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Improved deep residual shrinkage network for a multi-cylinder heavy-duty engine fault detection with single channel surface vibration
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作者 Xiaolong Zhu Junhong Zhang +6 位作者 Xinwei Wang Hui Wang Yedong Song Guobin Pei Xin Gou Linlong Deng Jiewei Lin 《Energy and AI》 EI 2024年第2期277-288,共12页
The health monitoring and fault diagnosis of heavy-duty engines are increasingly important for energy storage ecosystem. During operation, vibration characters corresponding to the specific fault need to be extracted ... The health monitoring and fault diagnosis of heavy-duty engines are increasingly important for energy storage ecosystem. During operation, vibration characters corresponding to the specific fault need to be extracted from the overall system vibration. Faulty characteristics emanating from one single cylinder are also mixed with those from other cylinders. Besides, the change of working condition brings strong nonlinearities in surface vibration. To solve these problems, an improved deep residual shrinkage network (IDRSN) is developed for detecting diverse engine faults at various degrees using single channel surface vibration signal. Within IDRSN, a wide convolution kernel is utilized in first convolution layer to capture the long-term fault-related impacts and eliminate the short-time random impact. The residual network module is adopted to enhance the focus the relevant components of vibration signals. Mini-batch training strategy is used to improve the model stability. Meanwhile, Gradient-weighted class activation map is adopted to assess the consistency between the learned knowledge and the fault-related information. The IDRSN is implemented to diagnosing a diesel engine under various faults, faulty degrees and operating speeds. Comparisons with existing models are analyzed in terms of hyper-parameters, training samples, noise resistance, and visualization. Results demonstrate the proposed IDRSN's superior performance on fault diagnosis accuracy, stability, anti-noise performance, and anti-interference performance. An average accuracy rate of 98.38 % was achieved by the proposed IDRSN, in comparison to 96.64 % and 93.56 % achieved by the DRSN and the wide-kernel deep convolutional neural network respectively. These results highlight the proposed IDRSN's superiority in diagnosing multiple faults under various working conditions, offering a low-cost, highly effective, and applicable approach for complex fault diagnosis tasks. 展开更多
关键词 improved deep residual shrinkage network Fault diagnosis ENGINE Vibration signal Multiple working conditions deep learning
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基于多尺度改进深度残差收缩网络的滚动轴承寿命状态识别
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作者 陈仁祥 张雁峰 +3 位作者 杨黎霞 梁栋 李嘉琳 闫凯波 《振动与冲击》 北大核心 2025年第7期217-224,共8页
