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🔥 内容介绍
0、DWVD概述：
DWVD，即离散韦格纳分布（Discrete Wigner-Ville Distribution），是轴承故障诊断领域中一种前沿的时频分析技术，它基于信号能量分布进行设计。该方法通过深入分析信号自身的时频相干性，能够生成一张能量高度集中的时频分布图。对于轴承局部损伤（例如点蚀、裂纹等）引发的瞬态冲击响应，DWVD展现出了卓越的分析能力：它不仅能以极高的时频分辨率精确捕捉每一个故障冲击的发生时刻与持续时间，还能清晰展现冲击能量集中的共振频带及其调制边带结构，在时频图上形成连续且尖锐的时频脊线。这种出色的时频凝聚特性，使得DWVD对微弱故障异常敏感，能够有效揭示被强噪声掩盖的早期故障特征。此外，得益于其无窗设计的特性，DWVD克服了短时傅里叶变换中时间分辨率与频率分辨率之间的权衡难题，提供了更为真实、细致的信号能量变化视图。这些优势使得DWVD特别适用于复杂工况下的轴承故障精准诊断，不仅能有效识别外圈、内圈、滚动体等部件的特征故障频率，还能深入揭示调制现象中的频率成分以及冲击信号的传播特性，为故障类型的准确判断、损伤程度的科学评估以及故障演化趋势的合理预测提供了丰富、可靠的时频特征依据。本期将展示使用DWVD变换对凯斯西储大学（CWRU）轴承故障数据进行分析诊断的实例，如图所示。
1、版本及数据说明：
本次分析使用的软件版本为matlab2024a及以上，具体代码在24a版本上运行；示范数据为凯斯西储大学提供的10种轴承故障数据。
2、创新发布：
我们隆重推出一种改进的多尺度卷积神经网络模型——DVMBiGAT：DWVD-MCNN-BiGRU-Attention（融合时频变换与改进多尺度卷积网络，紧跟发文热点）。该模型结合了“离散韦格纳分布(DWVD)+多尺度卷积神经网络（MCNN）+双向门控循环网络（BiGRU）+注意力机制（Attention）”的优势，专为轴承故障诊断设计。多尺度卷积神经网络MCNN作为CNN的变体，具备更强大的特征提取能力。
3、当前网络模型介绍：
当前所采用的模型为DVMBiGAT：DWVD-MCNN-BiGRU-Attention，它融合了时频变换与改进的多尺度深卷积神经网络技术。据知网查询截图显示，该模型目前尚未被他人使用，具有首发优势。
4、模型详细介绍：
该模型首先运用时频方法将数据序列转换为二维图像，以此增强故障特征的可见性；接着，选用“交叉熵”损失函数作为网络训练的指导原则，并合理划分训练集、验证集和测试集。在网络训练过程中，利用验证集不断优化损失函数，确保模型的泛化能力不受影响；最后，采用T-SNE方法对网络识别前后的效果进行可视化展示，便于直观评估模型性能。
⛳️ 运行结果
📣 部分代码
function [Metrics]=polygonareametric(ActualLabel, PredictedLabel,isPlot)
%%%%% WARNING %%%%%%%
%NUMERICALLY LARGER CLASS WILL BE AUTOMATICALLY ASSIGNED AS PositiveClass
%THIS IS BECAUSE OF THE FUNCTION OF perfcurve. IT REQUIRES LARGER CLASS AS PositiveClass.
% INTRODUCTION:
% This study proposes a stable and profound knowledge criterion that allows the performance of a classifier
% to be evaluated with only a single metric called as polygon area metric (PAM). This function is not only
% calculates PAM value, but also gives Classification Accuracy (CA), Sensitivity (SE), Specificity (SP),
% Kappa (K) and F measure metrics.
%
% CITATION INFORMATION:
% Please cite the following paper for the usage of PAM value:
% Aydemir O., A New Performance Evaluation Metric for Classifiers: Polygon Area Metric, Journal of Classification, (2020). https://doi.org/10.1007/s00357-020-09362-5
%
% USAGE OF THE FUNCTION:
% INPUTS;
% -ActualLabel: Actual label of the trials (samples), 1xN dimension binary labels
% -PredictedLabel: Predicted (estimated) label of the trials (samples), 1xN dimension binary labels
% -isPlot: A logical value indicating whether the resultant figure will be drawn. Default is true
%
% OUTPUT;
% -Metrics: This struct gives 7 evaluation metrics which are Polygon Area...
% (PA), Classification_Accuracy (CA), Sensitivity (SE), Specificity...
% (SP), AUC (AUC), Kappa (K), F_measure (F_M), respectively.
% AUC: Area under curve value, which should be obtained by Receiver operating characteristic (ROC), 0<AUC<1
%
% EXAMPLE;
% -ActualLabel=[1 1 1 1 1 0 0 0 0];
% -PredictedLabel=[1 1 1 0 0 0 0 0 1];
% -[Metrics]=polygonareametric(ActualLabel,PredictedLabel)
%Code introduction
if nargin<2
error('You have to supply all required input paremeters, which are ActualLabel, PredictedLabel')
end
if nargin < 3
isPlot = true;
end
%plotting the widest polygon
A1=1;
A2=1;
A3=1;
A4=1;
A5=1;
A6=1;
a=[-A1 -A2/2 A3/2 A4 A5/2 -A6/2 -A1];
b=[0 -(A2*sqrt(3))/2 -(A3*sqrt(3))/2 0 (A5*sqrt(3))/2 (A6*sqrt(3))/2 0];
if isPlot
figure
plot(a, b, '--bo','LineWidth',1.3)
axis([-1.5 1.5 -1.5 1.5]);
set(gca,'FontName','Times New Roman','FontSize',12);
hold on
%grid
end
% Calculating the True positive (TP), False Negative (FN), False Positive...
