目录
[1 快速傅里叶变换FFT原理介绍](#1 快速傅里叶变换FFT原理介绍)
[2 轴承故障数据的预处理](#2 轴承故障数据的预处理)
[2.1 导入数据](#2.1 导入数据)
[2.2 制作数据集和对应标签](#2.2 制作数据集和对应标签)
[3 交叉注意力机制](#3 交叉注意力机制)
[3.1 Cross attention概念](#3.1 Cross attention概念)
[3.2 Cross-attention算法](#3.2 Cross-attention算法)
[4 基于FFT+CNN-Transformer-CrossAttention的轴承故障识别模型](#4 基于FFT+CNN-Transformer-CrossAttention的轴承故障识别模型)
[4.1 网络定义模型](#4.1 网络定义模型)
[4.2 设置参数,训练模型](#4.2 设置参数,训练模型)
[4.3 模型评估](#4.3 模型评估)
创新点:利用交叉注意力机制融合模型!
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前言
本文基于凯斯西储大学(CWRU)轴承数据,进行快速傅里叶变换(FFT)的介绍与数据预处理,最后通过Python实现基于FFT的CNN-Transformer-CrossAttention模型对故障数据的分类。凯斯西储大学轴承数据的详细介绍可以参考下文:
Python-凯斯西储大学(CWRU)轴承数据解读与分类处理_cwru数据集时域图-CSDN博客
模型整体结构
模型整体结构如下所示,一维故障信号经过FFT变换的频域特征以及信号本身的时域特征分别经过CNN卷积池化操作,提取全局特征,然后再经过Transformer提取时序特征,使用交叉注意力机制融合时域和频域的特征,通过计算注意力权重,使得模型更关注重要的特征再进行特征增强融合,最后经过全连接层和softmax输出分类结果。
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对时域信号应用FFT,将信号转换到频域。
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利用CNN对频域特征进行学习和提取。CNN的卷积层可以捕捉频域特征的局部模式。
- 将时域信号输入Transformer编码器层。Transformer编码器层可以有效地捕捉时域信号的长期依赖关系。
- 使用交叉注意力机制融合时域和频域的特征。这可以通过计算注意力权重,使得模型更关注重要的特征
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时域和频域特征提取:
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Transformer 编码器层:
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交叉注意力机制:
1 快速傅里叶变换FFT原理介绍
傅里叶变换是一种信号处理和频谱分析的工具,用于将一个信号从时间域转换到频率域。而快速傅里叶变换(FFT)是一种高效实现傅里叶变换的算法,特别适用于离散信号的处理。
第一步,导入部分数据
python
fromscipy.ioimportloadmat
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib
matplotlib.rc("font", family='Microsoft YaHei')
# 读取MAT文件
data1 = loadmat('0_0.mat') # 正常信号
data2 = loadmat('21_1.mat') # 0.021英寸 内圈
data3 = loadmat('21_2.mat') # 0.021英寸 滚珠
data4 = loadmat('21_3.mat') # 0.021英寸 外圈
# 注意,读取出来的data是字典格式,可以通过函数type(data)查看。
第二步,故障信号可视化
第三步,故障信号经过FFT可视化
2 轴承故障数据的预处理
2.1 导入数据
参考之前的文章,进行故障10分类的预处理,凯斯西储大学轴承数据10分类数据集:
train_set、val_set、test_set 均为按照7:2:1划分训练集、验证集、测试集,最后保存数据
上图是数据的读取形式以及预处理思路
2.2 制作数据集和对应标签
3 交叉注意力机制
3.1 Cross attention概念
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Transformer架构中混合两种不同嵌入序列的注意机制
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两个序列必须具有相同的维度
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两个序列可以是不同的模式形态(如:文本、声音、图像)
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一个序列作为输入的Q,定义了输出的序列长度,另一个序列提供输入的K&V
3.2 Cross-attention算法
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拥有两个序列S1、S2
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计算S1的K、V
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计算S2的Q
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根据K和Q计算注意力矩阵
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将V应用于注意力矩阵
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输出的序列长度与S2一致
在融合过程中,我们将经过FFT变换的频域特征作为查询序列,时序特征作为键值对序列。通过计算查询序列与键值对序列之间的注意力权重,我们可以对不同特征之间的关联程度进行建模。
4 基于FFT+CNN-Transformer-CrossAttention的轴承故障识别模型
4.1 网络定义模型
注意:输入故障信号数据形状为 [32, 1024], batch_size=32, ,1024代表序列长度。
4.2 设置参数,训练模型
50个epoch,准确率100%,用FFT+CNN-Transformer-CrossAttention融合网络模型分类效果显著,模型能够充分提取轴承故障信号的空间和时序特征和频域特征,收敛速度快,性能优越,精度高,交叉注意力机制能够对不同特征之间的关联程度进行建模,从故障信号频域、时域特征中属于提取出对模型识别重要的特征,效果明显。
4.3 模型评估
准确率、精确率、召回率、F1 Score
故障十分类混淆矩阵: