LiConvFormer: A lightweight fault diagnosis framework using separable multiscale convolution and broadcast self-attention

计算机科学 稳健性(进化) 卷积神经网络 卷积(计算机科学) 计算机工程 人工智能 特征提取 分布式计算 嵌入式系统 人工神经网络 生物化学 化学 基因
作者
Shen Yan,Haidong Shao,Jie Wang,Xinyu Zheng,Bin Liu
出处
期刊:Expert Systems With Applications [Elsevier BV]
卷期号:237: 121338-121338 被引量:353
标识
DOI:10.1016/j.eswa.2023.121338
摘要

In recent studies, Transformer collaborated with convolution neural network (CNN) have made certain progress in the field of intelligent fault diagnosis by leveraging their respective advantages of global and local feature extraction. However, the multihead self-attention block used by Transformer and cross-channel convolution mechanism existing in CNN would make the collaborative models overly complex, leading to higher hardware requirements and limited industrial application scenarios. Therefore, this paper proposes a lightweight fault diagnosis framework called LiConvFormer to address the aforementioned challenges. First, a separable multiscale convolution block is designed to extract multilocal receptive field features of vibration signals and greatly reduce the learning parameters and computations. Second, a broadcast self-attention block is developed to capture critical fine-grained features within the signal's global scope, while avoiding cumbersome operations such as matrix multiplication and multidimensional exponentiation. Experimental results on three mechanical systems show that the proposed framework can accommodate advantages of lightweight and robustness compared to the recent Transformer and CNN-based fault diagnosis methods; moreover, the superiority of the above two blocks is also verified. The code library is available at: https://github.com/yanshen0210/LiConvFormer-a-lightweight-fault-diagnosis-framework.
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