剩余使用寿命(原则)预测是保证机器的安全运行所必需的。深度学习架构中,卷积神经网络(CNN)显示成就荷重软化的预测,因为它代表学习能力强。提取的特征从不同的接受字段不同大小的卷积核可以为预后提供完整的信息。单一尺寸卷积内核在传统CNN是困难的学习综合信息从复杂的信号。此外,学习能力同步本地和全局特性仅限于传统的CNN。因此,多尺度卷积神经网络(MS-CNN)介绍了克服这些提到的问题。卷积过滤器具有不同膨胀率综合形成扩张卷积块,它可以接受不同领域的学习功能。然后,几堆集成扩张卷积模块在不同深度连接提取局部和全局特征。验证了该方法的有效性通过轴承数据集的准备PRONOSTIA平台。的结果提出MS-CNN具有更高的预测精度比其他许多深上优于荷重软化方法。
预测与健康管理(榜单)机械系统是至关重要的。荷重软化预测是一个重要的任务在现代工业榜单。可以减少维护成本的剩余使用寿命机械可以提前知道。轴承是机械系统的关键部分( 轴承原则预测方法大致可以分为两类:基于模型的方法和数据驱动方法( 各种DL技术中,CNN获得了更多的关注,因为两个突出的特点,即。,空间共享的重量和当地的知觉。起初,CNN是广泛应用于图像识别,取得了巨大的成功。如今,它在故障诊断[也很受欢迎 为了克服上述问题,学习更有代表性的特征,提出了各种多尺度CNN模型和原则应用于机械故障诊断和预测 摘要小说MS-CNN轴承荷重软化方法预测了。集成的扩张卷积块构造从复杂的信号中提取特征在接受不同领域。然后,几堆集成扩张卷积块连接构造多尺度特征提取器。提出的两个优点MS-CNN总结如下: 一个集成的扩张卷积块构造从复杂的信号中提取特征在接受不同领域不增加卷积核的重量。 本文的其余部分介绍如下:在部分
CNN是一个前馈神经网络。传统的有线电视新闻网主要由三种层次:卷积层、汇聚层,完全连接层( 卷积层,功能是可以习得的几个卷积核。一个线性卷积操作操作。为了增加两个相邻层的非线性,非线性激活函数来解决这个问题。卷积的输出层可以写成 在汇聚层,卷积的输出层可以压缩来提高计算效率 经过几个卷积和池操作,上一层的特征图谱完全夷为平地,然后发送到连接层。荷重软化预测是一个回归的任务。因此,完全连接层可以被视为回归层,从特征图谱构建连接前层学习的最终结果。
扩张卷积(深黑色的卷积)可以扩大接受域不增加网络参数( 与普通的卷积操作相比,hyperparameter称为膨胀率被添加到扩张卷积。如图
在本节中,提出多尺度卷积神经网络的框架作了详细介绍。机械振动信号被发送到网络直接作为输入数据。提出MS-CNN-based荷重软化的过程最近介绍了预测方法。四个步骤实现轴承的剩余使用寿命预测:FOT决心、数据预处理、荷重软化预测和滤波操作。拟议中的MS-CNN可以建立一个监测信号和剩余使用寿命之间的关系没有太多的先验知识。很容易在工业应用推广。 多尺度卷积神经网络的框架如图 拟议中的MS-CNN。 从传统的结构CNN,特征提取的卷积操作和池操作。卷积核的规模会影响网络的学习能力。每个卷积层的单一粒度卷积内核可能导致这一层学习的信息不完全。受初始网络,一个集成的扩张卷积块,如图所示 集成的扩张卷积。 不同的卷积核不同膨胀率是连接学习接受不同领域的多尺度特性。相比之下,用不同大小的卷积核的卷积。集成的扩张卷积块可以学习不同尺度的信息不增加网络的参数。太大扩张率可能会导致损失的详细信息。太多的扩张率集成到一个街区可能导致冗余信息。考虑振动信号的特点,受初始网络,整合扩张卷积块的结构有三个类型的扩张率。 当输入数据被发送到集成扩张卷积,卷积三种操作是对输入数据执行同步。特征提取<我talic>
n 在CNN的传统结构,最后池层的特征图谱被视为最终特性分类或回归。局部特征提取之前层通常是丢弃。虽然全球特征提取高层层更代表和健壮的比低级层提取的,地方特色包含一些详细信息和预后是很有用的。 摘要不同的整合扩张卷积模块的输出连接同步提取局部和全局特性。拟议中的MS-CNN如图 保持原则预测从0到1,乙状结肠激活函数应用在过去的完全连接层。乙状结肠激活函数可以表示为 MSE损失函数是用来更新整个网络的参数,表示为 该方法的流程图显示在图中 该方法的流程图。 如图 FOT取决于应用方法。 峰度振幅值很敏感。降解可以反映在峰度。因此,它通常是非常有用的用于检测早期故障( Laida标准(也称为3<我nl我ne-formula>
