變工況滾動軸承故障診斷方法綜述

胡春生，李國利，趙 勇，成芳娟

寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，銀川750021

在現(xiàn)代化裝備制造業(yè)中，旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備正朝向重載化、自動化、智能化的趨勢不斷發(fā)展，其結(jié)構(gòu)更加精密，功能更加復(fù)雜，是現(xiàn)代裝備不可或缺的重要組成部分[1-3]。滾動軸承常被用于支撐旋轉(zhuǎn)體、減小摩擦以及保證回轉(zhuǎn)精度等，是旋轉(zhuǎn)機(jī)械傳動裝置最重要的部件之一。由于軸承長時間高速旋轉(zhuǎn)，常常伴隨著磨損、高溫、重載等嚴(yán)苛的工作條件，因此故障頻發(fā)。研究顯示，軸承發(fā)生故障是很多重大安全事故的誘因，一旦軸承發(fā)生故障，輕則停機(jī)停產(chǎn)，重則造成人員傷亡，給生產(chǎn)生活帶來巨大災(zāi)難[4]。因此，對軸承運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測以及故障診斷具有重大安全意義。經(jīng)過國內(nèi)外科研人員近40年的研究，軸承故障檢測與診斷技術(shù)發(fā)展了大量的有效方法，如溫度、油屑分析、振動、聲發(fā)射、靜電、超聲等[5]。由于振動數(shù)據(jù)便于分析并容易獲得，因此絕大多數(shù)的研究都是通過分析振動信號來進(jìn)行故障診斷。

當(dāng)前傳統(tǒng)恒定工況的軸承故障診斷方法主要分為兩種，一種是以信號分析為主的傳統(tǒng)故障診斷方式，如EMD[6]、集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EEMD）[7]和奇異值分解（SVD）[8]等，該方法依靠人工提取特征值，因此該方法十分依賴專家經(jīng)驗；另一種為以數(shù)據(jù)驅(qū)動為主的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，如RNN（包括LSTM和GRU）[9-10]、Logistic回歸[11]、支持向量機(jī)（SVM）[12]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）[13]和CNN[14]等，該方法無需人工參與，可自動提取信號特征，且準(zhǔn)確率大大提高，因此被廣泛應(yīng)用于故障診斷領(lǐng)域。

然而在實際工程中，軸承運(yùn)行環(huán)境是變轉(zhuǎn)速、變負(fù)載的。例如，汽車的車速和載重變化、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)速風(fēng)向的變化、生產(chǎn)線上產(chǎn)品需求的變化等因素都會導(dǎo)致其軸承運(yùn)行工況的變化，變化的工況導(dǎo)致振動信號出現(xiàn)幅值變化、脈沖間隔變化、采樣相位不恒定等問題，從而造成故障特征的動態(tài)變化，僅靠單一手段進(jìn)行特征提取的傳統(tǒng)方法無法解決變工況條件下數(shù)據(jù)分布的差異問題，給變工況條件下的故障診斷帶來巨大挑戰(zhàn)。當(dāng)前解決變工況問題的方法主要有三種，分別是信號解調(diào)和信號處理、深度學(xué)習(xí)和遷移學(xué)習(xí)方法。本文回顧近五年變工況軸承故障診斷方法進(jìn)展，簡要地介紹了各類算法的原理，總結(jié)其適用場景及優(yōu)勢與不足，并對未來的研究方向做出展望，為后續(xù)研究指明方向。

1 信號解調(diào)與信號處理方法

當(dāng)軸承處于健康的運(yùn)行狀態(tài)時，產(chǎn)生的振動信號具有平穩(wěn)性與隨機(jī)性，但是一旦軸承發(fā)生故障，將出現(xiàn)周期性的沖擊特性與一定的非平穩(wěn)性[15]。由于基于時域的均方根（RMS）、偏度或峰度等統(tǒng)計量會因速度變化而變化，因此以這些統(tǒng)計量作為特征的故障診斷方法是無效的，在頻域上會引起頻域模糊現(xiàn)象。解決以上問題的方法主要有階次跟蹤以及時頻分析等方法。

1.1 階次跟蹤法

軸承振動信號一般通過在驅(qū)動端、風(fēng)扇端安裝加速度傳感器，按照恒定的時間間隔測得，由于軸承轉(zhuǎn)動速度不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致采集到的信號不再具有周期性與平穩(wěn)性。階次跟蹤法是解決變速問題中應(yīng)用廣泛的故障診斷方法之一。與按照固定時間間隔采樣方式不同，最初的階次跟蹤通過硬件對振動信號進(jìn)行等角度重采樣，因此也被稱為硬件階次跟蹤（HOT）[16]，該方法采集速度塊，可在線實現(xiàn)。然而，當(dāng)軸承轉(zhuǎn)速變化較快時，需不斷動態(tài)調(diào)整采樣頻率及濾波器的截止頻率，導(dǎo)致出現(xiàn)一定程度的采樣延遲和誤差，而且，該方法需要可調(diào)模擬濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)化器等硬件支持，不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性及成本，同時限制了硬件階次跟蹤法的應(yīng)用。

