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Knowledge Distillation-Guided Cost-Sensitive Ensemble Learning Framework for Imbalanced Fault Diagnosis

计算机科学 蒸馏 集成学习 人工智能 机器学习 断层(地质) 化学 有机化学 地震学 地质学
作者
Shuaiqing Deng,Zihao Lei,Guangrui Wen,Zhaojun Li,Yongchao Zhang,Ke Feng,Xuefeng Chen
出处
期刊:IEEE Internet of Things Journal [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:11 (13): 23110-23122 被引量:30
标识
DOI:10.1109/jiot.2024.3387741
摘要

In industrial scenarios, mechanical faults are episodic and uncertain. Thus the monitoring data collected is usually extremely imbalanced, resulting in intelligent diagnostic models that suffer from majority-class dominance, minority-class overfitting, and poor generalization performance. Therefore, a knowledge distillation-guided cost-sensitive ensemble learning framework is proposed. It effectively combines ensemble learning and cost-sensitive learning to fully extract the multiscale features, effectively leverage the critical multi-depth features, and emphasize classifying the most confusing classes. Specifically, multiple-scale feature extraction and multi-order fusion are first employed to fully utilize the fault information. Afterward, the complementary diagnostic knowledge at different depths of the network is embedded into a novel ensemble learning process for better integration decisions. Then an improved knowledge distillation method achieves the mutual transfer and sublimation of excellent diagnostic knowledge while focusing on the most confusing fault classes to achieve the effective representation of various types of faults. Finally, a cost-sensitive strategy is applied to further increase attention to minority classes. The experimental results for various complex data imbalance scenarios, including extreme imbalance, step imbalance, continuous imbalance, interclass imbalance, and intra-class imbalance, all indicate that the proposed method can achieve state-of-the-art performance and provide a promising solution for the practical industrial application of intelligent diagnostic methods.
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