基于深度学习算法的轴承故障自主分类

1. 要求

轴承有3种故障:外圈故障,内圈故障,滚珠故障,外加正常的工作状态。如表1所示,结合轴承的3种直径(直径1,直径2,直径3),轴承的工作状态有10类:

表1 轴承故障类别

|-----|------|------|------|----|
| | 外圈故障 | 内圈故障 | 滚珠故障 | 正常 |
| 直径1 | 1 | 2 | 3 | 0 |
| 直径2 | 4 | 5 | 6 | 0 |
| 直径3 | 7 | 8 | 9 | 0 |

实验包含以下两个文件:

1.train.csv,训练集数据,1到6000为按时间序列连续采样的振动信号数值,每行数据是一个样本,共792条数据,第一列id字段为样本编号,最后一列label字段为标签数据,即轴承的工作状态,用数字0到9表示。

2.test_data.csv,测试集数据,共528条数据,除无label字段外,其他字段同训练集。 总的来说,每行数据除去id和label后是轴承一段时间的振动信号数据,选手需要用这些振动信号去判定轴承的工作状态label。 注意:同一列的数据不一定是同一个时间点的采样数据,即不要把每一列当作一个特征

采用CNN、RNN等深度学习算法,实现对具有序列特性的轴承故障样本的自主分类。

要求:(1)利用Python sklearn安装包,调用CNN、RNN算法,对轴承故障样本实现自主分类。

(2)表格输出训练集、测试集分类精度、DICE, Jarccard 参数值

2. 过程

本次实验主要通过卷积神经网络来进行处理,可以直接通过python中的keras神经网络库来进行搭建。首先读取训练集文件,然后再对其进行处理,产生生成器,其中的label标签数据转换成把标签转成OneHot,后续通过然后使用 keras的fit_generator进行调用,其结果如下:

图1 训练样本生成器

图2 处理后的训练集特征值及标签(部分)

同样,测试集样本也作处理产生生成器,结果如下:

图3 处理后测试集生成器数据(部分)

然后开始建立模型,通过调用keras库里的models来进行构造,使用 Sequential() 实现全连接网络,网络模型搭建完后,需要对网络的学习过程进行配置,否则在调用 fit 或 evaluate 会抛出异常。我使用compile (loss='categorical_crossentropy', optimizer=Adam(0.0002), metrics=['accuracy'])来完成配置。

产生的一个模型如下:

图4 打印模型

导入训练后的模型来实现分类,通过model.predict_generator()语句来对测试集中的数据进行预测,其尺寸与结果如下图:

图5 测试集文件中的数据预测结果

接下来为了进一步探究该模型的好坏,首先读取训练集数据后,将其转换成numpy,取出head,然后提取其中属于特征值的列提取出来,再将其中的label值单独提取出来,然后通过sklean中的train_test_split()函数将训练集中的数据进行分割,其中测试集占0.4。处理完毕后,通过模型进行预测,其相关结果如下:

图6 预测精度

图7 混淆矩阵

图8 confusion 表

图9 测试集置信度

通过precision_recall_curve()函数得到Precision, Recall值,利用roc_curve()得到FPR, TPR值,绘制如下曲线:

图10 PR曲线

图11 ROC曲线

图12 相关指标

再多次运行程序,结果如下:

图13

图14

然后我增加了数据迭代次数epochs值,再次训练模型,然后通过验证,其结果如下:

图15 调整后的精度和混淆矩阵

图16 调整后的总体结果

可以发现精度上升了很多,说明该模型分类结果较为准确

3. 结果与分析

在上述实验过程中,我主要实现了对测试集文件进行分类以及对分类模型进行评估。在构建卷积神经网络并进行训练后,得到了图5所示的结果。然而,由于我不清楚其真实标签,因此无法判断模型的好坏。因此,我对训练集的文件进行处理,将其分割成训练样本和测试样本,然后进行评估。经过验证后,其结果如图6至图12所示。我通过精度、汉明距离、Jaccard值、AUC大小等参数来作为评估指标。从中可以看出准确率和召回率的调和平均数F1-score的值总体较大,更能说明模型的性能较好。除此之外,我还绘制了它们的ROC曲线和PR曲线。从曲线中我们也可以更加直观地看出ROC曲线靠近左上角,PR曲线靠近右上角,这说明该分类模型较好。

训练集和测试集的精度都超过了90%,但出现了训练集的精度低于测试集的异常。经过多次运行程序,在图13和图14中可以看出训练集的精度大于测试集的,并且都达到了90%以上。出现异常的结果可能是由于我在分割样本时采用了随机分割,所以可能会选取到不合适的样本导致异常。为了提高分类精度,我增加了epochs值,通过多次迭代后产生了新的模型。通过验证可以看出,模型性能得到了优化,分类效果更加好了。由此可以判断它对于测试集文件的自主分类也实现较好。

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