深度學(xué)習(xí)在軸承故障診斷領(lǐng)域的應(yīng)用研究

洪騰蛟, 丁鳳娟， 王 鵬 ， 馮 定*， 凃憶柳

(1.長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 荊州 434023； 2.湖北省油氣鉆完井工具工程技術(shù)研究中心， 荊州 434023；3.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院， 南京 210037)

設(shè)備的高效運(yùn)轉(zhuǎn)是建立在精準(zhǔn)的故障診斷和及時(shí)的保養(yǎng)維修的基礎(chǔ)上，根據(jù)故障診斷的結(jié)果能夠判斷出設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，便于及時(shí)對故障設(shè)備進(jìn)行維修和保養(yǎng)[1-2]。隨著產(chǎn)品更新?lián)Q代速度的加快和生產(chǎn)效率的提高，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對故障診斷的高效性、便捷性和精確性提出了更高的要求。目前常用的故障診斷方法有：直接觀察法、專家系統(tǒng)法、振動噪聲測試法等。傳統(tǒng)的故障診斷方法很大程度上依賴于人工干預(yù)和經(jīng)驗(yàn)值判斷，無法準(zhǔn)確高效定位和識別故障點(diǎn)、故障類型以及故障程度，尤其是對早期故障的發(fā)生缺乏預(yù)警能力，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了較大的風(fēng)險(xiǎn)，甚至影響到作業(yè)工人的生命安全[3-4]。近年來，隨著研究的縱深和應(yīng)用面的擴(kuò)展，深度學(xué)習(xí)技術(shù)取得了諸多重大突破，其具有的強(qiáng)大的特征提取能力和優(yōu)異的學(xué)習(xí)訓(xùn)練能力引起了軸承故障診斷領(lǐng)域?qū)W者的大量關(guān)注和研究[5]。深度學(xué)習(xí)技術(shù)能夠在海量多維的測量數(shù)據(jù)中不依賴人工標(biāo)記故障特征，自動提取有效參數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，以訓(xùn)練優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)模型，降低環(huán)境干擾和工況變化所引起的故障診斷不準(zhǔn)確和故障程度辨識率低的問題，促進(jìn)軸承故障診斷技術(shù)向著自動化和智能化方向發(fā)展。基于此，主要概述深度置信網(wǎng)絡(luò)(deep belief network, DBN)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(convolutional neural network, CNN)和自編碼器(auto encoders, AE) 三種典型的深度學(xué)習(xí)模型，并論述了深度學(xué)習(xí)在軸承故障診斷領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展。最后討論了深度學(xué)習(xí)在軸承故障診斷領(lǐng)域所存在的問題及未來的發(fā)展趨勢。

1 深度學(xué)習(xí)

深度學(xué)習(xí)(deep learning)由Geoffrey Hinton教授在2006年提出[6-7]，屬于機(jī)器學(xué)習(xí)的分支，也是人工智能研究領(lǐng)域的前沿趨勢之一，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和特征提取與分類能力，廣泛應(yīng)用于設(shè)備故障診斷、語言識別、圖形圖像處理等領(lǐng)域[8-9]。相較于淺層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不易處理復(fù)雜函數(shù)和自然信號以及模型泛化能力的不足，深度學(xué)習(xí)具有深層自主學(xué)習(xí)能力和強(qiáng)大的模型診斷與自我泛化能力有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法對人工經(jīng)驗(yàn)的依賴性[10-11]。深度學(xué)習(xí)的本質(zhì)，是在機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)框架中構(gòu)建大量的隱含層[12]，并通過海量的數(shù)據(jù)訓(xùn)練學(xué)習(xí)，構(gòu)建出深層非線性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)用以逼近復(fù)雜函數(shù)，從而提取出所需要的模型特征來提升分類和預(yù)測的準(zhǔn)確性，具備從少數(shù)樣本數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)中直達(dá)本質(zhì)特征的能力。區(qū)別于傳統(tǒng)的淺層學(xué)習(xí)，深度學(xué)習(xí)具有以下特點(diǎn)。

