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Fault diagnosis using variational autoencoder GAN and focal loss CNN under unbalanced data

自编码 断层(地质) 灰度 小波 卷积神经网络 小波变换 计算机科学 模式识别(心理学) 分类器(UML) 人工智能 降维 深度学习 地质学 像素 地震学
作者
Weihan Li,Dunke Liu,Yang Li,Ming Hou,Jie Liu,Zhen Zhao,Aibin Guo,Huimin Zhao,Wu Deng
出处
期刊:Structural Health Monitoring-an International Journal [SAGE]
卷期号:24 (3): 1859-1872 被引量:60
标识
DOI:10.1177/14759217241254121
摘要

For the poor model generalization and low diagnostic efficiency of fault diagnosis under imbalanced distributions, a novel fault diagnosis method using variational autoencoder generation adversarial network and improved convolutional neural network, named VGAIC-FDM, is proposed in this paper. First, to capture local features of vibration signals, continuous wavelet transform is employed to convert the original one-dimensional fault signals into wavelet time–frequency images. Second, for the data dimensionality reduction and model simplification, the time–frequency wavelet images are processed in grayscale to generate single-channel grayscale time–frequency images. Then, sample augmentation is performed on grayscale time–frequency images to balance the dataset by using a variational autoencoder generation adversarial network. Finally, the generated images and the original images are fused and trained by using a focus-loss-optimized CNN classifier to achieve fault diagnosis under unbalanced conditions. The experimental results show that the VGAIC-FDM effectively captures the potential spatial distribution of real samples and alleviates the impact caused by the inconsistent difficulty of sample classification. As a result, it enhances the fault diagnosis performance of the model when dealing with unbalanced datasets, leading to higher accuracy and F1-score values.
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