本技术涉及设备故障诊断技术,提出了一种利用域对抗混合图卷积网络进行变工况轴承故障诊断的新方法。该技术方案包括:利用卷积神经网络处理输入数据,随后通过域对抗机制增强模型对不同工况下轴承故障特征的识别能力,最终实现对轴承故障的准确诊断。
背景技术
随着装备制造业的蓬勃发展,旋转机械已经在各行各业中都得到了广泛应用。滚动轴承作为旋转机械的重要组成部分,长期在恶劣的环境中工作,所以它的健康状况对机械的安全使用有很大的影响。因为轴承的工作环境大部分都是在高温高压的情况下,环境恶劣,这就使得它很容易出现各种各样的故障,当轴承发生故障的时候,就必须让机械停止使用,还会产生昂贵的维修费用,严重了还会出现人员伤亡,为了避免旋转机械故障造成一些无法挽回的损失,因此需要对轴承进行故障诊断。
近年来,人工智能技术迅猛发展,推动了故障诊断领域的研究方法从传统的机器学习向深度学习(DL)的转变,这种方法因其能够从输入到输出进行特征提取和模型训练的能力。受到了大多数学者的关注,基于DL的方法通过构建神经网络模型进行故障诊断,它可以对数据特征进行自动提取,并且在处理复杂数据时,也能有出色的表现,因此在故障诊断领域内,DL的方法对提升诊断效果有很大的帮助。典型的方法有基于卷积神经网络(CNN)、残差神经网络、循环神经网络、自编码器、图卷积神经网络(GCNN)。尽管CNN出现的时间较早,但至今仍有众多学者致力于其优化与改进,并成功将其应用于故障诊断领域,取得了显著的效果。
虽然使用DL的方法显著提升了诊断性能,但是这些方法仍存在一些不容忽视的缺陷。首先,大多数基于DL的方法都是在训练和测试时,样本的分布相同的条件下进行的,但是实际情况是,机器运行条件会受机械的故障状况和外部干扰等因素的影响产生变化。这可能导致训练样本和测试样本之间概率分布不一致,使得上述假设难以成立。其次,DL模型需要通过大规模的数据进行训练,然而,实际情况是大规模数据中有标注的样本数据是非常少的,并且受多种因素的影响,几乎不能把所有数据都进行标注。缺乏大量标记数据将使这些方法的效果变的很差,影响其在相关行业进行故障诊断。
Gopalan等人就通过使用无监督域自适应(UDA)解决了DL的缺陷,通过这种方法可以把数据集划分成两部分,一部分有标签的当作源域,一部分没有标签的作为目标域,然后通过缩小这两个域之间的分布差异,这样模型就可以在没有数据标签的情况下进行分类了。
近年来,通过UDA的方法解决故障诊断中样本数据不足方面的问题变得越来越普遍。目前一些UDA方法仅对类标签和域标签进行建模,而忽略了数据结构这一重要信息。对数据中的结构信息进行建模能够有效减少数据分布差异,使在用源域样本诊断目标域样本时表现更好。因此,在基于UDA方法的中也对数据结构信息进行建模是非常有益的。为了更有效地对数据的结构信息进行建模,通过引入图卷积网络(GCNs)来对数据的结构信息进行建模。通过图卷积操作,将中心节点的节点特征沿着与其相连的邻居节点进行聚合,形成新的节点特征,这样就可以获取到中心节点的隐藏表示和标签,新形成的节点特征中就有丰富的数据结构信息。
但是传统的GCN存在两个局限性,首先,感受野的大小是固定不变的,聚合的邻居节点信息也都是不变的,这样提取到的信息就会不全面;其次,在进行图卷积操作时使用的每个节点的边的值都是一样的,这也就意味着它们对于邻居节点的重要性是一样的,然而,实际上,这些节点的重要度不可能都是一样的,所以Li等人对图卷积网络进行了改进,通过并行了多个不同大小感受野的图卷积网络,能够灵活地处理和整合来自不同范围的邻域信息,从而克服了GCN在处理大规模图数据时的局限性。此外,MRF-GCN在构图时会根据每个节点与其邻居节点之间的重要程度进行加权,使网络更精确地捕捉节点之间复杂的关系,从而提高了信息传递的准确性和有效性。
Li等人提出了一种结合MRF-GCN与域对抗图卷积网络的方法(DAGCN),该方法不仅对类标签和域标签进行了建模,同时也考虑了数据结构信息。对于数据结构信息的建模,首先使用图生成层构建关联图,然后利用MRF-GCN模型进行建模。DAGCN通过最小化不同域间的三种信息差异,实现了高准确度的跨域故障诊断。Kavianpour等人提出了一种ARMA图卷积的方法,通过与对抗性自适应方法结合使用,以显著提升轴承故障诊断的性能。该方法通过ARMA图卷积对数据结构信息进行建模,并利用对抗性自适应方法来减少域间的结构分布差异。
同时,MK-LMMD用于减小同一类别的子域的分布差异,使模型在缺少数据和工况改变的条件下也能保持高诊断性能。Li等人提出了一种能够有效提高数据结构信息提取效率的方法,该方法先使用ResNet-18提取信息,然后整合三种图卷积层(MRF-Conv、LE-Conv和GAT-Conv)有效挖掘数据结构信息,从而提高特征提取和分类能力,然后通过相关对齐(CORAL)指标对数据结构差异进行对齐,通过实验验证了该方法在分类和特征提取能力上显著增强,有效提高了诊断性能。
上述研究工作对跨域无监督域自适应做出了突出贡献,但是仍存在着一些问题:MRF-GCN仅能提取单一类型的图结构信息,难以同时捕捉局部和全局的图结构信息,这种局限性会导致卷积输出特征的信息表达能力不足,从而限制在复杂图结构中的应用。
MMD仅能评估数据结构的边缘分布差异,忽略了条件分布差异;并且MMD只考虑了一阶统计量,这会导致在迁移学习时,不能充分对齐源域和目标域的特征结构。
实现思路