基于1DCNN(一维卷积神经网络)的机械振动故障诊断

基于1DCNN(一维卷积神经网络)的机械振动故障诊断基于1DCNN(一维卷积神经网络)的机械振动故障诊断机械振动故障诊断最为经典的还是凯斯西储实验室的轴承故障诊断,开学一周了,上次改编鸢尾花分类的代码可用,但是并不准确。开学一周重新改编了别人的一篇代码,亲测好用。不多咧咧直接放上去(基于Tensorflow2.0)(Spyder4软件上跑的)数据集时本人把凯西轴承实验驱动端内圈损坏尺寸0.14和0.21做的二分类,数据集中0代表的0.14而1代表的0.21具体看下面最后#-*-coding:utf-8-*-“””CreatedonTue

大家好,又见面了,我是你们的朋友全栈君。

基于1DCNN(一维卷积神经网络)的机械振动故障诊断

机械振动故障诊断最为经典的还是凯斯西储实验室的轴承故障诊断,开学一周了,上次改编鸢尾花分类的代码可用,但是并不准确。开学一周重新改编了别人的一篇代码,亲测好用。不多咧咧直接放上去(基于Tensorflow2.0)(Spyder4 软件上跑的)数据集时本人把凯西轴承实验驱动端内圈损坏尺寸0.14和0.21做的二分类,数据集中0代表的0.14而1代表的0.21具体看下面最后

# -*- coding: utf-8 -*-
""" Created on Tue Sep 8 19:18:38 2020 @author: pc """
import numpy as np
import pandas as pd
import keras
from keras.models import Sequential
from keras.wrappers.scikit_learn import KerasClassifier
from keras.utils import np_utils,plot_model
from sklearn.model_selection import cross_val_score,train_test_split,KFold
from sklearn.preprocessing import LabelEncoder
from keras.models import model_from_json
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.metrics import confusion_matrix
import itertools
from keras.optimizers import SGD
from keras.layers import Dense, Activation, Flatten, Convolution1D, Dropout,MaxPooling1D,BatchNormalization
from keras.models import load_model
# 载入数据
df = pd.read_csv(r'C:/Users/pc/Desktop/14改.csv')
X = np.expand_dims(df.values[:, 0:1024].astype(float), axis=2)
Y = df.values[:, 1024]
 
# 湿度分类编码为数字
encoder = LabelEncoder()
Y_encoded = encoder.fit_transform(Y)
Y_onehot = np_utils.to_categorical(Y_encoded)
 
# 划分训练集,测试集
X_train, X_test, Y_train, Y_test = train_test_split(X, Y_onehot, test_size=0.3, random_state=0)
 
# 定义神经网络
def baseline_model():
    model = Sequential()
    model.add(Convolution1D(nb_filter=16, filter_length=128,strides=1, input_shape=(1024, 1),padding="same"))
    model.add(Activation('tanh'))
    model.add(MaxPooling1D(2,strides=2,padding='same'))
    #model.add(BatchNormalization(axis=-1, momentum=0.99, epsilon=0.001, center=True, scale=True, beta_initializer='zeros', gamma_initializer='ones', moving_mean_initializer='zeros', moving_variance_initializer='ones', beta_regularizer=None, gamma_regularizer=None, beta_constraint=None, gamma_constraint=None))
    model.add(Convolution1D(32,3,padding='same'))
    model.add(BatchNormalization(axis=-1, momentum=0.99, epsilon=0.001, center=True, scale=True, beta_initializer='zeros', gamma_initializer='ones', moving_mean_initializer='zeros', moving_variance_initializer='ones', beta_regularizer=None, gamma_regularizer=None, beta_constraint=None, gamma_constraint=None))
    model.add(Activation('tanh'))
    model.add(MaxPooling1D(2,strides=2,padding='same'))
    
    model.add(Flatten())
    model.add(Dropout(0.3))
    model.add(Dense(60, activation='tanh'))
    model.add(Dense(2, activation='softmax'))
    print(model.summary())
    sgd = SGD(lr=0.01, nesterov=True, decay=1e-6, momentum=0.9)
    model.compile(loss='categorical_crossentropy',optimizer='adam', metrics=['accuracy'])
    return model
 
# 训练分类器
estimator = KerasClassifier(build_fn=baseline_model, epochs=3, batch_size=1, verbose=1)
history=estimator.fit(X_train, Y_train)
import matplotlib.pyplot as plt
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']
plt.plot(history.history['loss'],label=u'train_loss')
#plt.plot(history.history['val_loss'],label=u'val_loss')
plt.plot(history.history['accuracy'],label=u'train_acc')
#plt.plot(history.history['val_accuracy'],label=u'val_acc')
plt.show()
# 卷积网络可视化
def visual(model, data, num_layer=1):
     layer = keras.backend.function([model.layers[0].input], [model.layers[num_layer].output])
     f1 = layer([data])[0]
     print(f1.shape)
     num = f1.shape[-1]
     print(num)
     plt.figure(figsize=(8, 8))
     for i in range(num):
         plt.subplot(np.ceil(np.sqrt(num)), np.ceil(np.sqrt(num)), i+1)
         plt.imshow(f1[:, :, i] * 255, cmap='gray')
         plt.axis('off')
     plt.show()
 