虽然是非常有效的作为峰度健康指数检测早期故障点,这个健康指数不够稳定,因为它是受噪声和离群值。因此,局部线性回归应用从振动信号峰度计算后,可以删除FOT误判造成的离群值。局部线性回归平滑操作之后,当平滑峰态的时间<我talic>
t 加快训练收敛,正常化的原始数据是一种常见的和有效的操作。首先,所选的传感器数据分为时间分割,分割的长度是l .每次分割是一个示例,它可以表示为<我nl我ne-formula>
标签的训练数据构造的可靠性[0,1]的范围。FOT被认为是堕落的开始。标签可以被描述为线性退化过程从FOT彻底失败,如图 训练样本的标签。 该方法基于MS-CNN有两个过程:离线训练和在线测试。在培训期间,训练数据集和相应的标签用于火车MS-CNN求婚。数据准备后,训练数据分割进行多尺度特征提取器。更具代表性和综合功能可以学到的多尺度特征提取器。多尺度特征提取器的输出被发送到回归层构造特征和原则之间的关系。MSE损失函数应用于网络。小训练样本会导致过度拟合。网络有坏性能的测试数据集。辍学是避免过度拟合采用完全连接层通过设置一些隐藏的神经元为零,在测试过程中关闭。亚当算法来更新网络的参数。 Different from the stochastic gradient descent algorithm, the Adam algorithm can adjust the learning rate adaptively without setting the learning rate in advance. When the online testing data at a moment are sent to the network, the prognostic RUL of that testing data can be predicted by the trained network. 为了定量评价预测结果,本文应用两个错误指标,即。,平均绝对误差(MAE)和均方误差(RMSE) [ 荷重软化结果预测的网络是离散和变动。然而,在实际工业应用中,轴承的实际原则始终是连续的。轴承的剩余使用寿命降低随着时间的流逝。因此,平滑操作应用平滑预测原则。 当时<我nl我ne-formula>
在本节中,进行实验来验证提出的优越性MS-CNN方法。实验数据集从收购PRONOSTIA平台。介绍了数据集的部分 PRONOSTIA平台(如图 PRONOSTIA平台轴承加速退化试验。 数据集的IEEE 2012年榜单预后的挑战。 行每个run-to-failure轴承的振动信号分为时间序列分割。每个分割是一个示例,它包含2560数据点。FOT的决心后,每个样品由不等式标准化规范化方法中描述的部分 MS-CNN的参数显示在表中 MS-CNN的参数。 培训的损失函数曲线如图 训练集的损失函数曲线。 网络的性能与深度有关。影响综合扩张卷积块的数量在这一节中讨论。如图 影响融合的数量扩张bearing1_3卷积层。 行bearing1_3如图的振动信号 轴承的振动信号1 _3。 荷重软化轴承1 _3的估计结果。 轴承的振动信号1 _7。 荷重软化的估计结果轴承1 _7。 几个常用的深度学习模型是用于比较,包括深层神经网络(款),卷积神经网络(CNN),长期短期记忆(LSTM)和多尺度卷积神经网络合并最后卷积层最后的池层( 六个隐藏层中利用深层神经网络提出MS-CNN共享相同的深度。和每一层的神经元数量是300,200,200,100,100,1。辍学是应用于每一层的辍学率0.2。 传统的CNN与拟议中的MS-CNN应用比较。美国有线电视新闻网有三个卷积层和三池层。的内核大小三个卷积层16×1 8×1和4×1。内核的数量是4、8、16。三个完全连接层保持一样的提议MS-CNN实现。 LSTM变体的递归神经网络的算法。LSTM框架设计包含三个LSTM层和三个完全连接层。LSTM层的神经元数量是128年,64年和64年。三个完全连接层方法是一样的。 卷积第三层和第三池层是连接形成熔融层提出了裁判。 不同的方法对测试数据的预后结果bearing1_3图所示 荷重软化估计轴承1 _3和不同方法的结果。 荷重软化估计轴承1 _7不同方法的结果。 所有测试数据的数值比较结果如表所示 用不同的方法的性能比较。
