基于注意力机制改进残差神经网络的轴承故障诊断方法EI北大核心CSCD

针对滚动轴承在不同工况环境中故障诊断训练时间长、准确率低和泛化性能弱的问题,提出了基于注意力机制改进残差神经网络的轴承故障诊断方法。为了提高ResNet模型的准确率和泛化性,提出了基于注意力机制的SE-ResNet模型和CBAM-ResNet模型,并在凯斯西储大学数据集上进行了试验,在同工况有训练集的情况下ResNet模型测试的准确率为97.28%,在不同工况下模型直接迁移的准确率为94.14%~96.86%,CBAM-ResNet模型在不同工况下模型直接迁移的准确率为97.14%~98.86%,SE-ResNet模型在不同工况下模型直接迁移的准确率为97.86%~99.71%,两种改进模型的准确率都明显优于原ResNet模型,表明提出的优化模型提高了ResNet模型的准确率和泛化性。     

基于改进卷积神经网络的柴油机故障诊断方法研究EI北大核心CSCD

现有基于卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)的柴油机故障诊断方法易过拟合,网络收敛速度较慢、处理小样本数据时诊断精度低,针对以上问题,提出了一种基于改进CNN的“端到端”柴油机故障诊断方法。该方法在CNN架构上,采用指数线性单元(exponential linear units,ELU)作为激活函数及小批量训练方法加速模型收敛,用全局平均池化(global average pooling,GAP)代替全连接层以降低过拟合风险。基于台架试验的诊断结果表明:所提方法进行柴油机典型故障诊断的精度达到99.18%;与未改进模型及现有基于CNN的柴油机故障诊断算法相比,该方法在处理小样本数据集时仍保持最高识别精度。     

基于续尺度卷积网络的10 MW漂浮式风力机筋腱损伤识别EI北大核心CSCD

为提升复杂环境中漂浮式风力机平台筋腱结构隐性损伤识别率,基于卷积神经网络(convolutional neural network,CNN),提出连续多尺度卷积神经网络(continues-multi-scale convolutional neural network,CMS-CNN),建立“端到端”的损伤识别模型。为验证CMS-CNN方法的有效性,以10 MW漂浮式风力机为研究对象,对损伤位置、程度进行故障诊断,结果表明:连续多尺度模型比传统多尺度的诊断结果更佳;横荡加速度受环境载荷影响较小,基于此响应信号所训练的CMS-CNN诊断模型更可靠;CMS-CNN模型可在筋腱结构微弱损伤时实现精准定位,亦能完成结构隐性损伤程度识别。     

基于BiLSTM与注意力机制的剩余使用寿命预测研究EI北大核心CSCD

剩余使用寿命(remaining useful life,RUL)预测在现代工业中占有重要地位,如何提高剩余使用寿命预测的准确性已经成为当今研究的热点。传统的剩余使用寿命预测方式是采用基于模型的方法进行预测,需要人工提取特征,不能自动地学习特征信息,无法获得原始数据与剩余使用寿命之间的复杂映射关系。该研究提出一种基于双向长短期记忆网络(bi-directional long short term memory,BiLSTM)与注意力机制的剩余使用寿命预测模型,与已有的剩余使用寿命预测方法不同之处在于:直接将获取的原始时间序列输入到BiLSTM神经网络中,通过BiLSTM自动地提取设备状态特征信息;然后利用注意力机制对特征分配不同的权重,这样可以更准确地提取设备的健康状态信息。进行了发动机和轴承剩余使用寿命预测试验,并与长短期记忆网络(long short-term memory,LSTM)模型和BiLSTM剩余使用寿命预测模型进行比较,试验结果表明提出的BiLSTM与注意力机制相结合的模型能够更准确地进行剩余使用寿命预测,具有应用价值。     

结合注意力机制和因果卷积网络的维吾尔语方言识别

针对传统x-vector模型生成方言语音段级表示时,未考虑不同帧级特征对方言辨识作用不一致的问题,以及维吾尔语的黏着性特点,提出结合注意力机制和因果卷积网络的维吾尔语方言识别方法。首先使用多层因果卷网络实现方言语音序列建模,然后采用空洞卷积核增大感受野扩展采样范围,最后使用注意力池化获取方言语音段级特征。维吾尔语方言识别实验结果表明,所提方法较标准x-vector模型方言识别的识别准确率提升了23.19个百分点。     

