1 模型創(chuàng)新點(diǎn)介紹

1.1 時序特征捕捉與建模

使用Informer的編碼器層來捕捉長故障信號時序依賴特征

• 長時間序列處理：傳統(tǒng)的RNN和LSTM等方法在處理長時間序列時存在計算效率低、梯度消失等問題。Informer通過改進(jìn)Transformer架構(gòu)，使用ProbSparse Self-Attention機(jī)制，有效地提高了計算效率，特別是對于長時間序列數(shù)據(jù)。
• 全局特征提取：通過多頭注意力機(jī)制，Informer能夠捕捉序列數(shù)據(jù)中的全局特征和長時間依賴關(guān)系，確保對故障信號的時序特征進(jìn)行全面建模。

1.2 概率稀疏注意力機(jī)制（ProbSparse Self-attention）

概率稀疏自注意力是Informer模型中引入的一種稀疏自注意力機(jī)制。其核心思想是通過概率方法選擇最重要的一部分注意力權(quán)重進(jìn)行計算，而忽略那些對結(jié)果影響較小的權(quán)重。這種方法能夠顯著降低計算復(fù)雜度，同時保持較高的模型性能。

• 稀疏自注意力：不同于標(biāo)準(zhǔn) Transformer 的密集自注意力機(jī)制，Informer 引入了 ProbSparse Self-attention，通過概率抽樣機(jī)制選擇重要的 Q-K 對進(jìn)行計算，減少了計算復(fù)雜度。
• 效率提升：稀疏注意力機(jī)制顯著降低了計算復(fù)雜度，從 O(L2?d) 降低到 O(L?log(L)?d)，其中 L 是序列長度，d 是每個時間步的特征維度。

1.3 多尺度特征提取-信息蒸餾

Informer的架構(gòu)圖并沒有像Transformer一樣在Encoder的左邊標(biāo)注來表示N個Encoder的堆疊，而是一大一小兩個梯形。橫向看完單個Encoder（也就是架構(gòu)圖中左邊的大梯形，是整個輸入序列的主堆棧）。

Encoder的作用是Self-attention Distilling，由于ProbSparse自相關(guān)機(jī)制有很多都是用V的mean填充的，所以天然就存在冗余的attention sorce ,因此在相鄰的Attention Block之間應(yīng)用卷積與池化來對特征進(jìn)行下采樣，所以作者在設(shè)計Encoder時，采用蒸餾的操作不斷抽取重點(diǎn)特征，從而得到值得重點(diǎn)關(guān)注的特征圖。

• 多尺度時間序列特征提?。篒nformer 通過多尺度的方式對不同時間粒度的特征進(jìn)行建模，可以更好地捕捉時間序列中的多尺度依賴關(guān)系。
• 信息蒸餾：引入了信息蒸餾機(jī)制，通過層次化的時間卷積池化層逐步縮減時間步長，提取不同尺度的特征，實(shí)現(xiàn)長時間依賴的高效建模。
• 卷積降維：在編碼器中使用1D卷積池化層進(jìn)行降維，步長為2，使得序列長度減半，進(jìn)一步減少計算復(fù)雜度。
• 信息壓縮：通過卷積池化層進(jìn)行信息壓縮，將長序列信息濃縮到較短的時間步長中，從而更高效地進(jìn)行時序建模。

1.4 特征增強(qiáng)與融合

在Informer的編碼器層結(jié)合SENet進(jìn)行特征增強(qiáng)

• 自適應(yīng)特征校準(zhǔn)：SENet通過Squeeze-and-Excitation模塊，對每個通道的特征進(jìn)行自適應(yīng)權(quán)重調(diào)整，增強(qiáng)重要特征，抑制無關(guān)或冗余特征。這種機(jī)制可以提升模型對故障信號關(guān)鍵特征的敏感度，提高故障診斷的準(zhǔn)確性。
• 通道間依賴建模：SENet能夠捕捉不同通道特征之間的關(guān)系，通過重新校準(zhǔn)特征通道的權(quán)重，使得模型能夠更加有效地融合多通道信息，提升整體特征表達(dá)能力。

1.5 麻雀優(yōu)化算法搜索參數(shù)

