广西师范大学学报(自然科学版) ›› 2023, Vol. 41 ›› Issue (4): 109-122.doi: 10.16088/j.issn.1001-6600.2022102601

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基于多尺度注意力倒残差网络的轴承故障诊断

唐侯清1, 辛斌斌2, 朱虹谕1, 乙加伟1, 张冬冬1*, 武新章1, 双丰1   

  1. 1.广西大学电气工程学院, 广西南宁 530004;
    2.济南恒誉环保科技股份有限公司, 山东济南 250013
  • 收稿日期:2022-10-26 修回日期:2023-02-22 出版日期:2023-07-25 发布日期:2023-09-06
  • 通讯作者: 张冬冬(1990—), 男, 山东济宁人, 广西大学副教授, 博士, 博导。E-mail:dongdongzhang@yeah.net
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(52107038); 广西科技基地和人才专项(2021AC19120)

Rolling Bearing Fault Diagnosis Based on Multi-scale Attentional Inverted Residual Model

TANG Houqing1, XIN Binbin2, ZHU Hongyu1, YI Jiawei1, ZHANG Dongdong1*, WU Xinzhang1, SHUANG Feng1   

  1. 1. School of Electrical Engineering, Guangxi University, Nanning Guangxi 530004, China;
    2. Niutech Environment Technology Corporation, Jinan Shandong 250013, China
  • Received:2022-10-26 Revised:2023-02-22 Online:2023-07-25 Published:2023-09-06

摘要: 传统应用于滚动轴承故障识别的深度学习模型诊断精度不高,且训练时间长,为了克服上述问题,本文提出多尺度注意力倒残差网络模型(MARCNN)。首先,该模型构造多尺度特征提取模块,采用多尺度并行卷积获取原始信号的不同层次特征,自适应提取故障特征信息;然后,利用特征图膨胀标准卷积构建浅层卷积模块,提高浅层网络学习能力;最后,构造SE-Mobile模块挖掘深层故障特征并缩减模型参数量。该模型融合注意力机制,整合不同维度特征权重,提升模型故障分类能力。采用凯斯西储大学轴承数据集验证该模型性能,实验结果表明,在无噪音、高斯噪声以及变负载工况下准确率分别达到99.98%、98.41%及94.98%,说明该模型具有较好的抗噪能力和泛化性能。

关键词: 注意力机制, 倒残差, 故障诊断, 滚动轴承, 卷积神经网络

Abstract: The traditional deep learning model network applied to rolling bearing fault identification has low diagnosis accuracy and long training time. To overcome these disadvantages, this paper proposes a multi-scale attention reverse residuals convolutional neural network (MARCNN). Firstly, multi-scale feature extraction module adopts multi-scale convolution to obtain different levels of original signal features and adaptively extract fault feature information. Secondly, feature graph expansion standard convolution is used to construct the shallow convolution module to improve the shallow network learning ability. Finally, SE-Mobile module is constructed to mine deep fault features and reduce the number of model parameters. All modules combine attention mechanism to integrate feature weights of different dimensions to improve model feature learning ability. The experimental results show that the model can reduce the number of parameters and improve the training speed, and the accuracy of the model can reach 99.98%, 98.41% and 94.98% under fixed, Gaussian noise and variable load conditions, respectively. It is shown that the model has a certain anti-noise and generalization ability.

Key words: attentional mechanism, reverse residual module, fault diagnosis, rolling bearing, CNN

中图分类号:  TP18; TH133.33

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