1.一种基于元迁移学习的变工况轴承故障诊断方法,其特征在于包括如下步骤:S1:利用传感器采集不同运行状态下轴承的原始振动信号,利用滑动窗口将信号进行等长截断,对分段后的信号进行快速傅里叶变换,得到振动信号的频谱;
S2:将数据集按照不同工况划分为源域、目标域,其中源域与目标域均包含支撑集与查询集;
S3:将元学习方法与迁移学习方法进行结合,构建基于元迁移学习的关系网络‑深度子领域自适应RN‑DSAN模型;
S4:将源域数据与目标域数据输入RN‑DSAN模型中,将关系网络所得分类损失与LMMD模块所得LMMD损失之和作为模型总的损失函数值,利用反向传播算法进行迭代训练,获取模型参数;
S5:将目标域数据输入训练好的RN‑DSAN模型,从而得到目标域样本的故障类型;
所述RN‑DSAN模型包括:嵌入模块、关系模块和LMMD模块,所述嵌入模块用于提取输入频谱的特征表示,所述关系模块用于计算两个频谱特征表示之间的关系得分,所述LMMD模块用于通过局部最大平均差异LMMD方法将标签相同的源域样本和目标域样本投射到同一特征空间,并进行对齐,使两个域的条件分布相同;
所述嵌入模块共11层,包括4个深度可分离卷积模块、4个ShuffleAttention层和3个池化层,其中第1层,第4层,第7层,第9层为卷积模块;第2层,第5层,第8层,第10层为ShuffleAttention层;第3层,第6层为最大池化层;第1层为自适应最大池化层;
所述关系模块共6层,包括2个卷积模块、2个池化层和2个全连接层;其中,第1层,第3层为卷积模块;第2层,第4层为最大池化层;第5层,第6层为全连接层;第5层全连接层的神经元个数为1*8,第6层全连接层的神经元个数为1*1;
所述LMMD模块定义如下:
S,Q T,Q (C) (C)
式中,x 是源域样本,x 是目标域样本,E代表数学期望,p 和q 分别是源域和目标域中C类的分布,H是有定义的核函数k(·,·)产生的再生核希尔伯特空间RKHS,Φ表示将原始数据映射到RKHS的特征映射;
设每个样本根据权重wc属于每个类别c,从而可以将LMMD的无偏估计量表示为:式中, 和 分别表示第i个源域样本 和第j个目标域样本 属于C类的权值,和 都等于1, 是类别C样本的加权和;
的计算公式如下:
式中,yic是向量yi的第c个元素,对于源域样本 使用真实的源域标签 的one‑hot编码来计算 对于无监督领域自适应中的每个未标记的目标领域样本 采用作为一种伪标签来计算目标样本的计算源域的特征向量 和目标域的特征向量 的LMMD距离如下:在网络的迭代过程中,通过使LMMD距离 最小化,可以缩小同一类别内相关子域的分布差异。
2.如权利要求1所述的基于元迁移学习的变工况轴承故障诊断方法,其特征在于,所述步骤S1具体包括如下步骤:S1‑1:利用传感器采集不同工况下的轴承一维原始振动信号;
S1‑2:设置滑动窗口的窗口大小为2N,滑动步长为s,对一维原始振动信号进行等长截断,每一段振动信号即为一个样本;
S1‑3:通过快速傅里叶变换得到振动信号的频谱,频谱长度为N。
3.如权利要求1所述的基于元迁移学习的变工况轴承故障诊断方法,其特征在于,步骤S2中数据集划分方式具体包括如下步骤:将数据集D划分为源域 与目标域 从源域数据
集DSource中的C个类别中分别选取K个样本,作为支撑集 是样本, 是类标签;从源域数据集DSource剩余样本中的C个类别中分别选取的K′个样本作为查询集 当每次支撑集抽取的类别数为C,每类样本数量为K时,称为C‑way K‑shot问题;
从目标域数据集DTarget中的C个类别中分别选取K个样本,作为支撑集从目标域数据集Dtarget剩余样本中的C个类别中分别选取的K′个样本作为查询集
4.如权利要求1所述的基于元迁移学习的变工况轴承故障诊断方法,其特征在于:分类损失函数计算公式如下:
式中:N为查询集样本数量,I()表示相应的标签函数,如果样本xj的真实类别等于c时,等于1,否则等于0;ric表示样本xi属于类别c的预测概率;
LMMD损失函数计算公式如下:
式中: 为域自适应损失;
总损失函数计算公式如下:
Ltotal=Lclass+λLlmmd
式中:λ>0是领域自适应损失系数,主要被用来权衡自适应损失和分类损失。
5.如权利要求1所述的基于元迁移学习的变工况轴承故障诊断方法,其特征在于,得到所述RN‑DSAN模型参数的方法包括如下步骤:(1)将源域样本 与目标域样本 输入到嵌入模块
得到源域与目标域样本的特征表示
(2)将源域的每个类别的支撑集特征表示 求取均值,得到源域每个类别的类原型并将目标域的每个类别的支撑集特征 表示求取均值,得到目标域每个类别的类原型 其中 与
标签为c的源域与目标域的类原型,c∈{1,2,...,C},C为类别数量,Sc表示源域中支撑集 标签为c的K个样本,Tc表示目标域中支撑集 标签为c的K个样本;
(3)将源域的类原型 依次与查询集的特征表示 拼接在一起,得到拼接后的特征表示 并将目标域的类原型 与查询集的特征表示 拼接在一起,得到拼接后的特征表示 其中,Z(,)表示特征拼接;
(4)将源域拼接后的特征表示 目标域拼接后的特征表示 分别输入到关系模块gφ(·)中,通过关系模块分别生成相应的关系得分:式中: 表示源域样本 与类别为c的类原型之间的关系得分, 表示目标域样本与类别为c的类原型之间的关系得分,关系得分的取值范围为0~1;
根据所得关系得分得到源域查询集样本的预测分类结果 与目标域查询集样本的预测分类结果 即伪标签,并通过交叉熵损失函数计算得到源域查询集样本的分类损失Lclass;
(5)将源域查询集的特征表示 目标域查询集的特征表示 源域查询集标签和目标域查询集的伪标签 输入到LMMD模块,计算得到LMMD损失Llmmd;
(6)将源域查询集的分类损失Lclass、LMMD损失Llmmd加权相加作为总损失Ltotal,利用BP反向传播算法进行训练,直到模型收敛,得到模型参数。
6.如权利要求1所述的基于元迁移学习的变工况轴承故障诊断方法,其特征在于:利用训练好的RN‑DSAN模型识别轴承故障类型的方法包括如下:(1)将目标域的支撑集样本 与查询集样本
输入训练好的嵌入模块 得到支撑集与查询集的特征表示(2)将目标域的每个类别的支撑集特征 表示求取均值,得到目标域每个类别的类原型(3)将目标域的类原型 依次与查询集的特征表示 拼接在一起,得到拼接后的特征表示(4)将目标域拼接后的特征表示 输入到关系模块gφ(·)中,通过关系模块分别生成相应的关系得分 得到目标域查询集样本的预测分类结果实现故障诊断。