一种小样本数据下基于生成模型的机械设备故障智能诊断方法技术

本发明专利技术公开了一种小样本数据下基于生成模型的机械设备故障智能诊断方法，对获取到的少量机械信号进行零均值标准化预处理；建立用于机械信号生成的复合网络；结合Wasserstein距离和梯度惩罚方法对抗式地训练生成对抗网络模型；建立使用机械信号对机械设备运行状态进行分类的深度卷积神经网络模型；结合生成对抗复合神经网络模型以及深度卷积神经网络模型，使用少量真实机械信号训练两个网络，最终实现小样本数据下的对机械设备的智能故障诊断。本发明专利技术具有对机械信号的特征提取效果好，状态分类正确率高以及机械信号数据扩充性能好的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种小样本数据下基于生成模型的机械设备故障智能诊断方法
本专利技术涉及机械设备故障诊断领域，具体涉及一种小样本数据下基于生成模型的机械设备故障智能诊断方法。
技术介绍
机械设备运行的过程中，其主要零部件诸如轴承、齿轮、转子等由于持续承受载荷的作用，容易发生故障，进而造成经济损失与人员伤亡。为了降低由于机械设备故障带来的损失，有必要开展针对机械设备的故障诊断和状态监测研究。实际工况下在机械设备上采集到的各类机械信号均会受到噪声的污染，难以进行机械信号的有效特征提取和状态识别。对机械信号进行去噪和特征提取通常被视为机械设备故障诊断的主要工作和主要重、难点，长期以来大量的机械设备智能诊断算法都聚焦于对机械信号进行去噪和特征提取上。然而，在实际工况中很难获得机械设备的故障信号，获取到的故障信号数量少，种类也少。另一方面，对机械设备智能诊断算法进行训练时需要有大量的故障样本才能提高它的泛化性以及工程实用性。小样本问题严重影响了对机械设备进行故障诊断和状态监测的及时性和准确性，因此有必要开展针对小样本问题下的机械设备故障诊断的研究。传统上故障诊断过程中扩充数据集的方式是过采样，但过采样也只是在重本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种小样本数据下基于生成模型的机械设备故障智能诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：以机械设备各种运行状态下的机械信号作为数据集合，对获取到的机械信号进行标准化预处理；步骤2：建立用于机械信号生成的生成对抗复合神经网络模型，该复合神经网络模型包含生成器以及带有辅助分类器的判别器两个网络子结构；步骤3：对步骤2建立的复合神经网络模型，结合Wasserstein距离以及梯度惩罚方法，进行对抗式地训练并更新生成器和带有辅助分类器的判别器的网络参数，从而使生成器实现使用高斯噪声生成带标签数据的功能，进而获得带有运行状态标签的机械信号；步骤4：建立使用机械信号对机械设备运行状态进行分类识别的神...

【技术特征摘要】
1.一种小样本数据下基于生成模型的机械设备故障智能诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：以机械设备各种运行状态下的机械信号作为数据集合，对获取到的机械信号进行标准化预处理；步骤2：建立用于机械信号生成的生成对抗复合神经网络模型，该复合神经网络模型包含生成器以及带有辅助分类器的判别器两个网络子结构；步骤3：对步骤2建立的复合神经网络模型，结合Wasserstein距离以及梯度惩罚方法，进行对抗式地训练并更新生成器和带有辅助分类器的判别器的网络参数，从而使生成器实现使用高斯噪声生成带标签数据的功能，进而获得带有运行状态标签的机械信号；步骤4：建立使用机械信号对机械设备运行状态进行分类识别的神经网络模型，模型输入数据为小于总数据量5％的真实机械信号以及由步骤3的生成器生成的带运行状态标签的机械信号，模型输出为每一条数据所对应的运行状态的概率值；步骤5：对步骤4所建立的卷积神经网络状态分类模型，使用Dropout以及Batchnormalization参数正则化方法防止训练过拟合及稳定训练过程，从而使网络更快速更稳定完成状态分类工作；步骤6：结合步骤3所设计的生成对抗复合神经网络模型以及步骤5所设计的卷积神经网络状态分类模型，使用小于总数据量5％的真实机械信号训练两个网络，从而使生成对抗复合神经网络模型能够生成和真实机械信号具有相同分布的数据，并使卷积神经网络状态分类模型能够获得95％以上的状态分类正确率，最终实现小样本数据下的对机械设备的智能故障诊断。2.根据权利要求1所述的一种小样本数据下基于生成模型的机械设备故障智能诊断方法，其特征在于，步骤1中所述的数据标准化预处理使用零均值规范化，计算式为：式中，n为单条输入信号的数据点个数，xi为输入信号中的第i个数据，为输入信号的均值，s为输入信号的样本标准差，yi为零均值规范化处理后的新信号中的第i个数据。3.根据权利要求1所述的一种小样本数据下基于生成模型的机械设备故障智能诊断方法，其特征在于，步骤2中所述的生成器由4层全连接层构成，用于生成与真实机械信号具有相同分布的数据；带有辅助分类器的判别器由5层全连接层构成，用于同时完成判断生成数据的真假以及生成数据的类别。4.根据权利要求1所述的一种小样本数据下基于生成模型的机械设备故障智能诊断方法，其特征在于，步骤3使用Wasserstein距离优化复合网络模型的损失函数以稳定训练过程，Wasserstein距离计算式定义为：式中，A1是真实数据服从的分布，A2是生成数据服从的分布，∏(A1,A2)是A1和A2分布组合起来的所有联合分布的集合，γ是其中的一个联合分布，(x,y)是γ中的一对样本，E(x,y)～γ[||x-y||]为该样本距离的期望值。5.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈景龙，张天赐，訾艳阳，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61