PI-DBN 在滾動軸承故障診斷中的研究

肖楊，李亞，王海瑞，常夢容

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院）

0 引言

滾動軸承作為一種十分重要的零部件，廣泛應(yīng)用于機械設(shè)備內(nèi)部。當(dāng)今滾動軸承的重要性越來越明顯，其工作精度和可靠度對設(shè)備整體的運行狀態(tài)都有關(guān)鍵性影響，使軸承故障診斷系統(tǒng)精度越來越高是故障診斷研究的主要方向[1]。

近年來，隨著GPU 的快速發(fā)展及大數(shù)據(jù)時代的來臨，深度信念網(wǎng)絡(luò)（DBN）已席卷人工智能各個領(lǐng)域[2]。熊景鳴[3]等將深度信念網(wǎng)絡(luò)與粒子群優(yōu)化支持向量機相結(jié)合提高了故障診斷的準(zhǔn)確率；沈長青[4]等提出一種基于Nesterov 動量法的獨立自適應(yīng)學(xué)習(xí)率優(yōu)化的深度信念網(wǎng)絡(luò)，引入Nesterov 動量法代替?zhèn)鹘y(tǒng)動量法預(yù)測參數(shù)下降的位置，控制參數(shù)達到最優(yōu)點的速度，避免了傳統(tǒng)動量法引起的錯過最優(yōu)點問題；楊宇[5]等提出結(jié)構(gòu)自適應(yīng)深度信念網(wǎng)絡(luò)（SADBN），當(dāng)診斷對象確定后，該網(wǎng)絡(luò)可以排除人為因素的干擾，充分利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，自適應(yīng)地選取最優(yōu)深度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而可以有效提高診斷精度及診斷效率，滿足實時診斷的需求。

然而伴隨著深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的性能增加，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度越來越深,接踵而來的是深度網(wǎng)絡(luò)模型[6]的高存儲、高功耗以及深度學(xué)習(xí)模型效率低等問題，尤其是在低資源環(huán)境條件下，學(xué)習(xí)一個好的深度學(xué)習(xí)模型將產(chǎn)生規(guī)模巨大的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，計算和存儲成本也大大增加，最終導(dǎo)致花費巨大的時間代價。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，過參數(shù)化訓(xùn)練被認(rèn)為是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)必要一環(huán)，但Dong 等[7]指出，不是模型越深越復(fù)雜就能取得良好的分類性能，反而有可能出現(xiàn)過擬合、模型參數(shù)大多導(dǎo)致計算量大、脈沖強度消失等問題，因此過參數(shù)化訓(xùn)練并不顯得特別重要。

本文提出一種PI-DBN 在滾動軸承故障診斷中的研究方法。首先選取一個過參數(shù)化的深度信念網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在某些判別條件下，選取一些代表了整個模型的具有較高的訓(xùn)練價值的參數(shù)信息，而將剩余冗余的權(quán)值等信息進行刪除，期望壓縮后的模型能夠達到原始過參數(shù)化訓(xùn)練時一樣的效果；其次，將軸承故障數(shù)據(jù)輸入到模型中，運用剪枝算法對冗余權(quán)值進行壓縮；最后，分別用預(yù)定義目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和另外2 種剪枝算法進行對比性能分析。實驗結(jié)果表明，保留下來重要權(quán)值信息在整個模型訓(xùn)練中能達到一個較好的分類效果，整個模型在迭代過程中能夠較快地尋找到一個更加高效的模型結(jié)構(gòu)。

1 基本原理

1.1 深度信念網(wǎng)絡(luò)

深度信念網(wǎng)絡(luò)（DBN）是由多層受限玻爾茲曼機（RBM）堆疊而成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[8]，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

