WBUN: An interpretable convolutional neural network with wavelet basis unit embedded for fault diagnosis

卷积神经网络 基础(线性代数) 计算机科学 小波 模式识别(心理学) 人工智能 断层(地质) 单位(环理论) 数学 地质学 地震学 几何学 数学教育
作者
Sen Gao,Zhijin Zhang,Xin Zhang,He Li
出处
期刊:Measurement Science and Technology [IOP Publishing]
卷期号:35 (8): 086125-086125
标识
DOI:10.1088/1361-6501/ad4ab8
摘要

Abstract Convolutional Neural Network (CNN) is extensively applied in mechanical system fault diagnosis. However, the absence of transparent decision mechanisms in CNNs hinders credibility. To address these challenges, this paper proposes an interpretable wavelet basis unit convolutional network (WBUN). This network incorporates meticulously designed wavelet basis unit (WBU) functions into convolutional layer, creating the interpretable wavelet basis unit convolutional (WBUConv) layer. Convolutional kernels with clear physical significance enable the WBUConv layer to extract fault-related features in both time and frequency domains, enhancing diagnostic performance, and interpreting the CNN’s attention frequency along with the convolutional kernel’s training outcomes. In this paper, three WBU functions are designed to construct the corresponding WBUNs, and their effectiveness and interpretability are verified through three sets of mechanical fault diagnosis experiments. Meanwhile, experimental results demonstrate the WBUConv layer’s remarkable advantages in noise robustness, convergence speed, and strong generalization ability.

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