% (FP),True Negative (TN), Classification Accuracy (CA), Sensitivity (SE), Specificity (SP),...
% Kappa (K) and F measure (F_M) metrics
PositiveClass=max(ActualLabel);
NegativeClass=min(ActualLabel);
cp=classperf(ActualLabel,PredictedLabel,'Positive',PositiveClass,'Negative',NegativeClass);
CM=cp.DiagnosticTable;
TP=CM(1,1);
FN=CM(2,1);
FP=CM(1,2);
TN=CM(2,2);
CA=cp.CorrectRate;
SE=cp.Sensitivity; %TP/(TP+FN)
SP=cp.Specificity; %TN/(TN+FP)
Pr=TP/(TP+FP);
Re=TP/(TP+FN);
F_M=2*Pr*Re/(Pr+Re);
FPR=FP/(TN+FP);
TPR=TP/(TP+FN);
K=TP/(TP+FP+FN);
[X1,Y1,T1,AUC] = perfcurve(ActualLabel,PredictedLabel,PositiveClass);
%ActualLabel(1) means that the first class is assigned as positive class
%plotting the calculated CA, SE, SP, AUC, K and F_M on polygon
x=[-CA -SE/2 SP/2 AUC K/2 -F_M/2 -CA];
y=[0 -(SE*sqrt(3))/2 -(SP*sqrt(3))/2 0 (K*sqrt(3))/2 (F_M*sqrt(3))/2 0];
if isPlot
plot(x, y, '-ko','LineWidth',1)
set(gca,'FontName','Times New Roman','FontSize',12);
% shadowFill(x,y,pi/4,80)
fill(x, y,[0.8706 0.9216 0.9804])
end
%calculating the PAM value
% Get the number of vertices
n = length(x);
% Initialize the area
p_area = 0;
% Apply the formula
for i = 1 : n-1
p_area = p_area + (x(i) + x(i+1)) * (y(i) - y(i+1));
end
p_area = abs(p_area)/2;
%Normalization of the polygon area to one.
PA=p_area/2.59807;
if isPlot
%Plotting the Polygon
plot(0,0,'r+')
plot([0 -A1],[0 0] ,'--ko')
text(-A1-0.3, 0,'CA','FontWeight','bold','FontName','Times New Roman')
plot([0 -A2/2],[0 -(A2*sqrt(3))/2] ,'--ko')
text(-0.59,-1.05,'SE','FontWeight','bold','FontName','Times New Roman')
plot([0 A3/2],[0 -(A3*sqrt(3))/2] ,'--ko')
text(0.5, -1.05,'SP','FontWeight','bold','FontName','Times New Roman')
plot([0 A4],[0 0] ,'--ko')
text(A4+0.08, 0,'AUC','FontWeight','bold','FontName','Times New Roman')
plot([0 A5/2],[0 (A5*sqrt(3))/2] ,'--ko')
text(0.5, 1.05,'J','FontWeight','bold','FontName','Times New Roman')
plot([0 -A6/2],[0 (A6*sqrt(3))/2] ,'--ko')
text(-0.65, 1.05,'FM','FontWeight','bold','FontName','Times New Roman')
set(gca,'FontName','Times New Roman','FontSize',12);
grid
daspect([1 1 1])
end
Metrics.PA=PA;
Metrics.CA=CA;
Metrics.SE=SE;
Metrics.SP=SP;
Metrics.AUC=AUC;
Metrics.K=K;
Metrics.F_M=F_M;
categories = {'澶氳竟褰㈤潰绉疨AM';'鍒嗙被鍑嗙‘鐜?';'鐏垫晱搴?';'鐗瑰紓鎬?';'鏇茬嚎涓嬮潰绉疉UC';'Kappa绯绘暟'; 'F_measure'};
printVar = cell(7,2);
printVar(:,1)=categories;
printVar(:,2)={PA, CA, SE, SP, AUC, K, F_M};
disp('棰勬祴缁撴灉鎵撳嵃:')
for i=1:length(categories)
fprintf('%23s: %.2f \n', printVar{i,1}, printVar{i,2})
end
🔗 参考文献
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2.1 bp时序、回归预测和分类
2.2 ENS声神经网络时序、回归预测和分类
2.3 SVM/CNN-SVM/LSSVM/RVM支持向量机系列时序、回归预测和分类
2.4 CNN|TCN|GCN卷积神经网络系列时序、回归预测和分类
2.5 ELM/KELM/RELM/DELM极限学习机系列时序、回归预测和分类
2.6 GRU/Bi-GRU/CNN-GRU/CNN-BiGRU门控神经网络时序、回归预测和分类
2.7 ELMAN递归神经网络时序、回归\预测和分类
2.8 LSTM/BiLSTM/CNN-LSTM/CNN-BiLSTM/长短记忆神经网络系列时序、回归预测和分类
2.9 RBF径向基神经网络时序、回归预测和分类
