中国机械工程 ›› 2025, Vol. 36 ›› Issue (09): 2032-2038.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.09.015
收稿日期:2024-05-08
出版日期:2025-09-25
发布日期:2025-10-15
通讯作者:
陈剑
作者简介:陈剑*(通信作者),男,1962年生,教授、博士研究生导师。研究方向为噪声振动控制,机械故障诊断与状态监测。E-mail:hfgd8216@126.com。
Jian CHEN1,2(
), Minghui YAN1,2, Pin CHEN1,2
Received:2024-05-08
Online:2025-09-25
Published:2025-10-15
Contact:
Jian CHEN
摘要:
由于一维特征向量不能保留时间特征信息,而神经网络对图像识别具有良好效果,因此尝试用离心泵故障声信号构建的图像数据集开展离心泵故障诊断,提出贝叶斯优化多尺度DenseNet的离心泵声信号故障诊断方法。将一维时间序列声信号经过格拉姆角场转化为二维图像,保留其时间信息及故障特征;然后采用多尺度密集块对图像进行特征提取,增强图像特征复用;通过dropout层和L2正则化方法防止过拟合,采用贝叶斯优化算法确定神经网络超参数,最后利用离心泵声信号进行实验验证,与其他诊断方法进行对比。结果表明,贝叶斯优化多尺度DenseNet的诊断模型对测试集具有99.5%的故障识别率。
中图分类号:
陈剑, 严明辉, 陈品. 基于贝叶斯优化多尺度DenseNet的离心泵声信号故障诊断方法[J]. 中国机械工程, 2025, 36(09): 2032-2038.
Jian CHEN, Minghui YAN, Pin CHEN. Acoustic Signal Fault Diagnosis Method of Centrifugal Pumps Based on Bayesian Optimization Multiscale DenseNet[J]. China Mechanical Engineering, 2025, 36(09): 2032-2038.
| 网络层名称 | 参数 | 输出尺寸 |
|---|---|---|
| 卷积层 | 3×3,步长1 | 64×64×64 |
| 池化层 | 3×3,步长3 | 32×32×64 |
| Dense块1 | 密集连接层×3 | 32×32×256 |
| 过渡层1 | 过渡层×1 | 16×16×128 |
| Dense块2 | 密集连接层×3 | 16×16×320 |
| 过渡层2 | 过渡层×1 | 8×8×128 |
| Dense块3 | 密集连接层×3 | 8×8×320 |
| 过渡层3 | 过渡层×1 | 8×8×128 |
| Dense块4 | 密集连接层×2 | 4×4×256 |
| 全局池化 | 平均池化 | 1×1×256 |
| dropout | 50%丢弃 | 1×1×256 |
| 全连接层 | 4 |
表1 多尺度DenseNet网络参数
Tab.1 Multiscale DenseNet network parameters
| 网络层名称 | 参数 | 输出尺寸 |
|---|---|---|
| 卷积层 | 3×3,步长1 | 64×64×64 |
| 池化层 | 3×3,步长3 | 32×32×64 |
| Dense块1 | 密集连接层×3 | 32×32×256 |
| 过渡层1 | 过渡层×1 | 16×16×128 |
| Dense块2 | 密集连接层×3 | 16×16×320 |
| 过渡层2 | 过渡层×1 | 8×8×128 |
| Dense块3 | 密集连接层×3 | 8×8×320 |
| 过渡层3 | 过渡层×1 | 8×8×128 |
| Dense块4 | 密集连接层×2 | 4×4×256 |
| 全局池化 | 平均池化 | 1×1×256 |
| dropout | 50%丢弃 | 1×1×256 |
| 全连接层 | 4 |
| 故障类型 | 标签 | 训练集 | 验证集 | 测试集 |
|---|---|---|---|---|
| 正常 | 状态1 | 350 | 150 | 100 |
| 气蚀 | 状态2 | 350 | 150 | 100 |
| 轴不对中 | 状态3 | 350 | 150 | 100 |
| 螺栓松动 | 状态4 | 350 | 150 | 100 |
表2 离心泵故障标签及其样本量
Tab.2 Centrifugal pump fault labels and samples
| 故障类型 | 标签 | 训练集 | 验证集 | 测试集 |
|---|---|---|---|---|
| 正常 | 状态1 | 350 | 150 | 100 |
| 气蚀 | 状态2 | 350 | 150 | 100 |
| 轴不对中 | 状态3 | 350 | 150 | 100 |
| 螺栓松动 | 状态4 | 350 | 150 | 100 |
| 参数 | 初始学习率 | 动量 | L2正则化系数 |
|---|---|---|---|
| 取值区间 | [0.0001,0.1] | [0.7,0.98] | [1×10-10,1×10-2] |
表3 超参数取值
Tab.3 Hyperparameter value
| 参数 | 初始学习率 | 动量 | L2正则化系数 |
|---|---|---|---|
| 取值区间 | [0.0001,0.1] | [0.7,0.98] | [1×10-10,1×10-2] |
| 神经网络 | 验证集准确率/% | 测试集准确率/% |
|---|---|---|
| CNN | 68.10 | 68.25 |
| DenseNet | 83.54 | 80.5 |
| 多尺度DenseNet | 91.72 | 91.25 |
| 本文方法 | 99.5 | 99 |
表4 各模型验证集和测试集准确率
Tab.4 Accuracies of each model verification set and test set
| 神经网络 | 验证集准确率/% | 测试集准确率/% |
|---|---|---|
| CNN | 68.10 | 68.25 |
| DenseNet | 83.54 | 80.5 |
| 多尺度DenseNet | 91.72 | 91.25 |
| 本文方法 | 99.5 | 99 |
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