# 混淆矩阵定义
def plot_confusion_matrix(cm, classes,title='Confusion matrix',cmap=plt.cm.jet):
    cm = cm.astype('float') / cm.sum(axis=1)[:, np.newaxis]
    plt.imshow(cm, interpolation='nearest', cmap=cmap)
    plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']  # 用来正常显示中文标签
    plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 用来正常显示负号
    plt.colorbar()
    tick_marks = np.arange(len(classes))
    plt.xticks(tick_marks,('good','bad'))
    plt.yticks(tick_marks,('good','bad'))
    thresh = cm.max() / 2.
    for i, j in itertools.product(range(cm.shape[0]), range(cm.shape[1])):
        plt.text(j, i, '{:.2f}'.format(cm[i, j]), horizontalalignment="center",color="white" if cm[i, j] > thresh else "black")
    plt.tight_layout()
    plt.ylabel('真实类别')
    plt.xlabel('预测类别')
    plt.savefig('test_xx.png', dpi=200, bbox_inches='tight', transparent=False)
    plt.show()
 
# 显示混淆矩阵
def plot_confuse(model, x_val, y_val):
    predictions = model.predict_classes(x_val)
    truelabel = y_val.argmax(axis=-1)   # 将one-hot转化为label
    conf_mat = confusion_matrix(y_true=truelabel, y_pred=predictions)
    plt.figure()
    plot_confusion_matrix(conf_mat, range(np.max(truelabel)+1))
 
# 将其模型转换为json
model_json = estimator.model.to_json()
with open('C:/Users/pc/Desktop/model', 'w')as json_file:
    json_file.write(model_json)# 权重不在json中,只保存网络结构
estimator.model.save_weights('C:/Users/pc/Desktop/model.json.h5')
 
# 加载模型用做预测
json_file = open(r'C:/Users/pc/Desktop/model')
loaded_model_json = json_file.read()
json_file.close()
loaded_model = model_from_json(loaded_model_json)
loaded_model.load_weights('C:/Users/pc/Desktop/model.json.h5')
print("loaded model from disk")
loaded_model.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='adam', metrics=['accuracy'])
# 分类准确率
print("The accuracy of the classification model:")
scores = loaded_model.evaluate(X_test, Y_test, verbose=0)
print('%s: %.2f%%' % (loaded_model.metrics_names[1], scores[1] * 100))
# 输出预测类别
predicted = loaded_model.predict(X)
predicted_label = loaded_model.predict_classes(X)
print("predicted label:\n " + str(predicted_label))
#显示混淆矩阵
plot_confuse(estimator.model, X_test, Y_test)
 
# 可视化卷积层
visual(estimator.model, X_train, 1)在这里插入代码片

运行代码会出来Loss拟合曲线、混淆矩阵、第一个卷积层可视化
基于1DCNN(一维卷积神经网络)的机械振动故障诊断
这个训练的图像还蛮漂亮的
在这里插入图片描述
准确率可以通过混淆矩阵计算出来(1+1)/(1+0+1+0)=100%
即对角线相加除以每个相加
召回率100%
在这里插入图片描述
这个图就看不懂了,看文献里,人家振动信号训练第一个卷积层出来还是振动信号曲线,然而我做出来是这个MMP了,由于要用一个框架结构做实验写小论文,所以卷积层只给一层,感兴趣的可以参考VGG16模式改造卷积层。
下面展示用保存的模型预测未知信号

# -*- coding: utf-8 -*-
""" Created on Thu Sep 10 09:29:15 2020 @author: pc """

import numpy as np
import pandas as pd
import keras
from keras.models import Sequential
from keras.wrappers.scikit_learn import KerasClassifier
from keras.utils import np_utils,plot_model
from sklearn.model_selection import cross_val_score,train_test_split,KFold
from sklearn.preprocessing import LabelEncoder
from keras.layers import Dense, Activation, Flatten, Convolution1D, Dropout,MaxPooling1D,BatchNormalization
from keras.models import load_model
#from keras.layers import Dense,Dropout,Flatten,Conv1D,MaxPooling1D
from keras.models import model_from_json
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.metrics import confusion_matrix
import itertools
from keras.optimizers import SGD
json_file = open(r'C:/Users/pc/Desktop/model')
loaded_model_json = json_file.read()
json_file.close()
loaded_model = model_from_json(loaded_model_json)
loaded_model.load_weights('C:/Users/pc/Desktop/model.json.h5')
print("loaded model from disk")
loaded_model.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='adam', metrics=['accuracy'])
# 分类准确率
#print("The accuracy of the classification model:")
#scores = loaded_model.evaluate(X_test, Y_test, verbose=0)
#print('%s: %.2f%%' % (loaded_model.metrics_names[1], scores[1] * 100))
# 输出预测类别
a= pd.read_csv(r'C:/Users/pc/Desktop/8-4.csv')
b=np.array(a)
X=b.reshape(958,1024,1)
model=Sequential()
predicted = loaded_model.predict(X)
predicted_label = loaded_model.predict_classes(X)
print("predicted label:\n " + str(predicted_label))在这里插入代码片

嗯,得劲
下面展示数据集
训练数据集https://pan.baidu.com/s/1WVChuo5d5eNLvctXpWNfEA
密码iulk
用来预测的未知代码
https://pan.baidu.com/s/1F-DYRwdicbfArHXIezMYCA
密码a672
永久有效放心用
直接下载好将两个CSV文件拖到桌面即可使用
数据集最后一行是标签,0代表0.14,1代表0.21
跑代码过程中可能会遇到的问题就是缺少插件报错误,这种情况就直接CSDN上搜索相关解决办法把
毕竟作为一个双非研究生,导师出国留学未归的情况下缺乏指导,技术有限??????
上次发完帖子有感兴趣的加我微信了,聊了半天感觉自己好牛逼哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈
这个代码也是我无意间找到的,经过修改可以运行了
关于如何研究模型的抗噪声能力,等有机会了再写一篇CSDN,虽然已经做了,但是不太理想,故此还需要研究研究网络结构和参数调整。本人邮箱983401858@qq.com

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