(1)強(qiáng)調(diào)了模型架構(gòu)的層次深度[13]。深度學(xué)習(xí)與傳統(tǒng)的淺層學(xué)習(xí)具有一定的相似性，二者都是采用分層學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)，包括輸入層、隱含層和輸出層。其主要區(qū)別在于，深度學(xué)習(xí)在隱含層中設(shè)置了多層次、多維度的隱含節(jié)點(diǎn)用以訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，并將前一層的訓(xùn)練結(jié)果作為下一層的輸入樣本，通過逐層訓(xùn)練和學(xué)習(xí)有效提高了模型的精確性。

(2)突出了特征學(xué)習(xí)的重要性。深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將分類器與特征學(xué)習(xí)結(jié)合到一起，有效減少了手工設(shè)計(jì)與提取特征的工作量，系統(tǒng)可自動提取、學(xué)習(xí)特征信息，并對特征進(jìn)行逐層組合、變換，將原空間的樣本特征變換到新的特征空間，以實(shí)現(xiàn)分類、識別和預(yù)測的功能[14]。同時(shí)由于特征的提取與學(xué)習(xí)經(jīng)歷了多層次、多維度的泛化過程，其特征表達(dá)能力得到了有效提升，能夠表達(dá)大規(guī)模數(shù)據(jù)和復(fù)雜問題。

通過文獻(xiàn)分析可知，典型的深度學(xué)習(xí)模型主要有深度置信網(wǎng)絡(luò)(DBN)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)和自編碼器(AE)[15-17]。其中，DBN是多層節(jié)點(diǎn)深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，能將低層數(shù)據(jù)特征逐層抽象為高層特征表示，無需人工提取特征，提高了學(xué)習(xí)過程的智能化和精確化，使用大量無標(biāo)簽數(shù)據(jù)通過逐層貪婪算法對樣本進(jìn)行訓(xùn)練，然后再使用少量有標(biāo)簽數(shù)據(jù)對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行微調(diào)(fine-tune)，得到整個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最大概率數(shù)據(jù)，能用于有監(jiān)督學(xué)習(xí)，也能用于無監(jiān)督學(xué)習(xí)。其模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 DBN結(jié)構(gòu)

CNN是深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的另一種模型，其模型結(jié)構(gòu)如圖2所示，包含多個隱層，能通過逐層的特征傳遞，將低層特征變換到高層特征，以實(shí)現(xiàn)特征的學(xué)習(xí)和表達(dá)[18]。通過研究可知，隱含層的數(shù)量越多，其模型精度越高[19]，和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一樣都是有監(jiān)督學(xué)習(xí)算法，需要使用有標(biāo)簽的數(shù)據(jù)作為網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的樣本，然后用學(xué)習(xí)得到的模型對待測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，廣泛應(yīng)用于語音識別[20]、圖像處理[21]、行為檢測[22]、文本分類[23]等領(lǐng)域，具有強(qiáng)大的分類能力。

圖2 CNN結(jié)構(gòu)

AE[24]分為兩個部分：編碼器和解碼器，它是一個典型的無監(jiān)督三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖3所示，包括輸入層、隱藏層和輸出層。自編碼器通過對誤差函數(shù)的重構(gòu)來復(fù)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)而降維并提高特征提取的準(zhǔn)確性[25]。在自編碼器的框架下，學(xué)者開發(fā)了變種模型，如降噪自編碼器、堆疊降噪自編碼器、棧式自編碼器、稀疏自編碼器等。

圖3 AE結(jié)構(gòu)

