交叉注意力融合时域、频域特征的FFT + CNN-Transformer-CrossAttention轴承故障识别模型

news2024/9/21 16:38:03

往期精彩内容：

前言

1 快速傅里叶变换FFT原理介绍

第一步，导入部分数据

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

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

3.2 Cross-attention算法

4 基于FFT+CNN-Transformer-CrossAttention的轴承故障识别模型

4.1 网络定义模型

4.2 设置参数，训练模型

4.3 模型评估

代码、数据如下：

创新点：利用交叉注意力机制融合模型！

往期精彩内容：

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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。

对时域信号应用FFT，将信号转换到频域。
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

时域和频域特征提取：
Transformer 编码器层：
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

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