FFT-Trans: Enhancing Robustness in Mechanical Fault Diagnosis With Fourier Transform-Based Transformer Under Noisy Conditions

快速傅里叶变换 频域 稳健性(进化) 计算机科学 时域 断层(地质) 特征提取 电子工程 人工智能 工程类 算法 计算机视觉 基因 生物化学 化学 地震学 地质学
作者
Xiaoyu Luo,Huan Wang,Te Han,Ying Zhang
出处
期刊:IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:73: 1-12 被引量:62
标识
DOI:10.1109/tim.2024.3381688
摘要

A fast and effective fault diagnosis system is crucial for ensuring complex mechanical equipment’s safe and reliable operation. Deep learning has shown promising prospects in fault diagnosis applications, but existing algorithms have limitations in frequency analysis and long-time sequence feature encoding, which greatly restricts the practical application of deep models in the diagnosis field. This paper proposes a Transformer framework based on Fast Fourier Transform (FFT), called FFT-Trans, for mechanical fault diagnosis to overcome these limitations. FFT-Trans creatively extends the global information interaction mechanism of the Transformer from the time domain to the frequency domain, thereby realizing global correlation encoding in the frequency domain and mining hidden fault features. Specifically, we replace the self-attention layer in the Transformer with the global frequency encoding layer, and use learnable filters for global information exchange and better multi-scale fusion. This approach can transform different types of signals into frequency components for analysis. By analyzing different frequency components in the frequency domain, the fault type and location appearing in the signal can be more accurately determined. In addition, it can fully extract the inherent connection between the vibration signal and the fault, achieving more comprehensive fault detection. We conducted experiments on the high-speed aviation bearings dataset and motor bearing dataset to validate the proposed method. The experimental results show that FFT-Trans has better performance compared to existing deep diagnostic models, and still has considerable fault diagnosis performance in noisy environments.
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