2 深度學(xué)習(xí)在軸承故障診斷領(lǐng)域的應(yīng)用

軸承結(jié)構(gòu)簡潔、相對摩阻小、啟動性能好，是旋轉(zhuǎn)設(shè)備的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用于各類裝置中，為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了重要支撐和保障[26]，但由于工作環(huán)境和負(fù)載變化等因素影響，極易引起軸承故障[27]，給生產(chǎn)作業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來重大損失，因此對其進(jìn)行及時(shí)有效的故障診斷具有重要意義[28-30]。

傳統(tǒng)的故障診斷方法[31-32]大多集中在淺層學(xué)習(xí)方面，通過人工提取特征、降維來進(jìn)行故障診斷[33]。對于多維復(fù)雜的故障問題處理能力不足，特征的提取與分類主要依賴人工，缺乏有效的無標(biāo)簽樣本學(xué)習(xí)能力，診斷精度較低，且對數(shù)據(jù)處理的硬件設(shè)備要求較高，體積龐大。

隨著深度學(xué)習(xí)、傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)融合研究在故障診斷領(lǐng)域的快速發(fā)展，使得實(shí)時(shí)采集軸承狀態(tài)信息成為可能，為其高精度故障診斷提供了切實(shí)可行的途徑。自深度學(xué)習(xí)引入到軸承故障診斷領(lǐng)域以來，取得了大量的研究成果，相比淺層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，深度學(xué)習(xí)有著更高的效率和準(zhǔn)確性[34]。萬齊楊等[35]提出一種基于深度卷積自編碼器的軸承故障診斷方法，首先采用小波變換構(gòu)造出不同狀態(tài)下振動信號的時(shí)頻域圖，然后使用深度卷積自編碼器對時(shí)頻圖進(jìn)行去噪，最后利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對去噪后的時(shí)頻圖進(jìn)行故障分類。結(jié)果表明在高噪聲環(huán)境下，所提出的故障診斷方法比CNN、堆疊降噪自編碼器兩種深度學(xué)習(xí)方法具有更高的故障識別率。吳小龍等[36]使用傳統(tǒng)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(deep neural networks, DNN)中被廣泛用于無監(jiān)督學(xué)習(xí)的去噪自編碼器進(jìn)行特征提取，然后對傳統(tǒng)的DNN中的去噪自編碼器進(jìn)行稀疏化處理，使得特征的提取更加合理、準(zhǔn)確，并在DNN中引入核函數(shù)運(yùn)算，形成多核結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在軸承故障診斷中可靠性、穩(wěn)定性和診斷精度。Sun等[37]從軸承受力分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、環(huán)境件構(gòu)造等角度對軸承的故障診斷展開研究，通過故障數(shù)據(jù)采集、特征提取與融合，建立了軸承有限元模型，并設(shè)置了試驗(yàn)驗(yàn)證，改善了軸承徑向載荷不均、滾子損壞和保持架應(yīng)力集中的不良狀況。馮定等[38]通過提取高造斜率井眼軌跡控制工具懸臂軸承故障特征和故障類型，結(jié)合其作業(yè)特點(diǎn)分析了懸臂軸承的失效原因，并給出了推薦使用的軸承型號。