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MMFSL: A Novel Multimodal Few-Shot Learning Framework for Fault Diagnosis of Industrial Bearings

计算机科学 断层(地质) 可靠性(半导体) 数据挖掘 时间序列 一致性(知识库) 过程(计算) 数据质量 数据建模 故障检测与隔离 时域 频道(广播) 频域 系列(地层学) 人工智能 可靠性工程 模式识别(心理学) 机器学习 工程类 计算机视觉 公制(单位) 功率(物理) 运营管理 物理 量子力学 数据库 地震学 执行机构 地质学 操作系统 古生物学 生物 计算机网络
作者
Lan Cheng,An Zhao,Yuanjun Guo,Mifeng Ren,Zhile Yang,Seán McLoone
出处
期刊:IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:72: 1-13 被引量:10
标识
DOI:10.1109/tim.2023.3289549
摘要

Unbalanced data with very few samples for special abnormal conditions frequently occur in actual production processes, which can make accurate monitoring of the process state challenging.This paper proposes a multi-modal few-shot learning method (MMFSL) within a fault diagnosis framework for unbalanced data modelling of industrial bearings.MMFSL can handle two modes of data and therefore contains two data generation channels.The first channel deals with time series data and the second deals with images.The two modes of generated data are then evaluated using the MMFSL evaluation modules, IEI (image evaluation index) and TEI (time series evaluation index), to guarantee the quality of the generated data.In addition, the time series data are analyzed in the time-frequency domain to ensure the consistency of the frequency distribution.Original unbalanced and insufficient data samples are expanded so that the fault diagnosis model can be trained adequately.Through experiments using data from Case Western Reserve University(CWRU) and Pardborn University(PU), generated data by using the MMFSL model can increase fault detection accuracy from 80.9% to 97.5%.At the same time, false alarms rate can be reduced significantly from 4.6% to 0.1%.Moreover, fault classification model accuracy can reach 98.1% compared to 95.4% for the original time series dataset, and 99.3% compared with 96.5% for the image data extension.Various visualizations of comparison results are also provided to show the reliability of the MMFSL framework.
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