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一维改进LeNet-5及机械故障诊断应用

吴定海 曹进华 张云强 唐香珺

吴定海, 曹进华, 张云强, 唐香珺. 一维改进LeNet-5及机械故障诊断应用[J]. 机械科学与技术, 2022, 41(5): 688-694. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200425
引用本文: 吴定海, 曹进华, 张云强, 唐香珺. 一维改进LeNet-5及机械故障诊断应用[J]. 机械科学与技术, 2022, 41(5): 688-694. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200425
WU Dinghai, CAO Jinhua, ZHANG Yunqiang, TANG Xiangjun. Improved LeNet-5 Convolutional Neural Network and Application on Mechanical Fault Diagnosis[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(5): 688-694. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200425
Citation: WU Dinghai, CAO Jinhua, ZHANG Yunqiang, TANG Xiangjun. Improved LeNet-5 Convolutional Neural Network and Application on Mechanical Fault Diagnosis[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(5): 688-694. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200425

一维改进LeNet-5及机械故障诊断应用

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200425
基金项目: 

国家自然科学基金项目 51305454

详细信息
    作者简介:

    吴定海(1981-), 博士, 研究方向为机械故障诊断与智能信号处理, wudh81@163.com

  • 中图分类号: TH132.41;TN165.3

Improved LeNet-5 Convolutional Neural Network and Application on Mechanical Fault Diagnosis

  • 摘要: 针对往复机械设备故障诊断容易受到转速波动影响和深度网络诊断模型复杂、鲁棒性差的问题, 提出了一种一维改进型LeNet-5的机械故障诊断方法, 并对比分析了滑动窗和阶次采样的数据样本构造方法的效果。在经典模型LeNet-5基础上构建了结构简单紧凑的一维卷积神经网络诊断模型, 模型仅包含了两个卷积模块、单一全连接层和输出层, 卷积模块结合批规范化层和Relu层, 提高训练速度和网络泛化能力, 利用重叠池化窗口和随机失活来缓解网络出现过拟合现象。利用凯斯西储大学开源轴承数据集进行验证, 12种工况下的故障识别率能够达到99.82%。针对往复机械的转速波动性影响, 采用阶次采样的数据样本构建方法, 提高网络模型的训练样本数据质量, 柴油机阶次采样条件下可以实现小样本条件下取得良好的训练效果。
  • 图  1  CNN的基本网络结构

    图  2  改进的一维LeNet-5网络结构

    图  3  训练过程的识别率和交叉熵

    图  4  识别率混淆矩阵

    图  5  发动机缸盖振动信号测试系统示意图

    图  6  柴油机同步采集信号

    图  7  阶次采样与滑动采样输入的网络训练过程

    图  8  阶次采样与滑动采样对诊断结果的影响

    表  1  LeNet-5经典网络结构及参数

    网络层 特殊设定 训练参数数量 输出格式
    输入层 32×32像素黑白图像 0 32×32×1
    卷积层1 6个卷积核, 5×5, 步长1 156 28×28×6
    池化层1 池化2×2, 步长2 12 14×14×6
    卷积层2 16个卷积核, 5×5, 步长1 1 516 10×10×16
    池化层2 池化2×2, 步长2 32 5×5×16
    全连接层1 120个神经元 48 120 1×1×120
    全连接层2 84个神经元 10 164 1×84
    输出层 10个神经元 840 1×10
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    表  2  改进一维LeNet-5网络结构

    网络层 特殊设定 Padding 训练参数数量 输出格式
    输入层 一维信号2048 - 0 2 048×1
    卷积层1 16个卷积核, 64×1, 步长10 “same” 1 040 256×16
    池化层1 池化3×1, 步长2 [0 0 0 0] 32 102×16
    卷积层2 32个卷积核, 16×1, 步长4 “same” 8 224 26×32
    池化层2 池化3×1, 步长2 [0 0 0 0] 64 12×32
    全连接层1 12个神经元 - 4 620 1×12
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    表  3  数据集与标签

    数据 代码 数据 代码
    Normal 1 IR014 7
    B007 2 IR021 8
    B014 3 IR021 9
    B021 4 OR007 10
    B028 5 OR014 11
    IR007 6 OR021 12
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    表  4  模型识别精度比较

    文献[12] 文献[11] 文献[10] 本文模型
    卷积层数量 2 5 6 2
    数据类别数量 10 10 10 12
    训练/测试样本 18 000∶2 000 10 941∶4 749 6 600∶250, 19 800∶750 3 949∶1 696
    输入数据长度 2 000 4 096 2 048 2 048
    最高识别精度/% 99.45 99.66 99.77 99.82
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  • 收稿日期:  2020-10-15
  • 刊出日期:  2022-05-01

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