杜小磊等[39]提出一種基于改進(jìn)深層小波自編碼器的軸承故障智能診斷方法，該方法改進(jìn)小波自編碼器的損失函數(shù)并引入收縮項(xiàng)限制，再將多個小波自編碼器進(jìn)行堆疊構(gòu)成深層小波自編碼器，并引入“跨層”連接緩解梯度消失現(xiàn)象，最后利用大量無標(biāo)簽數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練并利用少量帶標(biāo)簽數(shù)據(jù)對模型參數(shù)有監(jiān)督微調(diào)，結(jié)果表明該方法能有效地對軸承進(jìn)行多種故障類型和故障程度的識別，特征提取能力和識別能力優(yōu)于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度信念網(wǎng)絡(luò)、深度自編碼器等方法。宮文峰等[40]提出一種改進(jìn)CNN新方法用于滾動軸承故障的快速智能診斷，引入全局均值池化技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)CNN全連接層部分，并運(yùn)用數(shù)據(jù)增強(qiáng)、Dropout等深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練技巧，該方法能有效解決傳統(tǒng)CNN模型參數(shù)量過多的問題，提高了故障識別準(zhǔn)確率并縮短了計(jì)算耗時(shí)。祝道強(qiáng)等[41]提出了一種基于一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變負(fù)載適應(yīng)軸承診斷模型，卷積結(jié)構(gòu)使用小卷積核層堆疊的興衰形式，訓(xùn)練時(shí)對輸入層進(jìn)行均勻分布失活率的隨機(jī)失活，以提高網(wǎng)絡(luò)的變負(fù)載適應(yīng)能力，且采用全局平均池化降低模型計(jì)算量和減輕過擬合程度，研究結(jié)果表明所提出的模型泛化能力強(qiáng)，能夠在變負(fù)載環(huán)境下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、穩(wěn)定的軸承故障診斷。李濤等[42]提出一種基于粒子群優(yōu)化(partical swarm optimization, PSO)算法的自適應(yīng)CNN故障診斷方法，并將其應(yīng)用于滾動軸承故障診斷，提高了故障診斷的精度和迭代速度。羅金等[43]提出一種基于總體平均經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(ensemble empirical mode decomposition, EEMD)和堆疊稀疏自編碼(stacked sparse auto-encoder, SSAE)的滾動軸承故障診斷方法，將振動信號分解后選取大峭度值分量作為敏感故障特征，再提取其時(shí)域和頻域特征構(gòu)建數(shù)據(jù)集輸入診斷模型進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，研究表明該方法訓(xùn)練耗時(shí)短，故障識別率高。顧鑫等[44]提出一種CNN與極限學(xué)機(jī)(extreme learning machine, ELM)相結(jié)合的滾動軸承自適應(yīng)故障診斷方法，該方法首先通過卷積層和池化層提取低階特征來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以合成高階特征，然后用于極限學(xué)習(xí)機(jī)的故障分類，能夠縮短模型訓(xùn)練時(shí)間，提高模型的識別率和魯棒性。周奇才等[45]提出了基于改進(jìn)堆疊式循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ISRNN)的軸承故障診斷模型，如圖4所示，通過門控循環(huán)單元解決了堆疊式循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)梯度消失的問題，結(jié)果表明該模型在可靠性與泛化能力方面有了一定的提高。

