极高创新性!基于斑马算法优化并行卷积神经网络注意力机制结合支持向量机ZOA-PCNN-AT-SVM的轴承故障识别附matlab代码

本文介绍了一种创新的轴承故障识别方法ZOA-PCNN-AT-SVM,结合斑马算法优化的并行卷积神经网络和注意力机制,以及支持向量机进行分类。这种方法在CWRU数据集上表现出高精度、鲁棒性和实时性,为旋转机械健康监测提供了新策略。

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🔥 内容介绍

轴承故障识别在旋转机械健康监测中至关重要。本文提出了一种基于斑马算法优化并行卷积神经网络注意力机制结合支持向量机(ZOA-PCNN-AT-SVM)的轴承故障识别新方法。该方法融合了斑马算法、并行卷积神经网络、注意力机制和支持向量机的优点,具有很高的创新性和优异的故障识别性能。

引言

轴承是旋转机械中的关键部件,其故障会对机械设备造成严重后果。因此,轴承故障识别对于确保机械设备的安全可靠运行至关重要。近年来,基于深度学习的轴承故障识别方法取得了显著进展,但仍存在一些挑战,如特征提取能力不足、计算量大等。

方法

为了解决上述挑战,本文提出了ZOA-PCNN-AT-SVM方法。该方法主要包括以下几个步骤:

  1. **数据预处理:**对原始轴承振动信号进行预处理,包括归一化、去噪和特征提取。

  2. **斑马算法优化并行卷积神经网络(ZOA-PCNN):**利用斑马算法优化并行卷积神经网络的超参数,提高特征提取能力。

  3. **注意力机制(AT):**引入注意力机制,关注重要特征,抑制无关特征。

  4. **支持向量机(SVM):**采用支持向量机作为分类器,对提取的特征进行分类。

实验结果

本文使用CWRU轴承数据集对所提出的ZOA-PCNN-AT-SVM方法进行了评估。实验结果表明:

  • ZOA-PCNN-AT-SVM方法在不同故障类型和故障严重程度下的识别准确率均高于其他对比方法。

  • ZOA-PCNN-AT-SVM方法具有较高的鲁棒性,对噪声和不平衡数据有较强的抵抗力。

  • ZOA-PCNN-AT-SVM方法的计算量相对较小,适合于实时故障识别。

结论

本文提出的ZOA-PCNN-AT-SVM方法是一种创新且高效的轴承故障识别方法。该方法融合了斑马算法、并行卷积神经网络、注意力机制和支持向量机的优点,具有很高的特征提取能力、鲁棒性和实时性。该方法为轴承故障识别领域提供了新的思路,具有广阔的应用前景。pcnn.png)

图1. PCNN网络结构

PCNN的处理过程包括以下几个步骤:

  1. 输入层:将预处理后的振动信号输入到PCNN网络。

  2. 卷积层:使用卷积核对输入信号进行卷积操作,提取特征。

  3. 激活函数:对卷积结果应用激活函数,引入非线性。

  4. 链接层:将不同卷积核提取的特征进行链接,形成新的特征图。

  5. 池化层:对链接后的特征图进行池化操作,减少特征维度。

2.3 斑马算法优化

斑马算法是一种基于斑马迁徙行为的优化算法。它模拟斑马群体的集体行为,通过个体的相互作用和环境反馈来寻找最优解。

在本文中,斑马算法被用来优化PCNN的超参数,包括卷积核大小、步长、激活函数等。通过优化这些超参数,可以增强PCNN的特征提取能力。

2.4 注意力机制

注意力机制是一种神经网络技术,可以提高模型对重要信息的关注度。在本文中,注意力机制被引入PCNN中,以增强模型对故障特征的识别能力。

注意力机制的实现过程如下:

  1. 计算特征图的权重:使用一个卷积层对特征图进行卷积操作,生成权重图。

  2. 归一化权重图:对权重图进行softmax操作,将权重归一化到0到1之间。

  3. 加权特征图:将权重图与特征图相乘,得到加权后的特征图。

2.5 支持向量机(SVM)

支持向量机(SVM)是一种监督学习算法,具有良好的分类性能。在本文中,SVM被用来对PCNN提取的特征进行分类,识别轴承故障类型。

3. 实验

为了验证本文提出的ZOA-PCNN-AT-SVM方法的有效性,在Case Western Reserve University (CWRU)轴承故障数据集上进行了实验。该数据集包含了正常轴承和四种不同故障类型的振动信号。

3.1 实验设置

实验中,将原始振动信号分割成长度为1024的子序列,并使用滑动窗口技术提取特征。PCNN网络的超参数通过斑马算法优化,注意力机制的权重通过反向传播算法训练。SVM分类器使用径向基核函数(RBF)。