為解決硬件階次跟蹤的局限性，發(fā)展了計算階次跟蹤法[17]。該方法以固定時間間隔獲取振動信號并實時獲得轉(zhuǎn)速信息，然后根據(jù)轉(zhuǎn)速計脈沖計算出的旋轉(zhuǎn)相位通過數(shù)值插值算法對振動信號重采樣，從而將時域振動信號轉(zhuǎn)化為角域振動信號。通過信號分析等手段，提取故障特征，用于滾動軸承故障診斷。針對變速引起的頻域模糊現(xiàn)象，張亢等[18]使用階次跟蹤法（COT）將時域振動信號重采樣為角域振動信號后，對角域信號進(jìn)行局部均值分解（LMD）得到多個乘積函數(shù)分量，通過分析各個乘積函數(shù)分量的頻譜判斷軸承的故障類型和損傷程度。SPRO、SPRI 和SPRR 等頻域特征僅在平穩(wěn)運(yùn)行條件下有效表征軸承缺陷，但是在變速條件下將會失效，F(xiàn)arhat等[19]基于計算階次分析技術(shù)，更新了SPRO、SPRI和SPRR 三個頻域特征，進(jìn)而提取故障特征。楊武成[20]利用計算階次分析法對振動信號角域重采樣后，進(jìn)一步利用Hilbert 包絡(luò)解調(diào)把低頻故障信號從高頻載波信號中解調(diào)出來，進(jìn)而提取故障特征。尹學(xué)慧[21]認(rèn)為Hilbert變換在軸承轉(zhuǎn)速波動較大的情況下并不適用，通過對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行Envelope 函數(shù)包絡(luò)、Hilbert 變換包絡(luò)、平方包絡(luò)等包絡(luò)計算發(fā)現(xiàn)，基于Envelope函數(shù)的包絡(luò)能更有效地計算出變工況下故障信號的調(diào)制階次?；诖?，通過階次跟蹤技術(shù)與Envelope函數(shù)包絡(luò)相結(jié)合，研究了軸承的故障機(jī)理和不同轉(zhuǎn)速下軸承的階次值，從而在變速條件下實現(xiàn)故障診斷。盡管計算階次跟蹤法擺脫了模擬濾波器等硬件的局限性，節(jié)約了成本以及系統(tǒng)復(fù)雜性，但是精度嚴(yán)重依賴于插值，并且需要轉(zhuǎn)速計獲取速度信息，導(dǎo)致該方法的應(yīng)用受到了限制。

在軸承轉(zhuǎn)速信息不可用時，發(fā)展了無轉(zhuǎn)速計的階次跟蹤法[22]，其中通過時頻分析獲得轉(zhuǎn)軸瞬時頻率的方法應(yīng)用最為廣泛。Wang等[23]將振動信號經(jīng)過短時傅里葉變換（STFT），使用基于幅度和的譜峰搜索算法從TFR中提取瞬時故障特征頻率（IFCF），然后基于階次跟蹤思想，對瞬時故障特征頻率（IFCF）進(jìn)行重采樣，從而將非平穩(wěn)時域信號轉(zhuǎn)換為平穩(wěn)故障相位角度（FPA）域信號，最后將FPA 域信號轉(zhuǎn)換為故障特征階（FCO）域信號并識別故障類型。Huang等[24]認(rèn)為基于瞬時故障特征頻率（IFCF）在TFR具有最大幅值的假設(shè)在某些條件下并不成立，因此提出了一種可靠的基于快速路徑優(yōu)化的多重時頻曲線提取算法，該算法直接從TFR中提取包括IFCF、諧波和ISRF在內(nèi)的T-F曲線，利用平均曲線曲線比來描述提取曲線之間的關(guān)系，通過比較平均曲線比與故障特征系數(shù)來實現(xiàn)故障診斷。Zhu等[25]認(rèn)為角域隱藏著周期特征，為此將短時傅里葉變換與譜相關(guān)分析結(jié)合，提出了一種基于Teager-Kaiser能量算子（TKEO）和角域快速譜相關(guān)（Fast-SC）的故障特征提取方法。Zhao等[26]提出了一種無鍵相階次跟蹤法，首先使用無轉(zhuǎn)速階次跟蹤（TLOT）方法從時域信號中提取轉(zhuǎn)速信息，利用包絡(luò)階次譜（EOS）在階次域中恢復(fù)軸承特征頻率。實驗結(jié)果表明，通過結(jié)合TLOT 和EOS 的優(yōu)點，該方法能夠在變速條件下有效、準(zhǔn)確地識別出不同的軸承故障。Urbanek等[27]提出基于相位解調(diào)原理和聯(lián)合時頻分析的兩步法精確提取轉(zhuǎn)速曲線并完成模擬振動信號和實測振動信號的分析。Feng 等[28]開發(fā)了一種基于譜峭度的聯(lián)合時變幅頻解調(diào)頻譜以及改變故障特征頻率提取的時頻集中方法。

無轉(zhuǎn)速計的階次跟蹤法完全擺脫了硬件的限制，在一定程度上成功解決了速度信息不可用的問題，但是大部分研究都是基于短時傅里葉變換來估計轉(zhuǎn)速信息，然而，STFT是一種線性的固定分辨率的時頻分析方法，同時受Heisenberg-Gabor 不等式的約束，而變工況條件下軸承振動信號具有強(qiáng)時變、強(qiáng)非線性等特點，因此短時傅里葉變換無法從非穩(wěn)定信號中精確估計瞬時轉(zhuǎn)頻，致使基于無轉(zhuǎn)速階次跟蹤法的故障診斷準(zhǔn)確率低于基于硬件階次跟蹤法和計算階次跟蹤法。

1.2 時頻分析

盡管階次跟蹤法在一定程度上解決了變轉(zhuǎn)速問題，但是容易擾亂原始信號的脈沖響應(yīng)，導(dǎo)致包絡(luò)畸變等問題，因此不能很好保證采樣后信號的穩(wěn)態(tài)特征，國內(nèi)外學(xué)者通過時頻分析來解決上述問題。

1.2.1 小波變換

由于快速傅里葉變換的窗口大小固定，無法針對頻率自適應(yīng)。小波變換使用面積固定而形狀可變的窗函數(shù)通過多辨率分析能很好地平衡時間分辨率和頻率分辨率，其本質(zhì)為通過小波基函數(shù)對信號進(jìn)行濾波和加權(quán)，小波基的選擇是影響小波分析效果的關(guān)鍵。

（1）連續(xù)小波變換（CWT）

連續(xù)小波變換的數(shù)學(xué)原理為將振動信號與系列復(fù)共軛小波的卷積運(yùn)算來實現(xiàn)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中，ψ*表示小波基函數(shù)ψ的復(fù)共軛；h表示尺度參數(shù)或膨脹參數(shù)；j表示平移參數(shù)。

王曉龍等[29]為解決軸承失效早期，特征信號微弱，并且受傳遞路徑衰減及環(huán)境噪聲影響等問題，使用不同尺度的小波系數(shù)重構(gòu)信號，從而得到不同尺寸的信號分量，依據(jù)峭度對信號分量進(jìn)行合并，并利用相關(guān)分析進(jìn)行特征篩選，保留峭度值最大的分量。楊蕊等[30]認(rèn)為峭度忽略了信號的周期特性，因此使用相關(guān)峭度來分析信號在各個周期間的相關(guān)程度，從而確定最優(yōu)小波尺度。陳科百[31]認(rèn)為原始信號沖擊成分能量決定連續(xù)小波分解系數(shù)的大小，信號與小波基越相似，分解出的系數(shù)值就越大，因此將信號進(jìn)行連續(xù)小波變換后做小波尺度-能量譜圖，并對小波尺度-能量譜圖中的特殊尺度下的小波系數(shù)進(jìn)行快速傅里葉變換，取得小波系數(shù)的頻譜，最后通過分析小波系數(shù)的頻譜從而提取特征頻率。

