兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (2): 240012-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0012
郭一鸣1,*(), 童一飞1, 何非1, 谢中取1, 宋世达2, 黄静1
收稿日期:
2024-01-08
上线日期:
2025-02-28
通讯作者:
基金资助:
GUO Yiming1,*(), TONG Yifei1, HE Fei1, XIE Zhongqu1, SONG Shida2, HUANG Jing1
Received:
2024-01-08
Online:
2025-02-28
摘要:
在复杂制造过程中常需要采集并分析多通道数据以实现状态监测和故障诊断,针对现有方法难以处理多通道数据复杂时空相关结构和样本不平衡的问题,提出了一种基于多通道数据双层增强的样本不平衡故障诊断方法。所提模型具有2阶段数据增强和全局优化的特点,通过先学习故障特征再转化为多通道数据的方式实现数据增强,引入分布差异评估机制有效地描述不同通道之间的数据相关性,基于多目标的全局优化策略来提高生成数据的质量。通过实际案例验证所提方法的有效性,实验结果表明:双层增强方法能有效扩充多通道数据的样本量,全局优化策略可以提高生成数据在故障诊断中的性能。与现有模型相比,所提方法在多种样本不平衡场景下均具有较高的故障诊断准确率。
中图分类号:
郭一鸣, 童一飞, 何非, 谢中取, 宋世达, 黄静. 基于多通道数据双层增强的样本不平衡故障诊断方法[J]. 兵工学报, 2025, 46(2): 240012-.
GUO Yiming, TONG Yifei, HE Fei, XIE Zhongqu, SONG Shida, HUANG Jing. Sample Imbalanced Fault Diagnosis Method Based on Multi-channel Data Double Augmentation[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(2): 240012-.
数据通道 | 传统GAN | 所提方法 |
---|---|---|
1 | 0.0331 | 0.0039 |
2 | 0.0361 | 0.0065 |
3 | 0.0531 | 0.0048 |
4 | 0.0540 | 0.0054 |
表1 生成数据和真实数据间MSE值
Table 1 MSE value between generated and real data
数据通道 | 传统GAN | 所提方法 |
---|---|---|
1 | 0.0331 | 0.0039 |
2 | 0.0361 | 0.0065 |
3 | 0.0531 | 0.0048 |
4 | 0.0540 | 0.0054 |
生成数据 | 真实数据 | |||
---|---|---|---|---|
通道1 | 通道2 | 通道3 | 通道4 | |
通道1 | 0.0039 | 0.0167 | 0.0177 | 0.0109 |
通道2 | 0.0193 | 0.0065 | 0.0182 | 0.0159 |
通道3 | 0.0237 | 0.0185 | 0.0048 | 0.0103 |
通道4 | 0.0133 | 0.0178 | 0.0115 | 0.0054 |
表2 不同通道数据间MSE值
Table 2 MSE value between different channels
生成数据 | 真实数据 | |||
---|---|---|---|---|
通道1 | 通道2 | 通道3 | 通道4 | |
通道1 | 0.0039 | 0.0167 | 0.0177 | 0.0109 |
通道2 | 0.0193 | 0.0065 | 0.0182 | 0.0159 |
通道3 | 0.0237 | 0.0185 | 0.0048 | 0.0103 |
通道4 | 0.0133 | 0.0178 | 0.0115 | 0.0054 |
对比方法 | 诊断准确率 | ||||
---|---|---|---|---|---|
故障1 | 故障2 | 故障3 | 故障4 | 故障5 | |
随机过采样 | 99.25 | 98.88 | 100 | 89.14 | 98.88 |
SMOTE | 99.63 | 99.63 | 100 | 89.89 | 93.26 |
ADASYN | 99.63 | 99.63 | 100 | 90.26 | 91.76 |
传统GAN | 99.63 | 99.63 | 100 | 97.75 | 99.25 |
所提方法 | 99.63 | 99.63 | 100 | 99.25 | 100 |
表3 故障1-5分别为少数样本时的诊断准确率 %
Table 3 Diagnosis accuracy when Faults 1-5 are minority samples
对比方法 | 诊断准确率 | ||||
---|---|---|---|---|---|
故障1 | 故障2 | 故障3 | 故障4 | 故障5 | |
随机过采样 | 99.25 | 98.88 | 100 | 89.14 | 98.88 |
SMOTE | 99.63 | 99.63 | 100 | 89.89 | 93.26 |
ADASYN | 99.63 | 99.63 | 100 | 90.26 | 91.76 |
传统GAN | 99.63 | 99.63 | 100 | 97.75 | 99.25 |
所提方法 | 99.63 | 99.63 | 100 | 99.25 | 100 |
状态 | 对比方法 | ||||
---|---|---|---|---|---|
随机过采样 | SMOTE | ADASYN | 传统GAN | 所提方法 | |
故障1 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
故障2 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
故障3 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
故障4 | 10.34 | 10.34 | 17.24 | 79.31 | 93.10 |
故障5 | 13.79 | 48.28 | 41.38 | 93.10 | 100 |
正常 | 100 | 100 | 100 | 90.98 | 100 |
整体 | 80.90 | 84.64 | 84.64 | 92.88 | 99.25 |
表4 故障4-5均为少数样本时的诊断准确率
Table 4 Diagnosis accuracy when Faults 4-5 are minority samples %
状态 | 对比方法 | ||||
---|---|---|---|---|---|
随机过采样 | SMOTE | ADASYN | 传统GAN | 所提方法 | |
故障1 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
故障2 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
故障3 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
故障4 | 10.34 | 10.34 | 17.24 | 79.31 | 93.10 |
故障5 | 13.79 | 48.28 | 41.38 | 93.10 | 100 |
正常 | 100 | 100 | 100 | 90.98 | 100 |
整体 | 80.90 | 84.64 | 84.64 | 92.88 | 99.25 |
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doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2019.07.003 |
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