3. 结论

本文提出了一种基于斑马算法优化并行卷积神经网络注意力机制结合支持向量机(ZOA-PCNN-AT-SVM)的轴承故障识别方法。该方法利用斑马算法优化PCNN的超参数,增强了PCNN的特征提取能力。同时,注意力机制被引入PCNN中,提高了模型对故障特征的关注度。此外,支持向量机(SVM)被用来对提取的特征进行分类,提高了模型的泛化能力。实验结果表明,ZOA-PCNN-AT-SVM方法具有较高的分类精度,为轴承故障识别提供了新的思路。

📣 部分代码

%%  清空环境变量warning off             % 关闭报警信息close all               % 关闭开启的图窗clear                   % 清空变量clc                     % 清空命令行%%  导入数据res = xlsread('数据集.xlsx');%%  划分训练集和测试集temp = randperm(357);P_train = res(temp(1: 240), 1: 12)';T_train = res(temp(1: 240), 13)';M = size(P_train, 2);P_test = res(temp(241: end), 1: 12)';T_test = res(temp(241: end), 13)';N = size(P_test, 2);%%  数据归一化[P_train, ps_input] = mapminmax(P_train, 0, 1);P_test = mapminmax('apply', P_test, ps_input);

⛳️ 运行结果

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🔗 参考文献

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1 各类智能优化算法改进及应用
生产调度、经济调度、装配线调度、充电优化、车间调度、发车优化、水库调度、三维装箱、物流选址、货位优化、公交排班优化、充电桩布局优化、车间布局优化、集装箱船配载优化、水泵组合优化、解医疗资源分配优化、设施布局优化、可视域基站和无人机选址优化、背包问题、 风电场布局、时隙分配优化、 最佳分布式发电单元分配、多阶段管道维修、 工厂-中心-需求点三级选址问题、 应急生活物质配送中心选址、 基站选址、 道路灯柱布置、 枢纽节点部署、 输电线路台风监测装置、 集装箱船配载优化、 机组优化、 投资优化组合、云服务器组合优化、 天线线性阵列分布优化
2 机器学习和深度学习方面

2.1 bp时序、回归预测和分类

2.2 ENS声神经网络时序、回归预测和分类

2.3 SVM/CNN-SVM/LSSVM/RVM支持向量机系列时序、回归预测和分类

2.4 CNN/TCN卷积神经网络系列时序、回归预测和分类

2.5 ELM/KELM/RELM/DELM极限学习机系列时序、回归预测和分类
2.6 GRU/Bi-GRU/CNN-GRU/CNN-BiGRU门控神经网络时序、回归预测和分类

2.7 ELMAN递归神经网络时序、回归\预测和分类

2.8 LSTM/BiLSTM/CNN-LSTM/CNN-BiLSTM/长短记忆神经网络系列时序、回归预测和分类

2.9 RBF径向基神经网络时序、回归预测和分类

2.10 DBN深度置信网络时序、回归预测和分类
2.11 FNN模糊神经网络时序、回归预测
2.12 RF随机森林时序、回归预测和分类
2.13 BLS宽度学习时序、回归预测和分类
2.14 PNN脉冲神经网络分类
2.15 模糊小波神经网络预测和分类
2.16 时序、回归预测和分类
2.17 时序、回归预测预测和分类
2.18 XGBOOST集成学习时序、回归预测预测和分类
方向涵盖风电预测、光伏预测、电池寿命预测、辐射源识别、交通流预测、负荷预测、股价预测、PM2.5浓度预测、电池健康状态预测、用电量预测、水体光学参数反演、NLOS信号识别、地铁停车精准预测、变压器故障诊断
2.图像处理方面
图像识别、图像分割、图像检测、图像隐藏、图像配准、图像拼接、图像融合、图像增强、图像压缩感知
3 路径规划方面
旅行商问题(TSP)、车辆路径问题(VRP、MVRP、CVRP、VRPTW等)、无人机三维路径规划、无人机协同、无人机编队、机器人路径规划、栅格地图路径规划、多式联运运输问题、 充电车辆路径规划(EVRP)、 双层车辆路径规划(2E-VRP)、 油电混合车辆路径规划、 船舶航迹规划、 全路径规划规划、 仓储巡逻
4 无人机应用方面
无人机路径规划、无人机控制、无人机编队、无人机协同、无人机任务分配、无人机安全通信轨迹在线优化、车辆协同无人机路径规划
5 无线传感器定位及布局方面
传感器部署优化、通信协议优化、路由优化、目标定位优化、Dv-Hop定位优化、Leach协议优化、WSN覆盖优化、组播优化、RSSI定位优化
6 信号处理方面
信号识别、信号加密、信号去噪、信号增强、雷达信号处理、信号水印嵌入提取、肌电信号、脑电信号、信号配时优化
7 电力系统方面
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8 元胞自动机方面
交通流 人群疏散 病毒扩散 晶体生长 金属腐蚀
9 雷达方面
卡尔曼滤波跟踪、航迹关联、航迹融合

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