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Evidence Convolutional Model for Fault Diagnosis: Uncertainty-Aware Deep Learning With Evidence Theory

深度学习 人工智能 计算机科学 断层(地质) 卷积(计算机科学) 杠杆(统计) 特征学习 卷积神经网络 特征(语言学) 特征提取 噪音(视频) 数据挖掘 稳健性(进化) 过度自信效应 模式识别(心理学) 主观逻辑 代表(政治) 机器学习 数据建模 一般化 算法 水准点(测量) 特征工程 噪声测量 人工神经网络 功能(生物学) 可靠性(半导体) 不确定度量化
作者
Dewei Huang,Yanzhu Zhang,Fuyi Qu
出处
期刊:IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:74: 1-12 被引量:1
标识
DOI:10.1109/tim.2025.3618733
摘要

With the rapid advancement of deep learning (DL) technology, data-driven fault diagnosis methods, particularly those that leverage convolutional neural networks (CNNs) for feature extraction, have demonstrated the potential to achieve high accuracy through end-to-end learning. However, most deep learning-based models cannot estimate the uncertainty of diagnostic results, which is crucial in practical applications, especially when encountering out-of-distribution (OOD) data. To address this issue, this paper proposes an Evidence One-Dimensional Convolutional Model (EODCM), which integrates evidence theory with multilayer one-dimensional convolution (ODC) for fault diagnosis. By introducing additional uncertainty estimation capabilities into the convolutional model, EODCM not only achieves high fault diagnosis accuracy but also provides uncertainty quantification for its predictions. Specifically, the proposed method treats the predictions of the ODC as subjective evidence and imposes a Dirichlet distribution on class probabilities, enabling effective evidence collection from data during training. Additionally, a specific loss function based on evidence theory is employed to enhance the uncertainty estimation capability of the model. To further improve generalization performance, a feature fusion strategy is adopted to integrate multi-view information, enriching the feature representation of one-dimensional data. Experimental validation on a gearbox fault diagnosis case from Southeast University demonstrates that EODCM effectively estimates predictive uncertainty and reduces overconfidence by 16.90% when facing OOD data. Furthermore, the proposed method maintains robust performance under varying noise conditions, highlighting its great potential for practical applications.
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