Rolling bearing fault diagnosis method using time-frequency information integration and multi-scale TransFusion network

可解释性 计算机科学 稳健性(进化) 人工智能 深度学习 人工神经网络 方位(导航) 断层(地质) 数据挖掘 机器学习 模式识别(心理学) 生物化学 基因 地质学 地震学 化学
作者
Zekun Wang,Zifei Xu,Chang Cai,Xiaodong Wang,Jianzhong Xu,Kezhong Shi,Xiaohui Zhong,Zhiqiang Liao,Qing Li
出处
期刊:Knowledge Based Systems [Elsevier]
卷期号:284: 111344-111344 被引量:38
标识
DOI:10.1016/j.knosys.2023.111344
摘要

Advances in deep learning methods have demonstrated remarkable development in diagnosing faults of rotating machinery. The currently popular deep neural networks suffer from design flaws in their network structure, leading to issues of long-term dependencies in fault diagnosis models built upon conventional deep neural networks. Consequently, such models exhibit insufficient global perceptual capabilities towards fault features. Furthermore, how accurately pre-trained models can diagnose faults is hugely impacted by changes in bearings' working conditions. To tackle the aforementioned issues, this study puts forth a multi-scale TransFusion (MSTF) model for diagnosing faults in rolling bearings under multiple operating conditions. Firstly, a time-frequency symmetric dot pattern transformation technique is designed to transform the original vibration signals into two-dimensional representations. This method can effectively highlight the distinctions between different fault types. Secondly, a multi-scale feature fusion module is established, which fully extracts low-level features from the time-frequency signals and reduces the complexity of the subsequent attention calculations. Meanwhile, relying on the advantages of the Transformer model in capturing global dependencies, the long-range periodic fault information is deeply mined. Finally, multi-head and multi-layer attention are visualized to enhance the interpretability of the model. After analyzing two case studies with both public and experimental datasets, the examination demonstrated that the developed model outperformed other state-of-the-art models. The diagnostic model developed in this study exhibits the ability to accurately diagnose bearing faults across multiple operating conditions while maintaining high robustness to signals contaminated with noise.
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