基于小波散射卷积神经网络的结构损伤识别

损伤识别是结构状态评估领域的关键问题之一,对确保结构安全性有重要意义。深度学习算法在基于振动的结构损伤识别方面带来了许多突破,但从海量数据中挖掘结构损伤关键信息仍是亟待解决的技术难题。该研究提出了基于一维卷积神经网络(one-dimensional-convolutional neural network, 1D-CNN)深度学习的结构多类型损伤识别模型,采用小波散射变换对1D-CNN架构第一层卷积滤波器进行替换,通过散射系数实现输入层原始数据降维与特征提取,结合CNN卷积层、激活层和池化层实现监测数据特征增强处理。在此基础上,结合1D-CNN全连接层与Softmax函数实现特征数据分类,从而实现结构多类型损伤定位与定量高效识别。通过钢桁架结构和斜拉桥两种数值模型对上述框架进行了验证。结果表明：与普通卷积神经网络模型相比,基于小波散射卷积神经网络的结构损伤识别精度显著提升,损伤分类准确率达95.0%以上。随着传感数据环境噪声比例的增加,小波散射卷积神经网络损伤分类准确率虽略有下降,但仍保持较高精准度,说明该方法具有较强的鲁棒性抗噪能力。     

基于一维卷积注意力门控循环网络和迁移学习的轴承故障诊断EI北大核心CSCD

针对实际应用中轴承故障数据获取困难,导致其故障诊断模型的准确性和泛化能力下降的问题,提出了一种基于一维卷积注意力门控循环网络(1DCNN-Attention-GRU)和迁移学习的轴承故障诊断方法。首先,构建基于一维卷积网络(1D convolutional neural networks, 1DCNN)、门控循环网络(gated recurrent unit, GRU)和注意力机制(Attention)的故障诊断网络,解决传统故障诊断方法特征提取过于依赖人工经验的问题;然后,引入迁移学习,利用充足的源域数据训练网络,冻结训练好的网络底层结构,再利用少量目标域数据对网络顶层结构进行微调,得到目标网络模型;最后,采用Softmax函数进行故障分类。实验结果表明,所提方法在不同训练样本比例下的故障诊断准确率均高于1DCNN-GRU、GRU以及支持向量机(support vector machine, SVM),并能在变工况及小样本数据下获得较高的故障诊断准确率,当使用3%目标域数据进行微调时,故障诊断准确率高于98%。     

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。     

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。     

压缩感知结合卷积网络的天然气管道泄漏孔径识别EI北大核心CSCD

针对传统天然气管道泄漏孔径检测面临的原始数据冗余性大、特征选取主观依赖性强以及复杂环境下识别准确率低等问题,提出了一种将压缩感知与深度卷积神经网络相结合的泄漏孔径识别方法。首先利用随机高斯矩阵对原始泄漏信号进行压缩采集,以较少的压缩感知域数据获取全部泄漏信息;然后构建深度一维卷积神经网络,将压缩采集数据送入网络中实现自适应特征提取及高准确度泄漏孔径识别;还对主要参数的影响进行了深入的分析。实验结果表明,该方法能够快速、准确地实现天然气管道泄漏孔径识别,且在低信噪比环境下具有较好的鲁棒性,总体识别效果优于传统的分类方法。     

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。     

结合多尺度卷积网络和双端注意力机制的水声目标识别

水声目标识别是被动声呐系统的主要应用之一。为了进一步提升小样本条件下水下目标的识别率,文章提出一种基于多尺度卷积和双端注意力机制相融合的方法。首先,提取梅尔倒谱系数,色度谱和计算谱对比度等特征,建立基于多类别特征子集的三维聚合特征。其次,采用多尺度卷积滤波器算子构造多分辨率卷积神经网络,以更好地适应三维聚合特征的时频结构。另外,采用双端注意力模型捕获样本的全局依赖和局部特性。采用基于指数加权的对数交叉熵函数作为损失函数,提升样本数较少类别的识别率。实验结果表明,该方法在ShipsEar数据上的平均识别率为95.5%,取得了较好的分类效果。     

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DTCNN-SVM的工业循环水系统供水泵故障诊断EI北大核心CSCD

工业循环水系统供水泵的工作状态是影响工业过程安全生产的重要因素,为及时准确地识别供水泵的工作状态,提出一种基于深度迁移卷积神经网络和支持向量机(deep transfer convolutional neural network-support vector machine,DTCNN-SVM)的故障诊断方法。将与工作状态强相关的振动信号进行信号-图像预处理,实现振动时序信号的二维灰度图化;在此基础上,采用融合迁移学习与残差神经网络的深度迁移卷积神经网络模型提取振动信号灰度图特征,并基于模糊不一致性度量对深度学习特征进行约简;采用支持向量机法建立供水泵故障诊断模型。试验结果表明,所提方法在少量样本数据和模型参数下能有效识别供水泵工作状态。     

基于小波总能量相对变化的结构损伤识别EI北大核心CSCD

桥梁结构损伤伴随着服役期的增加而逐渐加深,寻找合适的损伤识别方法则是桥梁工作者必须面对的问题。通过对测点处动态响应信号进行离散小波变换,并计算各测点处的小波总能量,以结构未损伤状态为基准,提出了一种基于小波总能量相对变化的损伤识别方法,并以一两端固支梁为例,进行了损伤识别应用及有限元模型验证,结果表明,提出的损伤识别指标能够准确判断损伤的存在和定位损伤,且对损伤程度具有敏感性,对噪音污染、小波种类和分解尺度数有鲁棒性,并能够根据加速度、速度和位移信号的分析处理进行损伤判定,可用于桥梁结构的损伤识别。     