数据集 操作条件
条件1 条件2 条件3
负载(N) 4000年 4200年 5000年
速度(转速) 1800年 1650年 1500年
训练集 轴承1 _1 轴承2 _1 轴承3 _1
轴承1 _2 轴承2 _2 轴承3 _2
测试集 轴承1 _3 轴承2 _3 轴承3 _3
轴承1 _4 轴承2 _4
轴承1 _5 轴承2 _5
轴承1 _6 轴承2 _6
轴承1 _7 轴承2 _7
层 参数
1日熔融层 KS = 16×1;<我talic>
r
KS = 16×1;<我talic>
r
KS = 16×1;<我talic>
r
2融合层 KS = 8×1;<我talic>
r
KS = 8×1;<我talic>
r
KS = 8×1;<我talic>
r
3日熔融层 KS = 4×1;<我talic>
r
KS = 4×1;<我talic>
r
KS = 4×1;<我talic>
r
1日FC层
2日FC层
3日FC层
轴承 该方法 款 美国有线电视新闻网 LSTM MS-CNN (
梅(%) 均方根误差(%) 梅(%) 均方根误差(%) 梅(%) 均方根误差(%) 梅(%) 均方根误差(%) 梅(%) 均方根误差(%)
1 - 3 6.14 7.83 17.31 22.54 8.50 10.52 11.21 14.68 6.75 8.98
1 - 4 19.29 24.62 34.14 36.27 26.31 33.28 26.71 32.37 24.38 27.47
1 - 5 17.46 23.98 28.74 32.15 24.84 32.22 25.15 32.05 18.15 22.25
1 - 6 18.19 21.96 32.46 38.43 22.86 26.81 24.31 29.08 20.33 22.95
1 - 7 10.87 17.96 19.68 32.6 12.09 17.96 16.85 23.19 10.31 16.36
2 - 3 17.54 23.23 40.51 46.19 25.35 31.36 28.18 34.58 25.18 30.25
2 - 4 29.81 34.98 42.73 55.72 32.78 39.04 32.69 40.70 26.14 28.69
2 - 5 21.71 28.23 37.46 41.03 22.56 29.41 26.32 32.75 23.62 30.16
2 - 6 19.20 24.35 29.45 39.85 22.20 27.77 29.89 36.22 20.70 25.71
2 - 7日 27.20 32.64 41.20 44.21 38.29 43.02 28.37 33.68 22.14 30.26
3 - 3 13.78 17.97 28.05 23.75 18.01 21.83 16.86 20.37 15.46 20.07
在这篇文章中,一个MS-CNN-based方法提出了轴承预后克服传统CNN的缺点。验证了该方法的有效性在公共数据集。一些贡献总结如下:(1)综合扩张卷积块可以从原始信号中提取特征不同的接受字段不增加网络的参数;(2)不同深度的整合扩张卷积块连接,避免的损失由底层了解详细信息。拟议的架构可以显示高精度深比其他学习方法中提到。然而,网络的结构是主观而设计的。未来的研究应该集中在自动优化网络的结构。
本文使用的数据是可用的,这可以从GitHub - wkzs111 /下载榜单IEEE - 2012数据-挑战数据集:数据集使用在榜单IEEE 2012数据的挑战,由FEMTO-ST研究所。
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
这项研究得到了国家自然科学基金(51505277和51505277号)和苏州前瞻性研究项目(没有。SYG201802)。