玻爾茲曼機有2 層神經(jīng)元，一層為顯層，將數(shù)據(jù)輸入；一層為隱層，對數(shù)據(jù)進行特征檢測[9]。顯層和隱層之間通過權(quán)值互相連接，層內(nèi)的神經(jīng)元元間不存在連接。隱層單元被訓(xùn)練去捕捉在可視層表現(xiàn)出來的高階數(shù)據(jù)的相關(guān)性。RBM 是一個隨機網(wǎng)絡(luò)，描述一個隨機網(wǎng)絡(luò)主要有2 點：（1）概率分布函數(shù)：聯(lián)合概率密度、條件概率密度和邊緣概率密度。（2）能量函數(shù)：隨機神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)是統(tǒng)計力學(xué)，能量函數(shù)是描述整個狀態(tài)的一種測度。系統(tǒng)越有序或者概率分布越集中，系統(tǒng)能量越小，反之，越無序并且概率分布越發(fā)散，則系統(tǒng)能量越小。

RBM 可見層和隱含層之間的能量函數(shù)為

式中：i ——可見層節(jié)點數(shù)；j ——隱含層節(jié)點數(shù)。由能量函數(shù)可以得出可見層和隱含層之間的聯(lián)合概率密度為

通過聯(lián)合概率密度可以得到可見層的獨立分布為

此時得到一個含參數(shù)θ={w，b，c}的特殊Gibbs分布，根據(jù)聯(lián)合概率，可以得出條件概率為

由于同層之間神經(jīng)元沒有聯(lián)系，相互獨立，當(dāng)給定可見層神經(jīng)元狀態(tài)時，隱含層上某個神經(jīng)元沒激活的概率為

同理可得：

式中：sig——sigmoid 函數(shù)，sig（x）=1/（1+e-x）。

RBM 的訓(xùn)練目標(biāo)是讓Gibbs 分布最大可能地擬合輸入數(shù)據(jù)，即讓RBM 網(wǎng)絡(luò)表示的Gibbs 分布與輸入樣本的分布盡可能地接近，可用樣本分布和RBM 網(wǎng)絡(luò)的邊緣分布的KL 距離表示二者之間的差異性，KL 距離為

1.2 脈沖強度剪枝

脈沖強度（Spiking intensity，SI）是指一個神經(jīng)元對輸入其信號的反應(yīng)程度，表征的是該神經(jīng)元的活躍程度。如果一個神經(jīng)元的SI 較大，說明這個神經(jīng)元對輸入信號具有較為活躍的反應(yīng)；如果一個神經(jīng)元的SI 較小，說明這個神經(jīng)元對輸入信號的反應(yīng)較弱。SI 的表達式定義如下：

式中：α——一個正常數(shù)；Oi.l——第i 個隱含層中第i 個神經(jīng)元的輸出，i=1，2，3，…，Nl，且Nl是第l個隱含層的神經(jīng)元個數(shù)。——第l 個隱含層中第i 個神經(jīng)元的輸入權(quán)值之和，如式（10）所示。

式中：rij——第i 個神經(jīng)元的第j 個輸入；wij——第i 個神經(jīng)元與第j 個輸入神經(jīng)元之間的連接權(quán)值；ni——第i 個神經(jīng)元的所有輸入神經(jīng)元個數(shù)。

1.3 PI-DBN 剪枝流程

基于PI-DBN 的具體剪枝流程（參見圖2）：

（1）對原始信號進行FFT 預(yù)處理，去除噪聲等無效信息；（2）初始化深度信念網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；（3）對輸入信號x 進行訓(xùn)練，使網(wǎng)絡(luò)損失函數(shù)收斂；（4）對權(quán)值通道重要性進行排序。在每層中，計算權(quán)值通道的脈沖強度分?jǐn)?shù)，并根據(jù)重要性分?jǐn)?shù)按從小到大的方式對權(quán)值通道或進行排序。（5）依據(jù)設(shè)定閾值剪除一部分權(quán)值通道，達到模型壓縮效果；（6）保留壓縮后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，輸入測試數(shù)據(jù)對模型進行故障分析和診斷。

