简单的基于Transformer的滚动轴承故障诊断(Pytorch)

递归神经网络在很长一段时间内是序列转换任务的主导模型,其固有的序列本质阻碍了并行计算。因此,在2017年,谷歌的研究人员提出了一种新的用于序列转换任务的模型架构Transformer,它完全基于注意力机制建立输入与输出之间的全局依赖关系。在训练阶段,Transformer可以并行计算,大大减小了模型训练难度,提高了模型训练效率。Transformer由编码器和解码器两部分构成。其编解码器的子模块为多头注意力MHA和前馈神经网络FFN。此外,Transformer还利用了位置编码、层归一化、残差连接、dropout等技巧来增强模型性能。

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鉴于此,简单地采用Transformer对滚动轴承进行故障诊断,没有经过什么修改,效果不是很好,准确率较低,数据集采用江南大学轴承数据集。

import numpy as npimport torchimport torch.nn as nnimport torch.nn.functional as Fimport torch.optim as optimimport scipy.io as ioimport pandas as pdimport matplotlib.pyplot as pltfrom torch.utils.data import Dataset, DataLoader

d_k = 64d_v = 64class ScaledDotProductAttention(nn.Module):    def __init__(self):        super(ScaledDotProductAttention, self).__init__()    def forward(self, Q, K, V):        scores = torch.matmul(Q, K.transpose(-1, -2)) / np.sqrt(d_k)        weights = nn.Softmax(dim=-1)(scores)        context = torch.matmul(weights, V)        return context, weights
# Q = torch.randint(0, 9, (4, 8, 512)).to(torch.float32)# K = torch.randint(0, 4, (4, 8, 512)).to(torch.float32)# V = torch.randint(0, 2, (4, 8, 512)).to(torch.float32)# SDPA = ScaledDotProductAttention()# context, weights = SDPA(Q, K, V)
# print(weights.shape)# print(V.shape)# print(context.shape)

d_embedding = 512n_heads = 2batch_size = 32seq_len = 4class MultiHeadAttention(nn.Module):    def __init__(self):        super(MultiHeadAttention, self).__init__()        self.W_Q = nn.Linear(d_embedding, d_k*n_heads)        self.W_K = nn.Linear(d_embedding, d_k*n_heads)        self.W_V = nn.Linear(d_embedding, d_v*n_heads)        self.Linear = nn.Linear(n_heads*d_v, d_embedding)        self.layer_norm = nn.LayerNorm(d_embedding)    def forward(self, Q, K, V):        residual, batch_size = Q, Q.size(0)        # input[batch_size, len, d_embedding]->output[batch_size, len, d_k*n_heads]->        # {view}->output[batch_size, len, n_heads, d_k]->{transpose}->output[batch_size, n_heads, len, d_k]        q_s = self.W_Q(Q).view(batch_size, -1, n_heads, d_k).transpose(1, 2)         k_s = self.W_K(K).view(batch_siz
### 使用CNN和Transformer实现旋转机械故障诊断 #### 方法概述 对于旋转机械设备的故障诊断深度学习方法因其强大的特征提取能力和分类性能而备受关注。两种主要的神经网络架构——卷积神经网络(CNN)Transformer被广泛应用于这一领域。 - **卷积神经网络 (CNN)** 是一种专门设计用于处理具有网格状拓扑结构的数据集(如图像)的强大工具。当应用到一维时间序列数据上时,可以通过适当调整来捕捉振动信号中的局部模式[^3]。 - **Transformer** 则以其自注意力机制闻名,允许模型并行化计算的同时更好地理解输入序列的不同部分之间的依赖关系。这使得它特别适合于那些需要考虑长时间跨度上下文的任务,比如复杂的工业设备健康状态监测[^1]。 #### 实现细节 ##### 卷积神经网络 (CNN) 针对滚动轴承故障诊断的研究显示,利用CNN可以从原始振动信号中自动抽取有效的时空域特征表示。具体来说: ```matlab % 加载预处理后的振动数据 load('processed_vibration_data.mat'); % 定义CNN架构 layers = [ imageInputLayer([signal_length 1]) convolution2dLayer(7,8,'Padding','same') batchNormalizationLayer reluLayer maxPooling2dLayer(2,'Stride',2) fullyConnectedLayer(num_classes) softmaxLayer classificationLayer]; options = trainingOptions('adam',... 'MaxEpochs',epochs,... 'MiniBatchSize',batch_size,... 'Shuffle','every-epoch',... 'ValidationData',{X_val,Y_val},... 'Plots','training-progress'); net_cnn = trainNetwork(X_train,Y_train,layers,options); ``` 这段代码展示了如何构建一个简单的CNN来进行分类任务。这里假设`X_train`, `Y_train`分别是训练样本及其对应的标签;同样地,验证集由`X_val`,`Y_val`给出。注意这里的输入层尺寸应根据实际使用的振动信号长度设定。 ##### Transformer 另一方面,基于布谷鸟搜索算法优化过的Transformer可以进一步提升故障检测的效果。这种方法不仅增强了模型的学习效率,还改善了其鲁棒性和准确性。以下是简化版的Python伪代码片段说明如何初始化这样一个改进型Transformer模型: ```python import torch.nn as nn from transformers import BertConfig, BertModel config = BertConfig( hidden_size=hidden_dim, num_hidden_layers=num_layers, num_attention_heads=num_heads, intermediate_size=intermediate_dim, max_position_embeddings=max_seq_len ) transformer_model = BertModel(config=config) class FaultDiagnosis(nn.Module): def __init__(self, transformer_model, output_dim): super().__init__() self.transformer = transformer_model self.fc_out = nn.Linear(hidden_dim, output_dim) def forward(self, src): embedded = self.transformer(src)[0] predictions = self.fc_out(embedded[:, -1, :]) # 取最后一位置作为预测依据 return predictions ``` 此段脚本定义了一个继承自PyTorch模块类的新类`FaultDiagnosis`,其中包含了经过配置定制化的BERT-style Transformer以及额外添加的一层全连接层用于最终输出。值得注意的是,在实践中可能还需要引入其他组件如正则化项、激活函数等以提高泛化能力。 #### 结果评估 无论是采用CNN还是Transformer框架下的解决方案都取得了良好的效果。特别是后者结合特定优化手段之后,在多个测试场景下均表现出优异的表现,证明了这些先进技术在解决现实世界工程难题方面具备巨大潜力。
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