Python轴承故障诊断 (18)基于CNN-TCN-Attention的创新诊断模型

news2024/11/26 14:55:28

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CNN-TCN-Attention模型：

输入数据维度为[32, 1, 1024], 先送入CNN网络进行1d的卷积池化提取空间特征，然后把卷积池化后的特征送入TCN层提取时序特征，最后通过自注意力进行多尺度特征融合，最终送入全连接层和softmax进行分类诊断。

前言

本文基于凯斯西储大学（CWRU）轴承数据，先经过数据预处理进行数据集的制作和加载，最后通过Pytorch实现CNN-TCN-Attention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_load(hp)-CSDN博客

1 轴承数据加载与预处理

1.1 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

1.2 数据预处理，制作数据集

2 基于Pytorch的CNN-TCN-Attention创新诊断模型

2.1 定义CNN-TCN-Attention分类网络模型

2.2 设置参数，训练模型

50个epoch，准确率将近98%，CNN-TCN-Attention网络分类效果显著，CNN-TCN-Attention模型能够充分提取轴承故障信号的多尺度特征，收敛速度快，性能特别优越，效果明显。

注意调整参数：

可以适当增加 TCN层数和每层维度数，微调学习率；
微调CNN层数和每层神经元个数，增加更多的 epoch （注意防止过拟合）
可以改变一维信号堆叠的形状（设置合适的长度和维度）

2.3 模型评估

准确率、精确率、召回率、F1 Score

故障十分类混淆矩阵：

代码、数据如下：

对数据集和代码感兴趣的，可以关注最后一行

# 加载数据
import torch
from joblib import dump, load
import torch.utils.data as Data
import numpy as np
import pandas as pd
import torch
import torch.nn as nn
# 参数与配置
torch.manual_seed(100)  # 设置随机种子，以使实验结果具有可重复性
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
 
#代码和数据集：https://mbd.pub/o/bread/ZZ2Wm5Zs