小波分析是通過不同尺度伸展的柔性窗口和原信號進(jìn)行對比獲得小波系數(shù)，因而小波變換系數(shù)包含各種尺度下信號的信息，解決了傅里葉變換固定窗口的問題，因此可以處理突變和非穩(wěn)定信號。然而在計算小波系數(shù)時，小波在每個時間尺度域上都是平滑移動的，因此連續(xù)小波變換具有較高的計算成本。

（2）離散小波變換（DWT）

對連續(xù)小波進(jìn)行二階離散化，將公式（1）中的伸縮因子“h”替換為“2j”，平移參數(shù)“j”變?yōu)椤?jk”，就可以得到離散小波變換：

離散小波變換可以將信號分解為高頻通道和低頻通道，分解后的高頻信號還可以繼續(xù)被分為高高頻和低高頻，因此離散小波變換可以有效減少冗余特征。

Li等[32]將振動信號經(jīng)過離散小波變換后，計算各尺度信號的方差，最后根據(jù)對數(shù)方差的斜率估計基于小波的多尺度斜率特征，實現(xiàn)了軸承缺陷的識別以及對齒輪磨損的診斷。

小波分析的最大特點就是所使用的小波基函數(shù)是通過小波函數(shù)經(jīng)過平移、伸縮變換得到的，具有多分辨分析的功能[33]。通過這種多分辨率分析，在高頻信號中獲得一個好的時間分辨率和較差的頻率分辨率，低頻信號中獲得較好的頻率分辨率和較高的時間分辨率。尤其在故障診斷領(lǐng)域，故障信號是瞬態(tài)的、非平穩(wěn)的，小波分析的局部化能力能最大限度去分析信號在時域和頻域上的特征，從而準(zhǔn)確刻畫出信號在任意時刻的瞬時頻率，這是傅里葉分析無法完成的。小波分析中不同的小波基函數(shù)，使其具有良好的多分辨率分析能力，能使時域分辨率和頻域分辨率達(dá)到最佳平衡狀態(tài)。而且，小波分析的時頻分辨率可以根據(jù)信號自適應(yīng)調(diào)整。對于信號中比較陡峭的成分，可在該區(qū)域使用高分辨率的小波來增加頻率分辨能力，對于信號中平滑區(qū)域，小波分辨率可適當(dāng)降低，從而達(dá)到時域頻域分辨率的一個平衡狀態(tài)[34]。小波1層分解后信號分為低頻信號、高頻信號兩個部分，但是在2 層小波分解時，小波變換只對低頻信號進(jìn)行分解，高頻信號不做變化，針對以上不足，國內(nèi)外學(xué)者發(fā)展了小波包變換。

（3）小波包變換（WPT）

小波包變換是一種經(jīng)典的多時間分辨率時頻分析算法，信號經(jīng)過小波包變換后得到低頻帶的近似系數(shù)和高頻帶的細(xì)節(jié)系數(shù)，彌補(bǔ)了小波分析只對低頻成分進(jìn)行分解的缺陷。信號經(jīng)過小波包分解后，通過對分解后和濾波后的分量的動態(tài)特性進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)計算來實現(xiàn)故障的分類。信息熵、排列熵、模糊熵等動力學(xué)指標(biāo)是使用的統(tǒng)計學(xué)方法。張雄等[35]通過計算樣本小波包各子帶的散布熵值來構(gòu)建特征矩陣，通過主成分分析進(jìn)行特征選擇，較少冗余特征，最后采用Meanshift概率密度估計聚類中心位置。Rodriguez 等[36]認(rèn)為擴(kuò)展信息熵可以有效提高故障診斷準(zhǔn)確率，因此提出一種平穩(wěn)小波包結(jié)合色散熵和置換熵的故障診斷方法。

小波包分解的實質(zhì)是對信號高頻部分進(jìn)行小波分解，因此從本質(zhì)上來說兩者只是在應(yīng)用方面?zhèn)戎攸c不同。軸承振動信號在轉(zhuǎn)速比較高的情況下被載波調(diào)至高頻，實驗采集獲得的信號中高頻成分比較多，因此小波包分解比小波分解更適用于處理非平穩(wěn)的振動信號[37-39]。波包分解對信號進(jìn)行的分解更徹底，相比于小波分解更全面，對信號高頻部分繼續(xù)分解，使高頻分辨率增加。

1.2.2 經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解及其衍生算法

小波分析是通過不同尺度伸展的柔性窗口和原信號進(jìn)行對比獲得小波系數(shù)，因而小波變換系數(shù)包含各種尺度下信號的信息，解決了傅里葉變換固定窗口的問題，因此可以處理突變和非穩(wěn)定信號[40]。然而在計算小波系數(shù)時，小波在每個時間尺度域上都是平滑移動的，因此連續(xù)小波變換具有較高的計算成本。在處理非平穩(wěn)信號時，只要小波基選取得當(dāng)，小波包分解就會具有強(qiáng)大的多分辨率分析能力，但是如何選取小波基成為限制小波包分解應(yīng)用的重要因素，經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解成功解決了該問題。

（1）經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EMD）

經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解將任意一個頻率成分復(fù)雜的信號看做一系列本征模態(tài)分量的疊加，信號的頻率信息、時域信息相互耦合，同時各本征模態(tài)函數(shù)相互獨立，因此對非平穩(wěn)信號進(jìn)行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解實質(zhì)上是一個解耦合的過程[41]。假設(shè)軸承故障信號為S(t)，其定義如下：

其中，s(t)為振動信號，v(t)為噪聲。對用于含有噪聲的故障信號進(jìn)行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解步驟如下：

步驟1 確定故障信號S(t)的所有局部極值，應(yīng)用樣條插值法得到故障信號的上包絡(luò)u(t)和下包絡(luò)l(t)，通過下式計算上、下包絡(luò)的均值m1(t)：

