、特征提取模块及分类模块...     

基于改进对抗迁移学习的滚动轴承故障诊断研究

为解决故障诊断中标签不足的问题,该文以滚动轴承作为对象提出一种改进的对抗迁移学习模型。该模型通过一维卷积结构提取时间信号特征,能够直接处理时域振动信号,并通过大尺寸卷积核抑制噪声的干扰;在对抗迁移学习的域判别器中采用卷积结构替换全连接神经网络,以对抗训练的方式减少训练数据和测试数据间的分布差异,以提高故障诊断精度。将改进后的模型应用于两个滚动轴承故障诊断案例中,通过添加不同信噪比的噪声信号验证提出的模型具有良好的抗干扰能力,同时以故障分类正确率作为指标,验证该模型具有更高的诊断精度和鲁棒性。