上海交通大学学报 ›› 2022, Vol. 56 ›› Issue (2): 182-190.doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.001
所属专题: 《上海交通大学学报》2022年“机械与动力工程”专题
收稿日期:2021-01-04
出版日期:2022-02-28
发布日期:2022-03-03
作者简介:刘秀丽(1986-),女,山东省济南市人,博士,助理研究员,现主要从事机电装备故障诊断与预测研究.E-mail: 基金资助:Received:2021-01-04
Online:2022-02-28
Published:2022-03-03
摘要:
变工况、变载荷设备部件不同故障的特征在信号中所占比例和位置不固定,且包括大量不同场景下的原始振动信号的多尺度复杂性.对此,提出一种基于特征金字塔网络(FPN)的卷积循环神经网络(CRNN)滚动轴承故障诊断方法.利用卷积神经网络(CNN)框架,并联CNN的卷积层和循环神经网络(RNN)中的长短时记忆(LSTM)层,形成新的CRNN,以充分利用CNN对空间域信息和RNN对时域信息的学习能力;在每一层中权值共享,减少网络参数;利用FPN构建全新特征图,输入一维信号和堆叠后形成的二维信号,对传感器采集的信号进行特征提取,实现故障诊断.利用行星齿轮箱进行故障试验,并进行5折交叉验证,该方法的诊断准确率平均值为99.20%,比基本神经网络模型至少高3.62%,表明该方法诊断精度高、鲁棒性强;利用凯斯西储大学轴承数据集进行验证,证明该方法具有良好的泛用性;利用t-SNE方法对模型的特征学习效果进行可视化分析,结果表明不同故障类别特征具有良好的聚类效果.
中图分类号:
刘秀丽, 徐小力. 基于特征金字塔卷积循环神经网络的故障诊断方法[J]. 上海交通大学学报, 2022, 56(2): 182-190.
LIU Xiuli, XU Xiaoli. A Fault Diagnosis Method Based on Feature Pyramid CRNN Network[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2022, 56(2): 182-190.
表3
网络参数设定
| 编号 | 网络层 | 结构参数 | 算法参数 | 输出 | 补零 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 核数量/个 | 步长 | 循环/次 | 实际 | 语义 | |||||||
| 1 | 复合层1 | 卷积层 | 2×2×1@32 | — | 2×2 | — | 24× | 128 | 22×126 | 是 | |
| LSTM | — | 3072 | — | 32 | 24× | 128 | 24×128 | 否 | |||
| 池化层 | 2×2 | — | 1×1 | — | 24× | 128 | 22×126 | 是 | |||
| 2 | 池化层 | 2×2 | — | 2×2 | — | 12× | 64 | 11×63 | 否 | ||
| 3 | 复合层2 | 卷积层 | 2×2×32@32 | — | 2×2 | — | 12× | 64 | 10×62 | 是 | |
| LSTM | — | 768 | — | 32 | 12× | 64 | 11×63 | 否 | |||
| 池化层 | 2×2 | 1×1 | 12× | 64 | 10×62 | 是 | |||||
| 4 | 池化层 | 2×2 | — | 2×2 | — | 6× | 32 | 10×62 | 否 | ||
| 5 | 全连接层 | — | 1024 | — | — | 1024× | 1 | — | 否 | ||
| 6 | 分类器 | — | 4 | — | — | 4× | 1 | — | 否 | ||
表6
DNN、CNN和LSTM诊断准确率
| 组号 | 模型 | ε/% | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| K=1 | K=2 | K=3 | K=4 | K=5 | ||
| 1 | LSTM | 95.91 | 95.23 | 95.02 | 96.14 | 95.06 |
| CNN | 85.03 | 87.10 | 87.05 | 86.21 | 86.69 | |
| DNN | 59.87 | 65.35 | 63.54 | 61.52 | 63.18 | |
| 2 | LSTM | 95.35 | 96.26 | 96.19 | 95.33 | 96.16 |
| CNN | 84.92 | 86.97 | 87.80 | 86.49 | 87.35 | |
| DNN | 64.14 | 61.47 | 65.20 | 62.80 | 58.48 | |
| 3 | LSTM | 95.88 | 94.62 | 96.24 | 95.56 | 95.56 |
| CNN | 87.17 | 86.92 | 87.55 | 85.91 | 84.34 | |
| DNN | 59.42 | 63.64 | 65.38 | 62.00 | 63.91 | |
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