步驟2 故障信號S(t)與均值包絡(luò)相減，即可得到第一個分量h1(t)：

步驟3 若分解后的分量h1(t)局部極值點與過零點數(shù)量差不大于1，其極大值與極小值可構(gòu)成包絡(luò)線，且h1(t)的上包絡(luò)線與下包絡(luò)線均值為0，則h1(t)為本征模函數(shù)（IMF），若不符合，則重復(fù)步驟1與步驟2，符合上述條件后的h1(t)即為S(t)的第一個本征模函數(shù)（IMF）分量，記為c1(t)。分離后的信號如下式計算：

步驟4 將分離后的信號重新定義新的信號，并重復(fù)上述三個步驟，即可得到一系列本征模函數(shù)（IMF）分量ci(t)和殘余分量。即原始信號S(t)為各本征模函數(shù)分量ci(t)與殘差分量之和。

其中，r(t)被稱作余項。

楊建華等[42]應(yīng)用級聯(lián)自適應(yīng)分段線性隨機(jī)共振系統(tǒng)對振動信號進(jìn)行降噪，然后對降噪后的信號進(jìn)行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解，從而提取故障特征。任學(xué)平等[43]將經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解與AR譜相結(jié)合來提取故障特征，該方法將信號進(jìn)行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解獲得固有模態(tài)分量后，通過自回歸模型進(jìn)行特征提取，并由AR模型的參數(shù)和殘差的方差組成了故障特征向量矩陣，最后進(jìn)行分類。

經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解無需借助小波基函數(shù)，只針對信號本身進(jìn)行分解，消除了小波基的選取對信號分解的影響，并且分解后的本征模態(tài)分量都代表著原始信號的頻率成分，殘余分量rn(t) 代表了信號變化的平均趨勢。然而，在對信號進(jìn)行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解時，需確定信號的極值點，通過極值點擬合上、下包絡(luò)線，并求得平均包絡(luò)線，進(jìn)而得到本征模態(tài)分量，由于噪聲的存在，導(dǎo)致不同類別信號的極值點很容易發(fā)生變化，從而引起混疊效應(yīng)，此外經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解還存在邊界效應(yīng)、對噪聲敏感等問題。

（2）集成經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EEMD）

為了解決經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解引起的混疊效應(yīng)等缺陷，谷豪等[44]提出一種集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法。該方法通過在分解的過程中加入具有零均值統(tǒng)計特性的高斯白噪聲，以多次分解平均的方式來抵消信號的外來噪聲，從而避免異常事件模式與固有模式的混淆，改善了經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的IMF分量的模態(tài)混淆現(xiàn)象，既保證了分解尺度分布的均勻性，又降低了異常事件的影響，凸顯了振動信號的故障特征。王瀟桐[45]通過對振動信號進(jìn)行集成經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解和模糊熵來進(jìn)行特征提取，并以拼接的方式與時域特征進(jìn)行特征融合，最后得到一個10 維故障特征作為支持向量機(jī)的輸入，進(jìn)而進(jìn)行故障診斷。

時頻分析方法通過提取軸承信號中的時頻特征來進(jìn)行故障診斷，因此信噪比越高，特征提取越容易。然而在故障發(fā)生早期，故障信號十分微弱，傳統(tǒng)的時頻分析方法很難從中提取特征，因此，國內(nèi)外學(xué)者采用基于非線性系統(tǒng)的信號處理方法來解決上述問題。

1.3 基于非線性系統(tǒng)的信號處理

1.3.1 隨機(jī)振動

1981 年，意大利學(xué)者Benzi 等[46]首次提出隨機(jī)共振理論，用于研究古額爾德氣象冰川變化，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械故障診斷、物理以及數(shù)學(xué)等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)提出噪聲方法不同的是，隨機(jī)共振盡量保留原始信號，使噪聲與原始信號產(chǎn)生共振，從而將噪聲能量轉(zhuǎn)移到微弱的信號中，從而完成微弱故障特征提取。傳統(tǒng)的隨機(jī)共振僅能對微弱信號(f<<1 Hz)進(jìn)行特征提取，然而，當(dāng)前旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸承發(fā)生故障時，其故障頻率大約在幾十到上千赫茲，某些高速列車的故障頻率甚至達(dá)到幾萬赫茲，因此該方法失效。為解決上述問題，發(fā)展了幾種微弱高頻特征檢測方法，如頻率轉(zhuǎn)移變尺度隨機(jī)共振[47]、二次采樣隨機(jī)共振[48]、多尺度噪聲調(diào)節(jié)隨機(jī)共振[49]以及多尺度雙穩(wěn)陣列[50]等。影響隨機(jī)共振的因素有三個，分別為周期性驅(qū)動力、噪聲和隨機(jī)共振系統(tǒng)，但是在實際應(yīng)用中，噪聲和信號本身往往無法控制，因此只能通過優(yōu)化隨機(jī)共振系統(tǒng)來產(chǎn)生最佳的隨機(jī)共振。當(dāng)前隨機(jī)共振系統(tǒng)按穩(wěn)態(tài)類型主要分為單穩(wěn)態(tài)、雙穩(wěn)態(tài)與多穩(wěn)態(tài)三種。

基于單穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振系統(tǒng)的非線性勢函數(shù)，Zhang等[51]基于絕對勢和指數(shù)勢，構(gòu)造了廣義指數(shù)型單井勢函數(shù)，然后數(shù)值分析了Levy 噪聲驅(qū)動下相應(yīng)的指數(shù)型單阱自旋共振系統(tǒng)的特性。針對采用粒子群算法調(diào)整單穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振系統(tǒng)的參數(shù)時，全局收斂時間較長問題，Liu等[52]提出了一種基于單穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振的粒子群優(yōu)化算法，將線性慣性加權(quán)函數(shù)改為余弦函數(shù)的非線性函數(shù)，以縮短全局收斂時間。