2 實驗

2.1 軸承故障數(shù)據(jù)說明

此次實驗采用的是美國凱斯西儲大學(xué)軸承數(shù)據(jù)中心采集的軸承故障數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)集為12 kHz采樣頻率下的風(fēng)扇端軸承數(shù)據(jù)，分別采集正常（OF）、內(nèi)圈故障（IF）、滾動體故障（RF）以外圈故障（6 點鐘方向）4 種不同狀態(tài)的故障數(shù)據(jù)，除正常數(shù)據(jù)外每種狀態(tài)有3 種故障深度類型，直徑分別為0.177 8，0.355 6，0.533 4 mm，軸承電機載荷為0，軸承轉(zhuǎn)速為1 797 r/min，總共10 種故障類別作為本次實驗的數(shù)據(jù)來源。每類數(shù)據(jù)劃分為115個分類樣本，10 類總共1 150 個樣本。訓(xùn)練集大小為700 份，即每類70 份，測試集為450 份，每類45 份。分類情況如表1 所示。

表1 軸承故障數(shù)據(jù)集描述Tab.1 Description of bearing failure dataset

2.2 實驗結(jié)果分析

實驗設(shè)置一個隱藏層，初始隱藏層含有10 個節(jié)點，設(shè)置DBN 預(yù)訓(xùn)練階段的學(xué)習(xí)率為0.1，動量為0，微調(diào)階段學(xué)習(xí)率為2，動量為0.5，并設(shè)置剪枝算法的剪枝率為50%。

分別對2 個不同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行實驗，其中原始DBN 為未修剪過的深度信念網(wǎng)絡(luò)，PI-DBN 為經(jīng)過脈沖強度修剪過的深度信念網(wǎng)絡(luò)。剪枝算法對神經(jīng)元的活躍程度強度進行大小排序，并按照剪枝率對相應(yīng)的權(quán)值通道進行歸零，小端剪枝是將神經(jīng)元較小的權(quán)值通道進行歸零，隨機剪枝則是不論大小隨機歸零50%的權(quán)值通道。不同窗口大小進行100次迭代后運行結(jié)果如表2 所示。

表2 方法準(zhǔn)確率對比Tab.2 Comparison of method accuracy

從表2 結(jié)果可以看出，經(jīng)過100 次迭代后，原始神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最高識別準(zhǔn)確率為99.11%，最低為98.78%，而利用脈沖強度剪枝后進行學(xué)習(xí)分類的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最高可達100%，最低也能達到99.11%，均高于原始DBN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。因此，相比原始DBN 網(wǎng)絡(luò)，脈沖強度剪枝后的DBN 具有良好的分類性能。由此可說明在小規(guī)模權(quán)值通道下，脈沖強度剪枝保存的權(quán)值矩陣相比于預(yù)定義架構(gòu)更能表征原始特征，權(quán)值的變化趨勢對小型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有較強的分類能力。

為了體現(xiàn)數(shù)據(jù)維度關(guān)于脈沖強度權(quán)值剪枝的意義，將原始數(shù)據(jù)劃分為1 024、512 兩個不同窗口大小的數(shù)據(jù)集，利用脈沖強度剪枝對原始DBN進行修剪，迭代最大閾值為100，PI-DBN 為脈沖強度剪枝、DBN 為原始網(wǎng)絡(luò)，并和基于權(quán)重剪枝以及隨機剪枝結(jié)果進行對比，運行結(jié)果如下：

表3 不同模型以及維度準(zhǔn)確率對比Tab.3 Comparison of accuracy of different models and dimensions

通過以上實驗結(jié)果可以得出，脈沖強度剪枝算法對于低維數(shù)據(jù)集更加敏感，并且在更加小型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)下，剪枝算法繼承的權(quán)值信息具有較強的特征表現(xiàn)力，在不同維度下都取得較好的分類效果，最高可達100%的分類準(zhǔn)確率。本次實驗與其它兩個剪枝算法相比，脈沖強度剪枝能夠較好地保存原始數(shù)據(jù)的特征，較大概率剪除影響較小的神經(jīng)元，并且脈沖強度剪枝后的模型精度均和原始網(wǎng)絡(luò)并無多大變化，甚至可以比原始DBN 具有更好的分類性能。因此可以分析得到，當(dāng)權(quán)重規(guī)模較小時，通過剪枝算法保存的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將具有更強的分類性能權(quán)值變化大小能夠較好地表現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的特征信息。

