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Multiscale Residual Attention Convolutional Neural Network for Bearing Fault Diagnosis

判别式 卷积神经网络 残余物 计算机科学 模式识别(心理学) 人工智能 特征提取 特征(语言学) 核(代数) 断层(地质) 深度学习 算法 数学 哲学 地质学 地震学 组合数学 语言学
作者
Linshan Jia,Tommy W. S. Chow,Yu Wang,Yixuan Yuan
出处
期刊:IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:71: 1-13 被引量:95
标识
DOI:10.1109/tim.2022.3196742
摘要

Convolutional Neural Networks (CNNs) have demonstrated promising effectiveness in vibration-based fault diagnosis. However, the faulty characteristics are usually distributed on different scales and contaminated by noises from various sources. Therefore, it is still a challenging task for traditional CNNs to efficiently extract multiscale features and suppress unrelated noises in vibrational signals. In this paper, a novel fault diagnosis framework called multiscale residual attention CNN (MRA-CNN) is proposed to learn discriminative multiscale features from vibrational signals and fully utilize the multiscale features to reduce noises. First, the raw vibrational signals are fed into the multiscale learning module (MLMod) to obtain multi-channel feature maps generated with different kernel sizes. Second, the feature maps are passed through an efficient residual attention module (RAMod) to get the attention mask for weighing all locations of different channels of the multiscale feature maps to denoise. Third, to mitigate the information loss in attention, a new strategy called residual attention learning (RAL) is proposed to improve the feature extraction ability of RAMod, in which the learned attention mask itself is also regarded as feature maps by a shortcut connection. Experimental validation is conducted on two bearing datasets. The results show that the proposed method can learn more effective features from vibrational signals and deliver much higher accuracy than the seven state-of-the-art methods under highly noisy environments.
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