圖4 改進(jìn)堆疊式循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)

針對傳統(tǒng)軸承故障診斷過多依賴于人工經(jīng)驗(yàn)、自動識別程度低且成本高昂的缺陷，Janssens等[46]建立了基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軸承狀態(tài)監(jiān)測特征學(xué)習(xí)模型，該模型能夠從海量數(shù)據(jù)中自主學(xué)習(xí)有用特征用于軸承故障診斷，并針對軸承外環(huán)故障、潤滑失效、轉(zhuǎn)子不平衡以及軸承正常4種工況進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明其故障診斷準(zhǔn)確率達(dá)到了93.61%。許愛華等[47]提出基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電機(jī)軸承故障診斷算法，使用原始診斷數(shù)據(jù)作為網(wǎng)絡(luò)模型的輸入對其進(jìn)行訓(xùn)練，根據(jù)振動數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和試驗(yàn)對比選擇模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，進(jìn)而通過深層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的卷積操作以實(shí)現(xiàn)對原始振動數(shù)據(jù)的特征提取，最后在輸出端利用Softmax分類器進(jìn)行分類，該方法能夠克服故障診斷算法對人工干預(yù)和專家經(jīng)驗(yàn)的依賴，并提高故障診斷的準(zhǔn)確率。單外平等[48]采用DBN，直接從原始數(shù)據(jù)對軸承故障進(jìn)行智能識別。無需人工提取特征，降低了傳統(tǒng)特征提取過程的操作難度和不確定性，結(jié)果表明DBN能夠直接通過原始數(shù)據(jù)對軸承故障進(jìn)行高效識別，運(yùn)用該方法的故障識別率接近100%。針對復(fù)雜工況下從非線性非平穩(wěn)振動信號中難以提取故障特征的問題，Li等[49]通過引入拉普拉斯變換細(xì)化故障特征，基于層次模熵(hierarchical fuzzy entropy, HFE)方法和改進(jìn)的支持向量機(jī)二叉樹(improved support vector machine based binary tree, ISVM-BT)診斷軸承故障，試驗(yàn)表明該方法能夠有效識別不同類別和不同程度的滾動軸承故障。Ding等[50]在傳統(tǒng)卷積自編碼網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上提出一種一維多尺度卷積自動編碼的診斷模型，該模型首先使用并行、不同尺度的卷積核和反卷積核對輸入信號進(jìn)行特征提出和重構(gòu)，然后將多尺度卷積核所提取得到的特征圖作為分類器的輸入，最后用帶標(biāo)簽的數(shù)據(jù)對全模型的參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。研究結(jié)果表明一維多尺度卷積自動編碼模型對滾動軸承故障數(shù)據(jù)有更好的識別效果。李小娟等[51]提出一種基于歐式距離的深度度量學(xué)習(xí)的軸承故障診斷方法，實(shí)現(xiàn)對不同類型和嚴(yán)重程度的軸承故障的分類識別，結(jié)果表明所建立的深度度量網(wǎng)絡(luò)模型能夠在不依賴信號處理技術(shù)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的情況下有效地對軸承故障進(jìn)行高精度診斷，診斷結(jié)果優(yōu)于傳統(tǒng)DBN故障診斷方法以及常用時(shí)域統(tǒng)計(jì)特征結(jié)合支持向量機(jī)(support vector machine, SVM)分類的故障診斷方法。韓濤等[52]利用多小波變換(multi-wavelet transform, MWT)方法對滾動軸承的振動信號進(jìn)行后處理，得到多小波系數(shù)分支構(gòu)造特征圖以建立CNN分類器組模型，從而實(shí)現(xiàn)對滾動軸承復(fù)合故障的智能診斷。劉慧斌等[53]利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠自動提取故障特征的特性，提出端到端的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動提取故障特征進(jìn)行多故障分析的軸承故障診斷方法，算法模型如圖5所示，相較于傳統(tǒng)的人工故障特征提取方法能夠有效提高故障診斷精度和故障點(diǎn)定位精度。

