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Filter-Informed Spectral Graph Wavelet Networks for Multiscale Feature Extraction and Intelligent Fault Diagnosis

小波 计算机科学 模式识别(心理学) 特征提取 小波变换 人工智能 算法 平滑的 图形 理论计算机科学 计算机视觉
作者
Tianfu Li,Chuang Sun,Olga Fink,Yuangui Yang,Xuefeng Chen,Ruqiang Yan
出处
期刊:IEEE transactions on cybernetics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:54 (1): 506-518 被引量:35
标识
DOI:10.1109/tcyb.2023.3256080
摘要

Intelligent fault diagnosis has been increasingly improved with the evolution of deep learning (DL) approaches. Recently, the emerging graph neural networks (GNNs) have also been introduced in the field of fault diagnosis with the goal to make better use of the inductive bias of the interdependencies between the different sensor measurements. However, there are some limitations with these GNN-based fault diagnosis methods. First, they lack the ability to realize multiscale feature extraction due to the fixed receptive field of GNNs. Second, they eventually encounter the over-smoothing problem with increase of model depth. Finally, the extracted features of these GNNs are hard to understand due to the black-box nature of GNNs. To address these issues, a filter-informed spectral graph wavelet network (SGWN) is proposed in this article. In SGWN, the spectral graph wavelet convolutional (SGWConv) layer is established upon the spectral graph wavelet transform, which can decompose a graph signal into scaling function coefficients and spectral graph wavelet coefficients. With the help of SGWConv, SGWN is able to prevent the over-smoothing problem caused by long-range low-pass filtering, by simultaneously extracting low-pass and band-pass features. Furthermore, to speed up the computation of SGWN, the scaling kernel function and graph wavelet kernel function in SGWConv are approximated by the Chebyshev polynomials. The effectiveness of the proposed SGWN is evaluated on the collected solenoid valve dataset and aero-engine intershaft bearing dataset. The experimental results show that SGWN can outperform the comparative methods in both diagnostic accuracy and the ability to prevent over-smoothing. Moreover, its extracted features are also interpretable with domain knowledge.
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