针对背景噪声和不同工况下单一尺度模型特征提取能力有限,引起滚动轴承寿命状态识别率下降的问题,提出基于多尺度改进深度残差收缩网络(multi scale-improved deep residual shrinkage network,MS-IDRSN)的滚动轴承寿命状态识别方法。首... 针对背景噪声和不同工况下单一尺度模型特征提取能力有限,引起滚动轴承寿命状态识别率下降的问题,提出基于多尺度改进深度残差收缩网络(multi scale-improved deep residual shrinkage network,MS-IDRSN)的滚动轴承寿命状态识别方法。首先,在深度残差收缩单元中引入改进的阈值函数提升网络的抗噪性能,并减小降噪过程中的寿命状态信息丢失;然后,采用不同卷积核尺寸的深度残差收缩单元构建特征提取器,避免单一尺度感受野引起在不同工况下的特征提取能力下降。最后,利用最大均值差异损失适配源域与目标域特征的特征分布,通过Softmax分类器实现在不同工况的轴承寿命状态识别。在PRONOSTIA数据集和自测轴承数据集上验证了所提方法的可行性和有效性,结果表明所提方法具有较好的抗噪性能和泛化性能,在考虑背景噪声和不同工况条件下相比对比方法的寿命状态识别率提升7.6%~46.5%。 展开更多
关键词 滚动轴承 寿命状态识别 阈值函数 多尺度特征 深度残差收缩网络
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基于CWT-IDRSN的风机滚动轴承故障诊断
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作者 巴胤竣 孙文磊 +2 位作者 张克战 常赛科 刘志远 《组合机床与自动化加工技术》 北大核心 2024年第11期166-171,共6页
针对强噪声环境下传统轴承故障诊断方法对故障识别率低,深度残差收缩网络在降噪时对频域信号丢失的问题,提出了一种基于连续小波变换(continuous wavelet transform,CWT)和改进的深度残差收缩网络(improved deep residual shrinkage net... 针对强噪声环境下传统轴承故障诊断方法对故障识别率低,深度残差收缩网络在降噪时对频域信号丢失的问题,提出了一种基于连续小波变换(continuous wavelet transform,CWT)和改进的深度残差收缩网络(improved deep residual shrinkage network,IDRSN)的故障诊断模型。首先,利用CWT将轴承振动信号转换为二维时频图,作为输入样本,用于解决深度残差收缩网络在直接处理振动信号时引起的频域失真问题;其次,设计了一种改进的软阈值函数(improved soft threshold function,ISTF),解决了因软阈值化引起的信号失真,设计了改进的软阈值模块(improved soft threshold block,ISTB)和自适应斜率模块(adaptive slope block,ASB),构建了改进的残差收缩单元(improved residual shrinkage building unit,IRSBU)以实现自适应地确定最佳阈值并进一步调整输出;最后,利用凯斯西储大学滚动轴承数据集与风机轴承振动数据采集实验台收集的滚动轴承数据集对所提方法进行实验验证。结果证明相较于其他方法,所提的故障诊断方法有更好的泛化性和通用性,分类准确率分别达到了99.75%和99.69%。 展开更多
关键词 连续小波变换 深度残差收缩网络 自适应斜率模块 改进的软阈值函数 故障诊断 深度学习
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基于ISAM-Drsnet的故障识别模型及其应用
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作者 朱乐文 田兴 李宪华 《机电工程》 CAS 北大核心 2024年第2期216-225,270,共11页
针对滚动轴承故障诊断时网络模型在复杂环境下有效特征提取困难,无法充分挖掘具有周期性的滚动轴承故障数据时序特征的问题,提出了一种基于改进条纹注意力机制与深度残差收缩网络的滚动轴承故障诊断模型(ISAM-Drsnet)。首先,采用递归图(... 针对滚动轴承故障诊断时网络模型在复杂环境下有效特征提取困难,无法充分挖掘具有周期性的滚动轴承故障数据时序特征的问题,提出了一种基于改进条纹注意力机制与深度残差收缩网络的滚动轴承故障诊断模型(ISAM-Drsnet)。首先,采用递归图(RP)编码方式生成了二维图像,使用ISAM和改进软阈值算法加强了Drsnet;然后,采取重叠采样的方式对数据集进行了增强处理,并将数据输入到ISAM-Drsnet中,实现了对不同故障类型的识别目的;最后,利用凯斯西储大学滚动轴承数据集进行了实验,选取了最佳数据截取长度,研究了改进软阈值、数据集规模、噪声对模型的影响;同时,将该模型与支持向量机(SVM)、反向传播神经网络(BPNN)、卷积神经网络(CNN)等进行了对比分析,并采用混淆矩阵等可视化方法对该模型进行了性能评估。实验结果表明:该模型(方法)的故障诊断性能明显优于SVM、BPNN、CNN等模型,其故障诊断精度可达99.79%,相比原始的Drsnet上升了1.60%;且在数据集规模有限和信号添加噪声的情况下,模型仍具有较高的故障诊断精度。研究结果表明:该轴承故障诊断模型不仅具有优秀的诊断性能,同时还具有较强的鲁棒性。 展开更多
关键词 滚动轴承 故障诊断性能 改进条纹注意力机制 深度收缩残差网络 递归图 鲁棒性
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基于改进深度残差收缩网络的电缆早期故障识别
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作者 唐丹 吴浩 +1 位作者 蔡源 郑超文 《科学技术与工程》 北大核心 2024年第28期12159-12168,共10页
电缆早期故障的多次发生易造成电缆出现永久性故障,给电网的稳定运行带来严重的影响。为了在永久性故障发生前准确识别出电缆早期故障,提出一种基于改进深度残差收缩网络的电缆早期故障识别方法。首先通过改进的完全自适应噪声经验模态... 电缆早期故障的多次发生易造成电缆出现永久性故障,给电网的稳定运行带来严重的影响。为了在永久性故障发生前准确识别出电缆早期故障,提出一种基于改进深度残差收缩网络的电缆早期故障识别方法。首先通过改进的完全自适应噪声经验模态分解方法(improved complete ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise,ICEEMDAN)进行故障信号处理,并利用相关系数筛选本征模态函数(intrinsic mode functions,IMF);然后对IMF分量求其复合多尺度排列熵作为进一步的特征提取,以构建特征数据集;最后利用改进的收缩模块,多尺度卷积层、Self-Attention和SimAM注意力机制对深度残差收缩网络进行改进。使用改进的深度残差收缩网络进行电缆早期故障识别实验。实验结果表明:该算法能准确识别出电缆早期故障,且具有一定的抗干扰能力。 展开更多