通過SSA，能夠在較大的參數(shù)空間中高效地找到最優(yōu)參數(shù)組合，增強(qiáng)模型的診斷能力和泛化性能。

參數(shù)優(yōu)化的必要性

• 參數(shù)空間復(fù)雜性：Informer-SENet模型包含多個超參數(shù)，如學(xué)習(xí)率、隱藏層維度、注意力頭數(shù)、編碼器層數(shù)等，這些參數(shù)對模型性能有顯著影響。
• 人工調(diào)參的局限性：人工調(diào)參耗時耗力，且難以保證找到全局最優(yōu)參數(shù)組合。

更多詳細(xì)內(nèi)容參考講解視頻！

2 軸承數(shù)據(jù)加載與預(yù)處理

2.1 導(dǎo)入數(shù)據(jù)

參考之前的文章，進(jìn)行故障10分類的預(yù)處理，凱斯西儲大學(xué)軸承數(shù)據(jù)10分類數(shù)據(jù)集：

train_set、val_set、test_set 均為按照7：2：1劃分訓(xùn)練集、驗(yàn)證集、測試集，最后保存數(shù)據(jù)。

上圖是數(shù)據(jù)的讀取形式以及預(yù)處理思路。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理，制作數(shù)據(jù)集

3 麻雀優(yōu)化算法

3.1 麻雀優(yōu)化算法介紹

麻雀優(yōu)化算法（Sparrow Search Algorithm，簡稱SSA）是一種基于自然界麻雀行為特點(diǎn)的優(yōu)化算法，它模擬了麻雀在覓食、遷徙和社交等行為中的優(yōu)化策略。該算法在解決多種優(yōu)化問題方面展現(xiàn)出了良好的性能。

麻雀優(yōu)化算法的基本思想是通過模擬麻雀的覓食行為，不斷優(yōu)化搜索空間中的解。算法的過程可以分為覓食行為、遷徙行為和社交行為三個階段。

(1). 覓食行為（Foraging Behavior）：麻雀在覓食時會選擇距離較近且具有較高適應(yīng)度的食物源。在算法中，解空間中的每個個體被看作是一個食物源，具有適應(yīng)度評價值。麻雀通過選擇適應(yīng)度較高的個體來尋找更優(yōu)的解。

(2). 遷徙行為（Migration Behavior）：當(dāng)麻雀在一個食物源周圍搜索一段時間后，如果沒有找到更優(yōu)的解，它們會選擇離開當(dāng)前食物源，前往其他食物源繼續(xù)尋找。在算法中，個體之間的位置信息會發(fā)生變化，以模擬麻雀的遷徙行為。

(3). 社交行為（Social Behavior）：麻雀在覓食時會通過與其他麻雀的交流來獲取更多的信息，從而提高自己的覓食效率。在算法中，個體之間通過交換信息來改善自身的解，并且更新解空間中的最優(yōu)解。

3.2 基于Python的麻雀優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)

3.3 麻雀優(yōu)化算法-超參數(shù)尋優(yōu)過程

麻雀優(yōu)化算法具有簡單易實(shí)現(xiàn)、全局尋優(yōu)能力和自適應(yīng)性等特點(diǎn)，適用于解決組合優(yōu)化問題。我們通過麻雀優(yōu)化算法來進(jìn)行Informer-SENet模型的超參數(shù)尋優(yōu)。

通過設(shè)置合適的種群規(guī)模和優(yōu)化迭代次數(shù)，我們在給定的超參數(shù)范圍內(nèi)，搜索出最優(yōu)的參數(shù)。

4 基于Pytorch的SSA-Informer-SENet創(chuàng)新診斷模型

4.1 定義SSA-Informer-SENet分類網(wǎng)絡(luò)模型

4.2 設(shè)置參數(shù)，訓(xùn)練模型

50個epoch，準(zhǔn)確率100%，SSA-Informer-SENet網(wǎng)絡(luò)分類效果顯著，模型能夠充分提取軸承故障信號的多尺度特征，收斂速度快，性能特別優(yōu)越，效果明顯。

4.3 模型評估

準(zhǔn)確率、精確率、召回率、F1 Score

故障十分類混淆矩陣：

其他效果展示：

（1）模型訓(xùn)練可視化

（2）分類標(biāo)簽可視化

（3）原始數(shù)據(jù) t-SNE特征可視化

（4）模型訓(xùn)練后的 t-SNE特征可視化：

圖片

本文轉(zhuǎn)載自 ??建模先鋒??，作者： 小蝸愛建模