基于雙穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振系統(tǒng)的非線性勢函數(shù)，田晶等[53]提出了基于容忍遺傳算法（TAGA）的自適應(yīng)雙穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振（BSR）的中介軸承故障診斷方法，該方法在傳統(tǒng)自適應(yīng)遺傳算法中引入容忍度思想，建立一種容忍遺傳算法，采用容忍遺傳算法對雙穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)a、b進(jìn)行優(yōu)化，建立自適應(yīng)雙穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振系統(tǒng)對故障信號進(jìn)行處理。尹進(jìn)田等[54]提出一種基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移算法的參數(shù)同步優(yōu)化隨機(jī)共振新方法用于解決傳統(tǒng)隨機(jī)共振存在參數(shù)固定或僅對單個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的不足問題。該方法采用移頻變尺度方法將大參數(shù)信號變換成小參數(shù)信號，通過狀態(tài)轉(zhuǎn)移算法對隨機(jī)共振系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行同步優(yōu)化，以最大信噪比為優(yōu)化目標(biāo)，可同時獲取系統(tǒng)最優(yōu)參數(shù)，從而有效削弱信號中的噪聲和增強(qiáng)微弱特征，從而實現(xiàn)早期故障準(zhǔn)確診斷。以上方法在對雙穩(wěn)隨機(jī)共振的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)時，會使勢函數(shù)的勢壘高度和勢阱間距同時發(fā)生變化。為了能直觀了解勢函數(shù)特征的變化對雙穩(wěn)隨機(jī)共振的影響，劉進(jìn)軍等[55]提出一種基于勢函數(shù)特征參數(shù)調(diào)節(jié)的隨機(jī)共振方法。該方法通過變量代換法實現(xiàn)勢函數(shù)特征參數(shù)（勢壘高度參數(shù)和勢阱間距參數(shù)）的解耦，因此有利于勢函數(shù)的調(diào)節(jié)。以上研究均基于對稱勢誘導(dǎo)隨機(jī)共振的研究，但是在非對稱勢誘導(dǎo)隨機(jī)共振中，阱深與阱寬非對稱性同時變化，基于此，譙自健等[56]研究阱深和阱寬單一非對稱雙阱勢誘導(dǎo)隨機(jī)共振的微弱征兆特征增強(qiáng)機(jī)理，提出了非對稱勢誘導(dǎo)隨機(jī)共振的機(jī)械重復(fù)瞬態(tài)特征提取方法。

基于多穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振系統(tǒng)的非線性勢函數(shù)，馬強(qiáng)等[57]通過對傳統(tǒng)的雙穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振進(jìn)行研究改進(jìn)，提出了一種三穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振，并對三穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振過阻尼布朗粒子的躍遷現(xiàn)象進(jìn)行研究，分析不同參數(shù)下布朗粒子的函數(shù)變化，并采用變時間尺度方法對三穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振進(jìn)行優(yōu)化，在經(jīng)傅里葉變換進(jìn)行時頻分析，由此提取出故障頻率。張剛等[58]將混合雙穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振系統(tǒng)與Woods-Saxon模型相結(jié)合，提出混合三穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振系統(tǒng)，然后利用自適應(yīng)算法尋找混合型三穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)最優(yōu)參數(shù)組合，對α噪聲背景下的仿真信號進(jìn)行檢測，證明其優(yōu)越性。

上述研究均基于單個非線性系統(tǒng)，由非線性系統(tǒng)控制理論可知，多個系統(tǒng)協(xié)同作用有可能對系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生正向作用。王術(shù)光等[59]以級聯(lián)隨機(jī)共振為研究對象，采用人工魚群算法對雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而設(shè)計隨機(jī)共振系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)對滾動軸承故障信號的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。Li等[60]提出雙共振方法，在控制系統(tǒng)和被控系統(tǒng)中都輸入周期信號和噪聲，使得控制系統(tǒng)和被控系統(tǒng)均能產(chǎn)生隨機(jī)共振，因二者之間相互作用，增強(qiáng)了被控系統(tǒng)的共振效應(yīng)，實現(xiàn)微弱信號的增強(qiáng)輸出。李偉等[61]將兩個單一周期勢系統(tǒng)線性耦合成一個新的系統(tǒng)，并采用粒子群優(yōu)化算法自動匹配控制系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，通過控制系統(tǒng)的輸出反饋調(diào)節(jié)被控系統(tǒng)的隨機(jī)共振，從而達(dá)到增強(qiáng)信號的目的。張剛等[62]通過將Duffing振子和Van der Pol 振子進(jìn)行線性耦合，并將微分項作為耦合系統(tǒng)的反饋，從而增強(qiáng)耦合強(qiáng)度，形成一種Duffing與Van der Pol強(qiáng)耦合系統(tǒng)。為解決變換尺度的變化范圍的選取缺乏固定標(biāo)準(zhǔn)、參數(shù)自適應(yīng)效率低、檢測到的目標(biāo)信號不夠明顯等問題。張勇亮等[63]提出一種基于并聯(lián)自適應(yīng)隨機(jī)共振的微弱信號檢測方法。該方法綜合考慮大參數(shù)信號發(fā)生隨機(jī)共振時變換尺度與采樣頻率之間的關(guān)系確定基于采樣頻率的變換尺度的最大變化范圍，通過尺度分段搜索、采用改進(jìn)粒子群算法、共振系統(tǒng)并聯(lián)等方法綜合提高參數(shù)自適應(yīng)的效率、突出檢測到的目標(biāo)信號，實現(xiàn)強(qiáng)噪聲背景下微弱信號的快速、有效檢測。

1.3.2 混沌理論

1963年，美國氣象學(xué)家洛倫茲在研究天氣預(yù)報模型時，發(fā)現(xiàn)用計算機(jī)求解一個確定的微分方程時，其解是非周期的且具有隨機(jī)性，首次在一個確定性系統(tǒng)中從數(shù)值上得到混沌解，1975年，學(xué)者李天巖和約克首次將這種確定性方程產(chǎn)生隨機(jī)現(xiàn)象命名為混沌[64]。近年來，發(fā)展了幾種不同的混沌振子，在軸承故障診斷領(lǐng)域，Duffing振子是最常見的振子。