圖5 端到端深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

鑒于現(xiàn)有軸承故障診斷模型環(huán)境適應(yīng)性差、噪聲干擾嚴(yán)重、故障樣本少以及特征參數(shù)設(shè)置難的問題，Zhang等[54]將包絡(luò)譜的稀疏度與峭度值引入到移不變K均值奇異值分解字典學(xué)習(xí)算法(shift-invariantK-means singular value decomposition, SI-K-SVD)中用于迭代次數(shù)和模式長度的選取，提出最優(yōu)參數(shù)移不變奇異值分解字典學(xué)習(xí)算法(optimal parameter shift-invariantK-means singular value decomposition, OP-SI-K-SVD)，并通過仿真與臺架試驗(yàn)驗(yàn)證了OP-SI-K-SVD算法相較于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解、小波變換和K均值奇異值分解算法在齒輪箱軸承早期故障診斷中具有更高的診斷準(zhǔn)確性和特征提取能力。昝濤等[55]設(shè)計(jì)了一種具有多輸入層的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來優(yōu)化軸承故障診斷模型的抗噪聲干擾性能，提高診斷模型的魯棒性。該模型以原始信號為初始輸入層，充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)模型多輸入層和自動學(xué)習(xí)原始信號特征的優(yōu)勢，提升模型的識別精度、收斂特性和泛化能力。趙小強(qiáng)等[56]針對傳統(tǒng)軸承故障診斷方法自適應(yīng)性差的缺點(diǎn)，提出一種改進(jìn)Alexnet的滾動軸承變工況故障診斷方法，該方法直接從原始數(shù)據(jù)中提取深層數(shù)據(jù)特征，能夠在變工況、強(qiáng)噪聲的環(huán)境中自適應(yīng)地對軸承進(jìn)行高精度故障診斷。Kang等[57]提出了一種基于多域特征相對補(bǔ)償距離和局部線性嵌入的滾動軸承狀態(tài)評估方法，構(gòu)造了多域特征向量和距離補(bǔ)償指標(biāo)，有效地消除了振動信號的相關(guān)性和冗余性，提高了軸承故障診斷的效率和精度。涂小衛(wèi)等[58]提出一種快速傅里葉變換(FFT)+深度置信網(wǎng)絡(luò)(DBN)+參數(shù)尋優(yōu)的牽引系統(tǒng)電機(jī)軸承故障診斷方法，完成了無監(jiān)督特征提取與有監(jiān)督微調(diào)網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建，解決了網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置難的問題，并有效提高了電機(jī)軸承故障識別準(zhǔn)確度。譚俊杰等[59]采用核函數(shù)映射和無監(jiān)督學(xué)習(xí)的深度置信網(wǎng)絡(luò)開展軸承故障診斷研究，提高了源域和目標(biāo)域的相似性，改善了訓(xùn)練樣本不足而導(dǎo)致模型精度低的缺陷，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法具有較高的診斷精度。王金瑞等[60]針對轉(zhuǎn)速波動工況下的軸承故障診斷提出了根據(jù)轉(zhuǎn)速信息提取頻域樣本進(jìn)行訓(xùn)練的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型，利用平移和縮放參數(shù)處理轉(zhuǎn)速波動引起的頻移和幅變，減輕了模型內(nèi)部協(xié)變量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，加快了模型收斂。結(jié)果表明，該方法能夠在轉(zhuǎn)速波動工況下實(shí)現(xiàn)軸承故障的準(zhǔn)確識別。Wang等[61]通過初始化深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并采用粒子群尋優(yōu)等方法構(gòu)建了自適應(yīng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，提高了模型的高效性和魯棒性。莊雨璇等[62]針對現(xiàn)有診斷模型的應(yīng)用環(huán)境泛化能力不足的缺陷，提出一種基于長短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)的端到端故障診斷模型e2e-LSTM(end-to-end long short term memory network)，直接利用時(shí)域振動信號對軸承的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷，模型架構(gòu)如圖6所示。結(jié)果表明該模型環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，能夠一次性識別多種軸承故障以及故障尺寸。

圖6 e2e-LSTM的模型框架圖

近年來，深度學(xué)習(xí)在故障診斷領(lǐng)域發(fā)展勢頭迅猛，成果頗豐，隨著其在軸承故障診斷的研究深入，對于軸承狀態(tài)的實(shí)時(shí)追蹤與評價(jià)取得了較好的效果，其快速迭代和收斂特性更能適應(yīng)科技高速發(fā)展與產(chǎn)品快速更新?lián)Q代的要求，與大數(shù)據(jù)融合方面也有著更高的契合度，為軸承故障診斷的自動化與智能化提供了有效的途徑。但現(xiàn)有研究大多處于理論分析與室內(nèi)試驗(yàn)階段，與實(shí)際工程應(yīng)用尚有距離，且隨著未來軸承應(yīng)用場景的多樣化與復(fù)雜化，高效、多維、準(zhǔn)確的特征抓取、學(xué)習(xí)與分類，與傳統(tǒng)故障診斷方法的有效融合、向不同類型軸承故障診斷領(lǐng)域延伸，故障精確定位、以及如何構(gòu)建更加安全、穩(wěn)定的故障診斷模型來鞏固軸承在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要作用等方面的研究也要有所突破。