為了更好地體現(xiàn)權(quán)值通道的重要程度，進行收斂性對比實驗。設(shè)置迭代次數(shù)從0 開始，迭代100次為結(jié)束條件，記錄每次實驗的準(zhǔn)確度，繪制收斂折線圖，如圖3 所示。通過收斂折線圖進行PIDBN 的收斂性分析，其中RAND-DBN 為隨機剪枝，DBN 為原始網(wǎng)絡(luò)，W-DBN 為權(quán)重剪枝。從圖3 可以看出，經(jīng)過隨機剪枝的方式去除一定的權(quán)值通道相比原始DBN 收斂性有較大的降低，原因是隨機剪枝剪除的神經(jīng)元重要性無法確定，在剪除時去除掉了重要性較高的權(quán)值通道，因而導(dǎo)致收斂性和準(zhǔn)確性都有所降低。而通過脈沖強度剪枝確定的權(quán)值矩陣建立的模型則具有較大的合理性。通過判別方法辨別出重要性程度較高的權(quán)值通道，剪除影響性較低的通道，使得收斂性有一定的改善，并且在收斂的最后階段時間內(nèi)基于PI-DBN 的模型具有較強的魯棒性。

圖4 為不同維度下刪除多個節(jié)點的準(zhǔn)確率示意圖，收集了當(dāng)前維度下刪除規(guī)定節(jié)點后所有可能的準(zhǔn)確率數(shù)據(jù)。圖4（a）、圖4（b）為原始節(jié)點為8 個，然后進行脈沖強度剪枝，保留5 個節(jié)點?？梢钥吹剑紨?shù)據(jù)為512 維度時最低準(zhǔn)確率為0.88 左右，最高為0.97 左右；1 024 維度時最低準(zhǔn)確率為0.88 左右，最高為0.99 左右。圖4（c）、圖4（d）為原始節(jié)點為10 個，然后進行脈沖強度剪枝，保留5 個節(jié)點。可以看到，原始數(shù)據(jù)為512維度時最低準(zhǔn)確率為0.83 左右，最高為0.98 左右；1 024 維度時最低準(zhǔn)確率為0.88 左右，最高為1.00。由圖4 可知，脈沖強度在4 種情況下的準(zhǔn)確率分別達到了96.11%、98.66%、97.06%、100%，均達到了刪除相應(yīng)節(jié)點后的較好水平，相較其他剪枝算法保持了較高準(zhǔn)確率，達到了相應(yīng)的實驗?zāi)康摹?/p>

3 結(jié)論

深度信念網(wǎng)絡(luò)（DBN）在預(yù)訓(xùn)練階段學(xué)習(xí)階段以無監(jiān)督逐層貪婪的方式獲取數(shù)據(jù)的權(quán)重特征，權(quán)重變化在低維數(shù)據(jù)集下具有較強表現(xiàn)能力。本文通過脈沖強度剪枝刪除權(quán)值冗余部分，壓縮權(quán)值規(guī)模。對比不同維度剪枝后的收斂能力，得到如下結(jié)論：經(jīng)過脈沖強度剪枝后權(quán)值信息在低維數(shù)據(jù)集下能夠較好地表征數(shù)據(jù)的特征分布，使其快速收斂；隨著數(shù)據(jù)維度的不斷降低，脈沖強度剪枝收斂速度相比原始網(wǎng)絡(luò)獲取的收益更大；當(dāng)權(quán)值矩陣規(guī)模較小時，變化較大的權(quán)值將具有較強的數(shù)據(jù)特征表現(xiàn)力。

因此在低維數(shù)據(jù)集下，建立小型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，然后進行剪枝算法剔除冗余權(quán)值使模型快速收斂，具有較大的工程應(yīng)用價值。