針對微弱信號特征提取困難問題，任學(xué)平等[65]改進(jìn)了Duffing 振子的非線性項，成功將其應(yīng)用于軸承故障診斷領(lǐng)域。李嶺陽等[66]將混沌振子檢測法應(yīng)用于滾動軸承外圈、內(nèi)圈和滾動體故障信號的檢測中，通過輸出相圖的變化來判斷故障信號是否存在，有效地實現(xiàn)了對滾動軸承故障信號的檢測。劉彬等[67]分析了微弱周期信號相位角對檢測系統(tǒng)的影響，提出采用多相位混沌振子陣列來消除微弱周期信號相位角對檢測系統(tǒng)的影響。針對現(xiàn)有混沌振子難以檢測頻率未知微弱信號這一難點，李國正等[68]提出利用Duffing、振子輸出值的方差峰值結(jié)合遺傳算法檢測淹沒在強(qiáng)噪聲背景中頻率未知微弱信號的一種新方法，該方法采用具有相位偏移的Duffing振子陣列覆蓋全相位，并結(jié)合遺傳算法，優(yōu)化求解不同頻率輸入信號下系統(tǒng)輸出值方差的極值，以此得到待測信號頻率的方法。以上方法只能同時檢測某一頻率的待測信號，黃繼堯等[69]提出了一種可同時檢測多個未知頻率微弱信號的Duffing振子優(yōu)化模型。該模型通過傅里葉與反傅里葉變換、頻率截取和尺度變換后，得到相圖在經(jīng)過判決后輸出結(jié)果。

1.4 本章小結(jié)

基于信號處理方法的關(guān)鍵在于人工提取特征的優(yōu)劣，且嚴(yán)重依賴于插值以及信號分析處理的方法，通過對振動信號進(jìn)行一系列的處理、變換和分析，將原始振動信號轉(zhuǎn)化為時域信號、頻域信號以及時頻信號，再將這些人工提取的特征作為輸入，使用隱形馬爾可夫模型、支持向量機(jī)等機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行故障分類。當(dāng)前絕大部分的研究都是通過數(shù)值計算等手段，將高維數(shù)據(jù)特征轉(zhuǎn)化為低維特征，從而減小計算量，并作為模型輸入進(jìn)行分類，因此該方法的分類性能嚴(yán)重依賴于人工特征值提取的好壞，且需要大量專家經(jīng)驗，導(dǎo)致完全基于信號分析處理的方法應(yīng)用局限性較大，并逐漸被取代。隨著深度學(xué)習(xí)的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用到滾動軸承故障診斷領(lǐng)域。表1 總結(jié)了基于階次跟蹤和時頻分析方法的優(yōu)勢、不足以及適用場景。

表1 基于階次跟蹤和時頻分析方法Table 1 Order tracking and time-frequency based analysis methods

2 深度學(xué)習(xí)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)省略了人工提取特征的繁瑣步驟，無需專家經(jīng)驗，使用原始振動信號作為模型輸入，即可完成故障診斷，是智能提取特征值的代表方法。但是在處理變工況軸承故障診斷問題時，由于傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為簡單，網(wǎng)絡(luò)層數(shù)較少，因此能夠處理的非線性運(yùn)算水平較低，僅能提取淺層特征，為解決上述問題，提出了深度學(xué)習(xí)概念。與傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不同的是，深度學(xué)習(xí)通常擁有更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)以及更深的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)，底層特征逐層非線性映射到高維空間，特征表達(dá)隨著網(wǎng)絡(luò)層數(shù)的增加逐漸抽象化，最終形成層次化、抽象化的非線性特征[70]。并且網(wǎng)絡(luò)層數(shù)越深，非線性擬合能力越強(qiáng)，能夠處理的高維數(shù)據(jù)更加復(fù)雜。隨著深度學(xué)習(xí)的高速發(fā)展，目前應(yīng)用于變工況軸承故障診斷的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要有卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）、深度置信網(wǎng)絡(luò)（DBN）和自動編碼器。

2.1 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)于1994 首先被提出，是一種經(jīng)典的分層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[71]。因其權(quán)值共享等特點，致使其結(jié)構(gòu)簡單，特征提取能力強(qiáng)，因此在軸承故障診斷領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用。由于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有分層的特點，且每層網(wǎng)絡(luò)提取的輸入為二維數(shù)據(jù)，其分層結(jié)構(gòu)可以智能學(xué)習(xí)振動信號的故障特征，是一種高效的端到端的學(xué)習(xí)系統(tǒng)，Guo等[72]提出一種自適應(yīng)學(xué)習(xí)率的分層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，第一層網(wǎng)絡(luò)用于識別故障的類型，第二層網(wǎng)絡(luò)用于識別故障的損傷程度，實驗結(jié)果表明其變化的學(xué)習(xí)率可以有效提升模型的學(xué)習(xí)能力。Xia等[73]認(rèn)為通過提取單一傳感器數(shù)據(jù)的特征并不能有效減小不同工況下數(shù)據(jù)集的分布差異，因此提出一種多傳感器的故障診斷方法。通過對從多個傳感器測量的振動信號來提取不同工況下不變的故障特征，從而提升分類精度。張西寧等[74]認(rèn)為傳統(tǒng)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在提取故障特征時，并不能只提取不同工況下的公共特征，因此提出一種小尺度卷積核以跳動的方式進(jìn)行降采樣的方法，試圖通過改進(jìn)傳統(tǒng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型結(jié)構(gòu)來解決變工況問題。該方法使用滑動步長為2，激活函數(shù)為“relu”的卷積核代替?zhèn)鹘y(tǒng)的池化層。該方法不僅可以使輸入數(shù)據(jù)的尺度降低一半，還可以在池化階段進(jìn)行特征提取，通過訓(xùn)練卷積核權(quán)重來選擇有效的特征。趙小強(qiáng)等[75]使用三個3×3的卷積核以堆疊和串聯(lián)的方式加入到殘差塊中，用于代替池化層，并將空洞卷積代替?zhèn)鹘y(tǒng)卷積層來擴(kuò)大感受野，殘差塊以跳躍的方式連接不同層，以此來進(jìn)行特征融合。Wu等[76]認(rèn)為卷積核尺寸是影響卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特征提取的關(guān)鍵，單一尺寸的卷積核無法同時平衡時間分辨率和頻率分辨率，因此提出一種多尺度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來提取公共特征。以上方法都是通過人工調(diào)節(jié)參數(shù)的方法進(jìn)行模型訓(xùn)練，Wang 等[77]將蟻群算法與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，通過蟻群算法來優(yōu)化卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的超參數(shù)，從而避免了人工調(diào)參的弊端。Ince等[78]提出一個實時監(jiān)控系統(tǒng)用于約束卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的權(quán)重，該方法不需要任何形式的預(yù)處理、特征轉(zhuǎn)換以及特征提取，省略人工調(diào)參和特征提取的繁瑣步驟，直接對原始振動信號進(jìn)行評估。以上方法通過對原始振動信號進(jìn)行特征提取進(jìn)而進(jìn)行故障診斷，而卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在處理圖像方面具有絕對的優(yōu)勢，因此潘成龍等[79]通過小波變換，將一維振動信號轉(zhuǎn)化為二維時頻圖，以此進(jìn)行故障診斷。陳里里等[80]將一維信號通過連續(xù)小波變換轉(zhuǎn)化為二維時頻圖后，將三種故障特征圖進(jìn)行特征融合后輸入到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行故障分類。張訓(xùn)杰等[81]將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與雙向門控循環(huán)單元相結(jié)合，由卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取二維圖像的空間特征，由雙向門控循環(huán)單元提取時間特征，進(jìn)而進(jìn)行故障分類。