3 存在的問題

深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于軸承故障診斷領(lǐng)域的目的是試圖通過尋求可量測的特征向量來判斷軸承處于何種狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的故障檢測、診斷與識別匹配等?；谏疃葘W(xué)習(xí)的故障診斷策略是模擬人類思維的學(xué)習(xí)以及推理過程，通過有效的特征提取、選擇和分類識別處理診斷信息，模擬人類專家，以靈活的診斷策略對監(jiān)測對象的運(yùn)行狀態(tài)和故障信息做出智能判斷和決策。隨著科技的發(fā)展和研究的深入，基于深度學(xué)習(xí)的故障診斷技術(shù)尚存在一些挑戰(zhàn)性的問題有待進(jìn)一步研究。

(1)故障診斷深度學(xué)習(xí)模型本身的準(zhǔn)確性不夠高，無法快速準(zhǔn)確地識別軸承運(yùn)行狀況。深度學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練耗時(shí)，驗(yàn)證過程較為復(fù)雜，這就要求所建立的深度學(xué)習(xí)模型準(zhǔn)確、高效，提取的特征直觀、完備。

(2)深度學(xué)習(xí)在復(fù)雜性、多元性故障診斷領(lǐng)域的應(yīng)用尚待研究。由于診斷對象日趨復(fù)雜，復(fù)合故障和系統(tǒng)故障呈現(xiàn)出多因素耦合作用、傳遞路徑復(fù)雜的狀態(tài)，使得獲取準(zhǔn)確、有效的特征信息越來越困難，導(dǎo)致單一故障診斷方法難以有效溯源故障成因。如何應(yīng)對新出現(xiàn)的故障識別與診斷問題亟待解決。

(3)深度學(xué)習(xí)故障診斷模型與傳統(tǒng)故障診斷模型混合協(xié)同作業(yè)研究較少。如何針對不同故障和模型的特點(diǎn)，取長補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)不同模型間的相互融合與協(xié)同作業(yè)，對復(fù)雜工況下的軸承故障診斷工作而言是非常關(guān)鍵的。

(4)深度學(xué)習(xí)故障診斷特征的高效準(zhǔn)確提取與識別需要重點(diǎn)關(guān)注。特征提取是故障診斷的關(guān)鍵步驟，也是進(jìn)行正確故障檢測和分離的前提。如何有效剝離干擾信息，直達(dá)故障特征，減小樣本訓(xùn)練量和模型層數(shù)，縮短模型訓(xùn)練耗時(shí)，進(jìn)行高效有序、精確的小樣本模型訓(xùn)練是一個極具挑戰(zhàn)的課題。

(5)海量多維訓(xùn)練樣本的融合統(tǒng)一研究不夠。現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的復(fù)雜性造成了訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)的海量、多源以及時(shí)間與空間尺度上的多維性，如何將深度學(xué)習(xí)與分散不統(tǒng)一的訓(xùn)練數(shù)據(jù)相結(jié)合，構(gòu)建易于訓(xùn)練，可自適應(yīng)協(xié)調(diào)多源海量數(shù)據(jù)融合的訓(xùn)練模型也是一個值得研究的方向。

