PC-CIL: a physical consistency class-incremental learning framework for fault diagnosis of rotating machinery under variable operating conditions

计算机科学 稳健性(进化) 人工智能 一致性(知识库) 机器学习 故障检测与隔离 特征选择 断层(地质) 数据挖掘 变量(数学) 水准点(测量) 特征学习 特征(语言学) 统计假设检验 方位(导航) 可靠性(半导体) 采样(信号处理) 代表(政治) 状态监测 杠杆(统计) 物理系统 遗忘 边界判定 特征提取 一般化 不确定度量化 特征向量 假警报 判别式 成对比较 冗余(工程) Boosting(机器学习)
作者
Xin Fan,Wenbin Liu,Quan Chen,Shaoyi Bei,Jiangyi Han,Zixu Liu,Y. G. Li
出处
期刊:Measurement Science and Technology [IOP Publishing]
卷期号:37 (43): 436201-436201
标识
DOI:10.1088/1361-6501/aeb39d
摘要

Abstract When rotating machinery encounters a continuous flow of new fault categories under variable operating conditions, traditional deep learning-based diagnostic methods fail to handle feature distribution shifts and suffer from catastrophic forgetting, significantly compromising long-term monitoring reliability. To address this problem, we propose a physical consistency class-incremental learning (PC-CIL) framework. Physical consistency representation learning serves as the model backbone, incorporating universal physical statistical features as prior constraints to bridge the gap between data-driven models and physical laws. We then introduce a pseudo-sample generation mechanism based on prototype boundary sampling and confidence filtering to tackle data isolation in incremental scenarios. The generated pseudo-samples enable a hybrid replay strategy to dynamically update decision boundaries while suppressing negative transfer with low computational overhead. To mitigate catastrophic forgetting, we implemented a topology-preserving relational knowledge distillation approach, thus facilitating the structural consistency of the feature space. Experimental results on two publicly available benchmark datasets, namely the HUST and CWRU bearing datasets, as well as a self-built bearing dataset, demonstrate that PC-CIL consistently maintains high diagnostic accuracy while effectively mitigating catastrophic forgetting during sequential fault-category expansion. The consistent improvements across different bearing types, test rigs, sampling systems, and operating conditions further verify the robustness and generalization capability of the proposed framework.

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