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迁移学习和CNN的电机故障诊断方法

谢锋云 董建坤 符羽 刘翊 肖乾

谢锋云,董建坤,符羽, 等. 迁移学习和CNN的电机故障诊断方法[J]. 机械科学与技术,2024,43(3):513-519 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220196
引用本文: 谢锋云,董建坤,符羽, 等. 迁移学习和CNN的电机故障诊断方法[J]. 机械科学与技术,2024,43(3):513-519 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220196
XIE Fengyun, DONG Jiankun, FU Yu, LIU Yi, XIAO Qian. Motor Fault Diagnosis Method Based on Migration Learning and CNN[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2024, 43(3): 513-519. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220196
Citation: XIE Fengyun, DONG Jiankun, FU Yu, LIU Yi, XIAO Qian. Motor Fault Diagnosis Method Based on Migration Learning and CNN[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2024, 43(3): 513-519. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220196

迁移学习和CNN的电机故障诊断方法

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220196
基金项目: 国家自然科学基金项目(52265068)与江西省自然科学基金项目(20224BAB204050)
详细信息
    作者简介:

    谢锋云,副教授,硕士生导师,xiefyun@163.com

  • 中图分类号: TG156

Motor Fault Diagnosis Method Based on Migration Learning and CNN

  • 摘要: 针对缺乏数据导致卷积神经网络(Convolutional neural networks,CNN)训练不佳的问题,以三相异步电机故障诊断为研究对象,提出了基于迁移学习和CNN结合的电机故障诊断方法。首先搭建了电机故障诊断实验平台,通过加速度传感器获取CNN模型带标签数据,通过训练获取预训练模型;然后结合迁移学习得到的预训练模型迁移到目标域,并通过对目标域的带标签数据进行训练以优化CNN参数;最终获得可以对目标域数据有着良好分类能力的新模型,从而实现目标域带标签数据稀少情况下的电机故障诊断工作。通过将该方法与传统CNN、变分模态分解(Variational modal decomposition,VMD)-支持向量机(Support vector machine,SVM)、VMD-K近邻(K nearest neighbor,KNN)以及VMD-BP神经网络等识别模型进行对比验证,结果显示本文提出的迁移CNN模型模式识别方法有更好的识别效果。
  • 图  1  CNN模型结构图

    Figure  1.  CNN model structure diagram

    图  2  电机迁移CNN学习流程图

    Figure  2.  Flow chart of CNN transfer learning for motor

    图  3  实验装置连接图

    Figure  3.  Connection of experimental devic

    图  4  电机故障诊断实验平台

    Figure  4.  Motor fault diagnosis experimental platform

    图  5  小样本情况下传统CNN的10次识别结果

    Figure  5.  10 recognition results of traditional CNN under small sample size

    图  6  B工况使用传统CNN测试结果混淆矩阵

    Figure  6.  Confusion matrix of test results using traditional CNN in Condition B

    图  7  A→B直接使用训练模型识别结果

    Figure  7.  A→B recognition results using the training model

    图  8  A→B情况下10次识别结果

    Figure  8.  10 recognition results in the A→B case

    图  9  A→B情况下测试结果混淆矩阵

    Figure  9.  Confusion matrix of test results in the A→B case

    表  1  迁移学习和传统机器学习的区别

    Table  1.   Differences between transfer learning and traditional machine learning

    区别 迁移学习 传统机器学习
    数据分布 不需要同分布 同分布
    标签数据 少量标签数据 大量标签数据
    建立模型 可以用训练过的模型 重新建模
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    表  2  CNN模型参数

    Table  2.   CNN model parameters

    网络层 卷积核
    大小
    步长 滤波器
    数量
    输出
    大小
    参数
    个数
    输入层 1024 × 1 64
    卷积层1 16 4 64 256 × 64 1088
    最大池化层1 2 2 64 128 × 64
    卷积层2 3 1 64 128 × 64 12352
    最大池化层2 2 2 64 64 × 64
    卷积层3 3 2 128 32 × 128 24704
    最大池化层3 2 2 128 16 × 128
    卷积层4 3 1 256 16 × 256 98560
    全局池化层 16 1 256 256
    全连接层 768 1 768 197376
    Softmax层 1 3 2307
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    表  3  A→B迁移数据集

    Table  3.   A→B migration dataset

    迁移
    任务
    源域
    转速
    目标域
    转速
    源域样本
    个数
    目标域样本
    个数
    A→B 600 900 1800 1836
    B→A 900 600 1800 1836
    A→C 600 1200 1800 1836
    C→A 1200 600 1800 1836
    B→C 900 1200 1800 1836
    C→B 1200 900 1800 1836
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    表  4  不同冻结方法测试对比

    Table  4.   Comparison of tests using different freezing methods

    方法 平均识别率/% 单次模型训练时间/s
    不冻结 98.04 1.79
    冻结卷积层1 95.82 1.71
    冻结卷积层2 93.62 1.68
    冻结卷积层3 91.38 1.51
    冻结卷积层4 87.43 1.31
    冻结全连接层 78.79 1.02
    冻结Softmax层 60.17 0
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    表  5  A→B情况下迁移学习模型指标

    Table  5.   Transfer learning model indicators in the A→B case


    参数

    精确率

    召回率

    F1值

    数量

    正常

    0.9932

    0.975

    0.984

    600

    转子断条

    0.9781

    0.9933

    0.9856

    600

    轴承故障

    0.9967

    1

    0.9983

    600
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    表  6  不同方法对比

    Table  6.   Comparison of different methods

    方法 平均总体识别率/%
    A→B B→A A→C C→A B→C C→B
    迁移CNN 97.39 98.43 95.92 98.38 96.71 96.73
    传统CNN 90.31 86.4 81.45 86.4 81.45 90.31
    VMD-SVM 83.61 89.72 84.27 89.72 84.27 83.61
    VMD-KNN 86.11 82.5 78.32 82.5 78.32 86.11
    VMD-BP 81.56 77.63 73.70 77.63 73.70 81.56
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  • 收稿日期:  2021-10-12
  • 刊出日期:  2024-03-25

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