A class-aware supervised contrastive learning framework for imbalanced fault diagnosis

计算机科学 班级(哲学) 人工智能 机器学习 断层(地质) 监督学习 半监督学习 自然语言处理 人工神经网络 地质学 地震学
作者
Jiyang Zhang,Jianxiao Zou,Zhiheng Su,Jianxiong Tang,Yuhao Kang,Hongbing Xu,Zhiliang Liu,Shicai Fan
出处
期刊:Knowledge Based Systems [Elsevier BV]
卷期号:252: 109437-109437 被引量:43
标识
DOI:10.1016/j.knosys.2022.109437
摘要

Deep learning-based fault diagnosis models constructed from imbalanced datasets would meet severe performance degradation when the number of samples for fault classes is much smaller than the normal category. Recent feature-learning-based methods have shown that learning the discriminative feature representation helps construct the well-performing fault classifier in imbalanced fault diagnosis. However, these methods have limited discriminative feature extraction abilities when applying them to a more practical but not well-studied class-imbalance scenario, where only the normal condition has a large amount of data while sample sizes of all fault classes are small. To address this issue, a novel feature-learning-based method called Class-aware Supervised Contrastive Learning (CA-SupCon) is proposed. Supervised contrastive learning (SupCon) is adopted for the first time in imbalanced fault diagnosis to optimize the feature difference between any two classes by leveraging category information. Additionally, a class-aware sampler (CA) is designed to rebalance data distribution within each mini-batch during training, which improves the ability of SupCon to enlarge the feature distance between any two minority fault conditions. By effectively integrating SupCon and CA, the proposed CA-SupCon framework can obtain a more discriminative feature space with better intra-class compactness and inter-class separability, and achieves good performance under the above class-imbalance scenario. Extensive experiments on two open-source datasets demonstrate the effectiveness of the proposed method. Code is available at https://github.com/JiyangZhang-UESTC/CA-SupCon .
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