Few-shot working condition recognition of pumping units based on physics-informed prototype network

计算机科学 背景(考古学) 人工智能 一致性(知识库) 人工神经网络 一般化 GSM演进的增强数据速率 特征(语言学) 先验与后验 机器学习 维恩图 网络体系结构 断层(地质) 特征提取 可靠性(半导体) 集合(抽象数据类型) 抽油杆 面子(社会学概念) 基线(sea) 学习迁移 知识库 状态监测 工程类 状态维修 领域知识 上下文模型 数据挖掘 知识转移 面部识别系统 深度学习 结构化预测 直线(几何图形) 模式识别(心理学) 控制工程
作者
Zhizhou Zhu,Dongying Han,Z Y Liu,Lei Ye,Qishen Tian,Peiming Shi
出处
期刊:Engineering research express [IOP Publishing]
卷期号:8 (13): 135225-135225
标识
DOI:10.1088/2631-8695/ae7f80
摘要

Abstract In the context of intelligent oilfield operation and maintenance, the accurate recognition of pumping unit working conditions is crucial for ensuring production safety and efficiency. However, practical scenarios face challenges such as scarce labeled samples, imbalanced fault categories, and limited computational resources on edge devices, which constrain the application of deep learning methods. To address this, this paper proposes a lightweight working condition diagnosis method that integrates physical prior knowledge and few-shot learning—the physics-informed prototypical network (PIPK). This method builds a few-shot classification framework based on the prototypical network and embeds, as hard constraints into the feature learning process, the Gibbs one-dimensional wave equation describing the dynamic behavior of the sucker rod system and the mechanical model of polished rod load, thereby enhancing the model’s physical consistency and generalization capability. To further meet the requirements for edge deployment, an improved knowledge distillation architecture is designed to transfer knowledge from the complex teacher model containing physical information to a lightweight MobileNetV2 student network. Experiments on a real indicator diagram dataset show that PIPK achieves an average accuracy of 95.07% and an F 1 score of 94.46% using only 5 support samples per class, significantly outperforming existing few-shot learning methods.
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