2.2 深度置信網(wǎng)絡(luò)

深度置信網(wǎng)絡(luò)兼顧生成模型和判別模型的優(yōu)點，由可視層和隱藏層構(gòu)成，是一種具有雙層結(jié)構(gòu)深層混合網(wǎng)絡(luò)模型[82]。在軸承故障診斷領(lǐng)域，深度置信網(wǎng)絡(luò)依靠無監(jiān)督學(xué)習(xí)自動提取特征，將原始信號映射到特征空間，并依靠監(jiān)督學(xué)習(xí)將特征空間轉(zhuǎn)化為判別空間，從而進(jìn)行故障類型判別，完成故障分類任務(wù)。

Tao等[83]最早將深度置信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到滾動軸承故障診斷領(lǐng)域，通過構(gòu)建編碼器實現(xiàn)故障特征的提取，并將提取的低維故障特征作為模型輸入，最后通過最小化輸入輸出的能量實現(xiàn)故障類別的判別。單外平等[84]認(rèn)為盡管深度置信網(wǎng)絡(luò)在提取故障特征時對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行了降維，但是計算量仍然十分巨大，因此在自動提取故障特征后，在訓(xùn)練判別器的過程中考慮了時間復(fù)雜度等因素，優(yōu)先調(diào)節(jié)偏導(dǎo)數(shù)較大的參數(shù)，不僅提升了分類準(zhǔn)確率，還大大降低了訓(xùn)練耗時。以上方法從原始振動信號中提取故障特征，在一定程度上實現(xiàn)了故障類型判別，但是當(dāng)工況發(fā)生變化時，該方法準(zhǔn)確率大大降低。王圣杰等[85]認(rèn)為單一的振動信號不足以表征變工況條件下的非平穩(wěn)信號，因此提出一種多傳感器特征融合方法。該方法采用多個傳感器在不同位置同時測得軸承振動信號，再對測得的信號進(jìn)行特征提取。胡永濤[86]認(rèn)為當(dāng)工況發(fā)生變化時，深度置信網(wǎng)絡(luò)自動提取的特征并不能解決訓(xùn)練集與測試集之間的分布差異，因此提出一種多特征融合模型。該方法首先對原始振動信號進(jìn)行FCM聚類分析，從而判定該樣本是否存在故障，并生成部分樣本的故障標(biāo)簽，其次，分別提取振動信號的提取DTCWT 樣本熵MMEMD 能量熵和VMD 樣本熵，通過主成分分析方法，衡量三種特征的重要性，并給定一個權(quán)重，進(jìn)而進(jìn)行特征融合，得到一個同時包含三種特征的綜合故障特征，最后將綜合特征作為深度置信網(wǎng)絡(luò)模型的輸入，進(jìn)行故障類型判別，實驗結(jié)果驗證了該方法的有效性。Chen 等[87]綜合多傳感器融合和多特征融合的優(yōu)勢，提出一種多特征融合及多傳感器特征融合的DBN故障識別方法，準(zhǔn)確率得到了進(jìn)一步提升。Gan等[88]提出一種分層深度置信網(wǎng)絡(luò)方法，該方法首先提取原始振動信號的小波包能量作為模型輸入，第一層深度置信網(wǎng)絡(luò)用于識別故障出現(xiàn)位置，同時第一層的輸出作為第二層模型的輸入，用于判定損傷程度，綜合兩層網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)果，完成十分類任務(wù)。為了進(jìn)一步提升模型分類準(zhǔn)確率，深度置信網(wǎng)絡(luò)與其他優(yōu)化算法相結(jié)合的方法不斷被提出。Liu等[89]將隨機(jī)梯度下降算法應(yīng)用到深度置信網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程中，同時，為避免某些模型超參數(shù)的設(shè)置影響模型分類性能，采用粒子群算法優(yōu)化模型超參數(shù)，進(jìn)一步提升模型準(zhǔn)確率。熊景鳴等[90]將深度置信網(wǎng)絡(luò)與支持向量機(jī)相結(jié)合，使用深度置信網(wǎng)絡(luò)提取故障特征后送入支持向量機(jī)中進(jìn)行分類，取得了良好的效果。Shao 等[91]認(rèn)為盡管深度置信網(wǎng)絡(luò)避免了人工提取特征等繁瑣的步驟，但是這種方法提取的特征維度過高，導(dǎo)致計算量很大，因此將主成分分析應(yīng)用到特征提取過程中，對高維特征進(jìn)行特征選擇后，降低了特征維度，在提升準(zhǔn)確率的同時減小了訓(xùn)練耗時。

