WCFormer: A wavelet-enhanced CNN-transformer hybrid network for bearing fault diagnosis using multi-sensor signal fusion

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作者
xichuan cao,Zenggui Gao,Hongjiang Lu,Jingwei Tang,Yuyan Yao,Lilan Liu
出处
期刊:Journal of Computational Design and Engineering [Oxford University Press]
卷期号:12 (9): 82-100
标识
DOI:10.1093/jcde/qwaf080
摘要

Abstract Bearings are core components of rotating machinery, and their failures can cause significant production accidents. Current multi-source data fusion methods and independent network architectures show limited diagnostic performance on small and medium-sized datasets. To address multi-sensor data fusion and feature extraction in bearing fault diagnosis, we propose MCWT-WCFormer, a lightweight convolution-Transformer hybrid network with three key modules: multi-channel wavelet transform (MCWT), channel-spatial attention net (CSAN), and wave-convolution and attention fusion net (WAFN). (1) MCWT transforms multi-source signals into grayscale images through wavelet transform, stacks them into RGB format, integrating time-frequency information. (2) CSAN generates spatial and channel information descriptors and dynamically weights feature maps. (3) WAFN extracts high-frequency features of the Transformer’s Key by introducing wavelet transform convolution, realizing joint learning of local-global features. MCWT-WCFormer optimizes efficiency and performance by leveraging the inductive bias of convolutional neural network and the scalability of the Transformer. Cross-evaluated on HUST-gearbox (Huazhong University of Science and Technology gearbox) and SHU-TSTB (Shanghai University Transmission Simulation Test Bench) datasets, MCWT-WCFormer achieves 98.12% ± 0.17% and 98.03% ± 0.12% accuracy, respectively, with a single sample diagnosis time of about 4.2 ms while having the lowest complexity (43.25 GFLOPs) and parameters (5.91 M). It can be integrated into industrial digital twin systems cost-effectively while supporting new metrics like cyclic-correntropy. It is extendable to rotating machinery health management like steam turbines and wind turbine gearboxes.
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