关键词 电缆早期故障 改进的完全自适应噪声经验模态分解方法(ICEEMDAN) 复合多尺度排列熵 改进深度残差收缩网络 故障识别
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特高压直流换流阀饱和电抗器振动声纹特性与松动程度声纹检测方法 被引量:11
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作者 刘云鹏 来庭煜 +2 位作者 刘嘉硕 魏晓光 裴少通 《电工技术学报》 EI CSCD 北大核心 2023年第5期1375-1389,共15页
饱和电抗器作为特高压直流换流阀的核心装备,运行中产生的振动声音包含大量的信息,其状态评估对换流阀的安全运行具有重要意义。该文提出一种基于优化S变换和改进深度残差收缩网络的饱和电抗器铁心松动程度声纹识别模型。首先开展了高... 饱和电抗器作为特高压直流换流阀的核心装备,运行中产生的振动声音包含大量的信息,其状态评估对换流阀的安全运行具有重要意义。该文提出一种基于优化S变换和改进深度残差收缩网络的饱和电抗器铁心松动程度声纹识别模型。首先开展了高频脉冲激励下的饱和电抗器振动试验,并测量了不同铁心松动程度下的声纹信号;其次在声信号频谱主值区间内,根据能量聚集性优化高斯窗参数来提高声纹图谱的时频分辨率;然后对松动后的声纹特性进行分析,发现高低频比和低频分量主频占比两个特征指标仅能对松动程度较高的状态做出预警;最后采用五个不同方位测点的铁心松动数据代入基于自适应参数修正线性单元的改进深度残差收缩网络中进行训练,来消除声纹图中的冗余信息,并对不同松动程度下的特征进行独立映射,从而增强共同特征的学习能力。研究结果表明,该文模型对电抗器不同铁心松动程度的平均识别准确率达到95.93%,优于传统深度学习算法,可为饱和电抗器在线监测提供重要依据。 展开更多
关键词 饱和电抗器声纹 优化S变换 铁心松动试验 特征提取 改进深度残差收缩网络
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基于FNER性能退化指标及IDRSN的滚动轴承寿命状态识别方法 被引量:11
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作者 董绍江 裴雪武 +4 位作者 汤宝平 田科位 朱朋 李洋 赵兴新 《机械工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第15期105-115,共11页
针对滚动轴承退化性能难以评估、寿命状态难以识别的问题,提出一种基于特征噪声能量比(Feature-to-noise energy ratio,FNER)指标及改进深度残差收缩网络(Improved deep residual shrinkage network,IDRSN)的滚动轴承寿命状态识别新方... 针对滚动轴承退化性能难以评估、寿命状态难以识别的问题,提出一种基于特征噪声能量比(Feature-to-noise energy ratio,FNER)指标及改进深度残差收缩网络(Improved deep residual shrinkage network,IDRSN)的滚动轴承寿命状态识别新方法。首先,将全寿命轴承信号进行希尔伯特(Hilbert)变换和快速傅里叶变换(Fast fourier transform,FFT)得到包络谱,根据故障特征频率及其倍频计算包络谱幅值的特征能量比(Feature energy ratio,FER);然后,根据自相关函数(Autocorrelation function,AF)得到包络信号的总能量,将故障特征能量和噪声能量的比值作为轴承性能退化指标,之后按照FNER指标曲线划分轴承寿命状态和实现样本标签化;随后,使用标签化样本训练引入了密集连接网络的IDRSN得到轴承寿命状态识别模型。为了提高抗干扰能力,将DropBlock层引入第一个大型卷积内核,在全局平均池化之前引入Dropout技术。最后,运用两个滚动轴承全寿命周期数据集验证FNER指标和IDRSN模型的实用性和有效性,结果表明所提方法能更准确地实现滚动轴承寿命状态识别。 展开更多
关键词 特征噪声能量比 滚动轴承性能退化评估 早期故障检测 改进深度残差收缩网络 寿命状态识别
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基于改进深度残差收缩网络的风电机组滚动轴承故障诊断方法 被引量:13
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作者 卞文彬 邓艾东 +3 位作者 刘东川 赵敏 刘洋 李晶 《机械工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第12期202-214,共13页
滚动轴承是风电机组关键部件,其运行工况复杂,故障类型难以准确识别。针对传统深度神经网络在强噪声环境下特征学习能力不足的问题,提出一种基于稠密连接模块的改进深度残差收缩网络(Deep residual shrinkage network based on dense bl... 滚动轴承是风电机组关键部件,其运行工况复杂,故障类型难以准确识别。针对传统深度神经网络在强噪声环境下特征学习能力不足的问题,提出一种基于稠密连接模块的改进深度残差收缩网络(Deep residual shrinkage network based on dense block,DB-DRSN),实现强噪声、不同负载工况下滚动轴承故障的高效诊断。首先,将添加不同等级噪声的振动信号间隔采样并矩阵化,构建二维灰度图作为输入样本。然后,基于Dense block构造稠密连接残差收缩模块层(Residual shrinkage block unit based on dense block,DB-RSBU),利用Bottleneck层替代残差收缩模块中的卷积隐层,并加入Concat连接,达到对浅层和深层特征的充分利用。在每次稠密连接后通过1×1卷积进行降维,利用注意力模块和软阈值对逐通道特征赋不同阈值并降噪。最后,输入样本经过卷积池化层和DB-RSBU层堆叠的网络得到分类结果。试验表明,DB-DRSN模型在CWRU与PU滚动轴承数据集上不同噪声等级下的平均诊断准确率分别达到99.80%和96.44%,相比其他模型有更高的准确率、更快的收敛速度和更强的抗干扰能力。引入稠密连接核心思想对网络结构的改进可为基于数据驱动的风电机组滚动轴承故障诊断方法提供新思路。 展开更多
关键词 滚动轴承 故障诊断 改进深度残差收缩网络 dense block 注意力机制
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