基于数据融合及残差卷积自编码器的结构损伤识别方法EI北大核心CSCD

深海混输立管作业期间持续遭受外部风浪流耦合荷载及内部矿液两相流体磨蚀作用,长期作用下结构损伤逐渐积累。立管结构呈高长细比、柔性状态,传统结构损伤识别过程中存在模态参数识别困难、单测点响应损伤敏感度低等诸多问题。针对上述问题,该研究提出了基于数据融合及一维残差卷积自编码器(one dimension residual convolution autoencoder, 1D-RCAE)的深海混输立管结构损伤识别方法,以结构损伤敏感的应变动态响应为输入,使用主成分分析(principal component analysis, PCA)进行多测点应变响应特征融合,进一步利用1D-RCAE自动提取损伤敏感特征,以结构损伤前后敏感特征间的马氏距离构建结构损伤判定指标,实现混输立管结构健康状态监测。通过500 m深海混输立管结构数值模拟和立管物理缩尺模型试验对该研究提出的方法进行验证,结果表明,有限测量信息下能够有效实现深海混输立管结构损伤识别,其中数值模拟验证损伤识别准确率高于99%,物理模型验证损伤识别准确率高于98%。同时探究了噪声污染、海洋环境因素变化对该研究提出方法损伤识别性能的影响规律。     

基于VMD和Chirplet变换的结构损伤识别研究EI北大核心CSCD

为识别结构损伤位置及对损伤程度进行量化,提出了一种基于变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)和Chirplet变换的结构损伤识别方法。采用VMD对结构振动响应信号进行分解得到模态分量,并利用Chirplet变换对模态分量进行时频分析,构建模态分量Chirplet变换能量指标识别损伤位置,利用Chirplet时频熵量化结构损伤程度。采用一个刚度变化的简支梁数值算例对所提方法进行验证,结果表明,无论单点损伤或多点损伤,所提方法均能准确识别结构的损伤位置并量化损伤程度。     

基于集成学习的铁路隧道空洞敲击检查声音识别EI北大核心CSCD

隧道衬砌空洞敲击检查方法是目前铁路隧道中应用最多的检查方法,但其空洞识别和数据的记录均靠人工完成。为实现铁路隧道空洞敲击检查声音智能识别,将采集到的隧道敲击检查音频文件进行预处理,选取645个声音样本,提取24维梅尔频率倒谱系数(Mel frequency cepstrum coefficients,MFCC)作为声音样本的声学特征参数,通过集成算法(梯度提升决策树GBDT)训练样本声学特征,建立隧道空洞敲击检查声音分类模型,最后将该模型应用于实际铁路隧道空洞敲击检查声音识别分类。实例研究表明:与优化的支持向量机(cross-validation-support vector machine,CV-SVM)模型和改进径向基神经网络(particle swarm optimization algorithm-radial basis function neural network,PSO-RBF)模型相比,GBDT集成算法模型具有更高的准确率和更少的运算时间,在面对异常数据时具有更强的稳定性,能够准确地根据铁路隧道空洞敲击检查声音诊断衬砌后是否存在空洞。     

基于卷积双向长短期记忆网络与混沌理论的滚动轴承故障诊断EI北大核心CSCD

针对传统滚动轴承故障诊断方法在大噪声与变载荷环境下诊断困难的问题。基于混沌理论,通过卷积神经网络(CNN)与双向长短期记忆网络(BiLSTM)提出CCNN(Chaotic CNN)-BiLSTM智能故障诊断方法。采用相空间重构法将一维时间序列转化为二维混沌序列,学习并提取混沌序列中有效非线性信息,并输入Softmax层中完成分类。结果表明,较之现有方法,所提CCNN-BiLSTM方法在变载荷和大噪声(信噪比为-8 dB)环境下的准确率分别至少高出3.76%与5.21%,表明该方法具有良好的鲁棒性和泛化性能。     

基于内积矩阵及卷积自编码器的螺栓松动状态监测EI北大核心CSCD

螺栓连接结构中的螺栓松动容易导致结构失效,如何对结构中的螺栓松动状态进行监测是当前研究的一个热点。该文利用环境激励下结构振动响应的相关性分析,结合深度学习技术,研究了一种联合使用内积矩阵(inner product matrix,IPM)和卷积自编码器(convolutional autoencoder,CAE)的神经网络模型,即基于内积矩阵及卷积自编码器(inner product matrix and convolutional autoencoder,IPM-CAE)的深度学习模型。通过对螺栓连接搭接板的螺栓松动状态监测的试验研究,验证了该方法的可行性及有效性,并与使用IPM的卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)、堆栈自动编码器(stack autoencoder,SAE)及胶囊网络(capsule network,CapsNet)相比,IPM-CAE方法具有较快的网络训练收敛速度和较高的识别精度。