PSO-ResNet管道机器人振动信号故障诊断性能分析思维导图

七瓶柴柴

2023-07-30

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PSO-ResNet管道机器人振动信号故障诊断性能分析

管道机器人

故障诊断

性能分析

PSO-ResNet管道机器人振动信号故障诊断性能分析

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思维导图大纲

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引言

研究背景

管道检测最可行的解决方案—管道机器人

机器人工作环境恶劣+意外补救代价高

故障检测与诊断技术成为管道机器人发展热点

以神经网络学习为主代的深度学习算法

研究目的

改进现有故障诊断模型，↑准确性和泛化性

研究问题

PSO-ResNet : 结合粒子群优算法和RestNet-50 的深度学习故障检测诊断算法

比较算法在不同单板机上：故障诊断时间&精度&单板机温度，评估得使用英伟达

相关工作

前后对比

传统机器学习故障检测和诊断算法：复杂度低、易实现；识别率低、鲁棒性差、依赖人工特征提取

深度学习：自动学习多个抽象级别特征、不依赖特征提取器、在嘈杂环境中具有高准确性&鲁棒性

先前研究

树莓Pi：低功耗&节能，不适合高性能深度学习算法研究

Edgar Ruiz：SVM算法；算法执行时间、精度、CPU性能、温度；算法复杂度×；高级复杂深度学习算法×

Gunawan Dewantoro：英伟达更快图像处理；只比较算法准确性、无单板机温度&CPU占用率对计算机性能影响

洪小翠：深度学习CNN算法；拓展单板机性能可变性；无机器故障检测和诊断算法、用于PR诊断算法准确性不高

多模态残差网络（M-ResNet）+判别相关分析（DCA）

张凯：基于混合注意力改进剩余网络、突出小波系数故障特征诊断

基于自适应损失加权元残差网络（ALWM-RestNet），解决带有噪声标签的故障诊断

龙文：基于RestNet-50的迁移卷积神经网络故障诊断

研究方法

研究过程

信号采集&输入

PR故障检测诊断研究输入信号：振动信号

单板机故障诊断

Nvidia Jetson Nano & Raspberry Pi 4B

故障结果输出

结果：故障类型

算法：结合连续小波变换、粒子群优化算法、RestNet-50的残差网络

PSO-RestNet模型

连续小波变换：base on傅里叶；解决傅信号时域和频域信息不能同时局部化；快速衰减、持续时间有限

粒子群优化（PSO）：每个粒子保持位置向量&速度向量，调整向量至找到最优解或预设停止条件；快收敛高效率

基于粒子群优化算法的残差网络模型优化：PSO搜索最优解，找到网络训练的最佳参数；找到每个残差块的最优权重和偏差；提高算法优化效率、网络模型泛化能力&准确性

研究结果

结果

得到局部最优值、全局最优值、保存相应的超参数

避免随网络层数增加梯度消失/爆炸、降低调整超参数成本、准确性

PSO-RestNet训练

参数最优值→最小化代价函数的误差

学习率→控制残差网络根据损失梯度调整网络权重的程度

过大网络不收敛，徘徊最优值附近；过小收敛速度过慢

动量→梯度下降、加速收敛

改进的卷积网络

卷积层：系数交互+参数共享=减少模型参数数量

RestNet：层退避机制、H(x)=x+F（x）、RestNet残余结构

训练环境

64位win11操作系统

CPU、显卡、内存

Python编写、PyTorch构建模型环境

研究过程

实验结果分析：单板机诊断→故障信号→故障器显示故障类型；精度提高、低训练错误率、泛化错误率

模型部署

故障数据处理：连续小波变换→2D图像→深度学习算法输入

英伟特&树莓比较

英伟特GPU性能更好，有助处理更多计算密集型信号，有利PR安全可靠运行

英伟特在执行时间、温度、CPU使用率具有更好性能

展望

精度、模型准确性

轻量化模型

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