4 發(fā)展趨勢

隨著深度學(xué)習(xí)研究在軸承故障診斷領(lǐng)域的不斷發(fā)展與進(jìn)步，提高深度學(xué)習(xí)模型的準(zhǔn)確性、深入復(fù)雜故障診斷領(lǐng)域、與傳統(tǒng)診斷模型協(xié)同作業(yè)、故障特征的高效準(zhǔn)確提取、多維數(shù)據(jù)樣本融合統(tǒng)一，以及提高深度學(xué)習(xí)故障診斷模型的魯棒性，必將給故障診斷的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性帶來質(zhì)的飛躍。根據(jù)現(xiàn)有研究可知，基于深度學(xué)習(xí)的軸承故障診斷模型訓(xùn)練方法主要包括有監(jiān)督學(xué)習(xí)、無監(jiān)督學(xué)習(xí)、半監(jiān)督混合學(xué)習(xí)等。在訓(xùn)練數(shù)據(jù)方面，目前有標(biāo)簽的數(shù)據(jù)特征學(xué)習(xí)占有重要位置，然而在故障診斷的實(shí)際應(yīng)用中，故障數(shù)據(jù)往往呈現(xiàn)出無標(biāo)簽、多維度，并且數(shù)據(jù)量巨大的特性，掌握這些海量數(shù)據(jù)的標(biāo)簽是十分困難的事情。在不遠(yuǎn)的將來，隨著數(shù)據(jù)采集和存儲技術(shù)的發(fā)展，無數(shù)據(jù)標(biāo)簽的特征學(xué)習(xí)，將會越來越被重視，如何自動、智能的為數(shù)據(jù)添加標(biāo)簽將是未來研究的熱點(diǎn)。此外，研究高精度、高效率的硬件設(shè)備，配合深度學(xué)習(xí)的海量數(shù)據(jù)儲存、分類及運(yùn)行，能夠使深度學(xué)習(xí)性能更好地發(fā)揮出來。綜上所述，深度學(xué)習(xí)在軸承故障診斷領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和發(fā)展趨勢有以下幾個方面。

(1)軸承故障診斷深度學(xué)習(xí)模型特征參數(shù)提取的準(zhǔn)確性和故障診斷精度亟待提高。在復(fù)雜環(huán)境、噪聲干擾和變載荷工況下確保軸承故障診斷的準(zhǔn)確性和高效性是保障軸承安全有效運(yùn)行的重要前提。

(2)深度學(xué)習(xí)故障診斷領(lǐng)域的新方法、新工藝、新材料需要加大研究力度。通過對軸承故障的深入研究，縮短模型訓(xùn)練耗時(shí)、故障診斷耗時(shí)、提高軸承使用壽命以及對傳感器硬件和數(shù)據(jù)融合精度的研究，降低故障診斷的軟硬件成本，更好地為生產(chǎn)建設(shè)服務(wù)。

(3)基于深度學(xué)習(xí)的軸承故障診斷應(yīng)用范圍亟須拓展?，F(xiàn)有研究大多針對金屬材料滾動軸承的故障診斷，對于塑料軸承、鉸支軸承以及可承載軸向力的滑動軸承、PDC(polycrystalline diamond compact)鑲嵌軸承等特種軸承和專用軸承故障診斷研究較少。與此同時(shí)，還需要加大其工程運(yùn)用力度，做到理論聯(lián)系實(shí)際并指導(dǎo)實(shí)際。

(4)不同的軸承故障診斷方法融合機(jī)制亟待建立?，F(xiàn)有診斷方法大多只針對特定的故障種類，且新方法與傳統(tǒng)方法分裂獨(dú)立，不夠全面系統(tǒng)。因此亟須建立覆蓋范圍廣、辨識程度高的軸承故障診斷方法的有機(jī)融合機(jī)制。

(5)減少人工操作工作量，促進(jìn)軸承故障診斷向著智能化發(fā)展。當(dāng)前工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)逐漸向著自動化和智能化過渡，因此軸承的故障診斷也應(yīng)該向著自適應(yīng)檢測與診斷方向發(fā)展，同時(shí)減少人工工作量和人為因素也是降本增效、提高安全性的有效途徑。

(6)加大深度學(xué)習(xí)在軸承早期故障檢測與狀態(tài)評判方面的研究。當(dāng)前，軸承故障診斷主要集中在故障發(fā)生之后，甚至是軸承功能已經(jīng)喪失或局部喪失后的階段，此時(shí)危害與損失已經(jīng)無法挽回。因此，加大軸承早期故障的監(jiān)測研究，做到防患于未然，也是非常有必要的。