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基于半监督迁移学习的轴承故障诊断方法

张振良 刘君强 黄亮 张曦

张振良, 刘君强, 黄亮, 等 . 基于半监督迁移学习的轴承故障诊断方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(11): 2291-2300. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0082
引用本文: 张振良, 刘君强, 黄亮, 等 . 基于半监督迁移学习的轴承故障诊断方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(11): 2291-2300. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0082
ZHANG Zhenliang, LIU Junqiang, HUANG Liang, et al. A bearing fault diagnosis method based on semi-supervised and transfer learning[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2019, 45(11): 2291-2300. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0082(in Chinese)
Citation: ZHANG Zhenliang, LIU Junqiang, HUANG Liang, et al. A bearing fault diagnosis method based on semi-supervised and transfer learning[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2019, 45(11): 2291-2300. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0082(in Chinese)

基于半监督迁移学习的轴承故障诊断方法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0082
详细信息
    作者简介:

    张振良  男, 硕士研究生。主要研究方向:故障诊断、机器学习

    刘君强  男, 博士, 副教授, 硕士生导师。主要研究方向:机场规划、民航发动机寿命预测

    黄亮  男, 硕士研究生。主要研究方向:机场规划、民航发动机寿命预测

    张曦   男, 硕士研究生。主要研究方向:机器学习、寿命预测

    通讯作者:

    刘君强. E-mail:liujunqiang@nuaa.edu.cn

  • 中图分类号: TH133;TP391

A bearing fault diagnosis method based on semi-supervised and transfer learning

More Information
  • 摘要:

    针对航空发动机轴承故障诊断过程中预测精度不足以及过拟合的问题,提出基于迁移学习的半监督集成学习器(SSIT)用以发动机轴承故障预测。首先,训练改进的基于迁移学习的极限学习机(TELM)以及基于迁移学习的支持向量机(TSVM),分别迁移不同目标空间的高相似度样本加入到源样本空间进行训练。然后,与对应的基学习器集成同簇学习器来识别未标记样本,构成半监督学习器不断调整初始基学习器权重,并继续集成半监督基学习器的识别结果到SSIT中。通过此学习机识别提取特征后的,用以故障识别。实验结果清楚地表明:此种方法可以有效降低迁移学习中的负迁移效果,提升迁移精度10%左右,降低机器学习中的过拟合效果,提高半监督学习稳定性,与现有的预测方法相比可以提高精度9%以上。

     

  • 图 1  集成学习示意图[9]

    Figure 1.  Schematic diagram of integrated learning[9]

    图 2  学习器构造方式图

    Figure 2.  Learning device structure diagram

    图 3  半监督算法构造示意图

    Figure 3.  Schematic diagram of semi-supervision algorithm construction

    图 4  TSVM算法示意图

    Figure 4.  Schematic diagram of TSVM algorithm

    图 5  TELM算法示意图

    Figure 5.  Schematic diagram of TELM algorithm

    图 6  预测精度变化

    Figure 6.  Prediction accuracy change

    图 7  基学习器权重变化

    Figure 7.  Base learning device weight change

    图 8  迁移学习器精度变化

    Figure 8.  Transfer base learning device accuracy change

    图 9  迁移数量变化

    Figure 9.  Transfer data change

    图 10  半监督学习精度变化

    Figure 10.  Semi-supervised learning accuracy change

    图 11  精度随已标记样本比例变化

    Figure 11.  Change of accuracy with labeled sample scale

    图 12  发动机转子实验平台内部结构

    Figure 12.  Internal structure of engine rotor experimental platform

    图 13  迁移轴承实验平台示意图

    Figure 13.  Schematic diagram of transfer bearing test rig

    图 14  时域波形图

    Figure 14.  Time domain waveform

    图 15  包络谱分析

    Figure 15.  Envelope spectrum analysis

    图 16  不同方法对故障的预测结果

    Figure 16.  Fault prediction result by different methods

    图 17  D1下迁移样本量对精度的影响

    Figure 17.  Effect of transfer sample size on accuracy under D1

    图 18  测试前后样本量对精度的影响

    Figure 18.  Effect of HS and BS on prediction accuracy

    表  1  数据集属性

    Table  1.   Data set properties

    数据集 字母 样本数 字母数
    L A~E 100 5
    U A~E 400 5
    L1-L6 A~E 30 5
    U1-U3 A~E 120 5
    D1 F,G,H 400 3
    D2 I,G,K 400 3
    D3 L,M,N 400 3
    合计 A~N 1850 29
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    表  2  不同数据集各方法预测精度对比

    Table  2.   Comparison of prediction accuracy of different methods on different data sets %

    测试集 SSIT CNN TELM SL
    测试集1 90.5 81.3 68 69.7
    测试集2 90.6 82.1 68 69.6
    测试集3 90.6 82.2 72 68.5
    测试集4 90.5 79.2 71 70.4
    测试集5 90.6 79.5 73 69.5
    平均值 90.6 80.9 70 69.5
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    表  3  最终迁移样本百分比

    Table  3.   Percentage of final migrated sample %

    测试集 D1 D2 D3
    测试集1 63.2 40.1 22.3
    测试集2 69.4 43.9 20.3
    测试集3 66.7 39.6 25.1
    平均值 66.4 41.2 22.6
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-03-11
  • 录用日期:  2019-07-05
  • 网络出版日期:  2019-11-20

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