2.3 基于自編碼器的軸承故障診斷

自動編碼器是一個輸入輸出相同、具有自我學(xué)習(xí)能力的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由編碼層和解碼層組成。其中編碼層由輸入層和隱藏層構(gòu)成，解碼層由隱藏層和重構(gòu)層組成。網(wǎng)絡(luò)模型的編碼過程就是將輸入的高維特征經(jīng)過激活函數(shù)的特征映射后，轉(zhuǎn)化為隱藏層的低維特征，解碼過程就是將隱藏層的低維特征經(jīng)過激活函數(shù)重構(gòu)為輸出目標(biāo)。自編碼器的訓(xùn)練過程，就是通過構(gòu)建不同的優(yōu)化函數(shù)，實現(xiàn)目標(biāo)輸出與輸入之間的損失值達(dá)到最小。Jia等[92]使用一個五層的自動編碼器優(yōu)先進(jìn)行了故障的診斷。Yang等[93]使用將高斯核應(yīng)用到深度自動編碼器中，實現(xiàn)了故障分類。童靳于等[94]采用最大相關(guān)熵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的均方誤差作為損失函數(shù)，同時，為減小重構(gòu)誤差，加入了稀疏懲罰項和非負(fù)的約束因子收縮懲罰項，最后，通過灰狼優(yōu)化算法對模型中的產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，避免了人工調(diào)參等繁瑣復(fù)雜的任務(wù)，從而實現(xiàn)變工況軸承故障診斷。

2.4 本章小結(jié)

深度學(xué)習(xí)方法側(cè)重于挖掘數(shù)據(jù)層的規(guī)律，利用自身強(qiáng)大的特征提取能力，挖掘不同工況間相同的特征來解決變工況問題。該方法通過大量的數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型權(quán)重，智能挖掘故障特征，避免了人工提取特征等繁瑣的步驟，是實現(xiàn)變工況軸承故障診斷的有效方法。然而深度學(xué)習(xí)內(nèi)部計算機(jī)制的可解釋性很差，缺乏理論支撐，導(dǎo)致無法清楚詮釋數(shù)據(jù)蘊(yùn)含的領(lǐng)域知識[95]，并且當(dāng)輸入特征維度過高時，深度學(xué)習(xí)模型的模型計算成本巨大，導(dǎo)致需要花費(fèi)大量的訓(xùn)練時間成本，并出現(xiàn)特征同質(zhì)化等問題，因此限制了深度學(xué)習(xí)方法的應(yīng)用，遷移學(xué)習(xí)方法成功解決了上述問題。表2 總結(jié)了各類深度學(xué)習(xí)方法的特點以及優(yōu)缺點。

表2 深度學(xué)習(xí)方法Table 2 Deep learning methods

3 遷移學(xué)習(xí)

傳統(tǒng)深度學(xué)習(xí)方法要求訓(xùn)練集和測試集必須獨立同分布，當(dāng)工況發(fā)生變化時，訓(xùn)練集與測試集會出現(xiàn)明顯的域位移現(xiàn)象，因此限制了深度學(xué)習(xí)的發(fā)展。遷移學(xué)習(xí)可以在不同但相關(guān)聯(lián)的兩個領(lǐng)域內(nèi)挖掘出公共特征。遷移學(xué)習(xí)已經(jīng)成功應(yīng)用于各個領(lǐng)域，在軸承故障診斷領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的方法主要有三種，即領(lǐng)域自適應(yīng)、參數(shù)遷移以及特征遷移。

3.1 領(lǐng)域自適應(yīng)

3.1.1 基于數(shù)據(jù)分布的領(lǐng)域自適應(yīng)

基于數(shù)據(jù)分布的領(lǐng)域自適應(yīng)假設(shè)數(shù)據(jù)的特征空間與類別空間均一致，而源域及目標(biāo)域間的條件分布及邊緣分布存在差異。通過減小域間的分布差異來解決變工況問題。根據(jù)數(shù)據(jù)分布，可分為邊緣分布自適應(yīng)、條件分布自適應(yīng)和聯(lián)合分布自適應(yīng)三種。

邊緣分布自適應(yīng)是通過減小源域及目標(biāo)域間的邊緣概率分布距離來解決變工況問題，該方法最早由Sinno等[96]提出，并且通過MMD（maximum mean discrepancy）來計算域間分布距離。Chen等[97]基于遷移成分分析算法，提出一種變工況故障特征提取方法，在一定程度上解決了變域問題。Lu 等[98]提出一種具有領(lǐng)域自適應(yīng)能力的深度網(wǎng)絡(luò)模型，該網(wǎng)絡(luò)模型采用自編碼器來提取故障特征，使用MMD計算源域及目標(biāo)域間的分布差異并作為優(yōu)化目標(biāo)。以上方法僅考慮了對齊全局域，而忽略了類內(nèi)的相似性，忽略源域及目標(biāo)域之間的關(guān)系會導(dǎo)致丟失每個類別的細(xì)粒度信息，條件分布自適應(yīng)通過對抗的思想來對齊子領(lǐng)域分布，從而解決變工況問題。吳靜然等[99]采用一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特征提取，并且通過最小化局部最大平均差異和分類器損失函數(shù)，進(jìn)行相關(guān)子域的分布對齊。在江南軸承數(shù)據(jù)集上驗證了該方法的有效性。為了充分利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的圖像特征提取能力，董紹江等[100]采用連續(xù)小波變換，將一維軸承振動信號轉(zhuǎn)化為二維特征時頻圖，采用完成預(yù)訓(xùn)練的Resnet-50網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來提取源域及目標(biāo)域共同的特征，使用局部最大均值差異來度量子領(lǐng)域自適應(yīng)，通過計算目標(biāo)域偽標(biāo)簽以匹配條件分布距離來進(jìn)行子領(lǐng)域自適應(yīng)，從而減小域間的分布差異。Shen 等[101]認(rèn)為邊緣分布和條件分布對遷移學(xué)習(xí)的貢獻(xiàn)不同，邊緣分布對齊全局域，而條件分布對齊子領(lǐng)域，兩種分布的相對重要性很難動態(tài)定量評估，因此單一使用某種分布無法滿足要求，針對以上缺陷，提出一種動態(tài)聯(lián)合分布對齊網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)提出動態(tài)調(diào)整因子來定量比較MMD 和WCMMD 的相對重要性，從而同時對其條件分布和邊緣分布，同時，為加權(quán)條件最大差異，財通軟偽標(biāo)簽來代替模型輸出的標(biāo)簽來改變條件分布的機(jī)算，從而有效減小條件分布的距離。以上方法在一定程度上解決了變工況條件下深層特征的域位移現(xiàn)象，但是楊春柳[102]認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)較淺層仍然存在域位移現(xiàn)象，因此提出一種多層域自適應(yīng)滾動軸承故障診斷方法，該方法將原始振動信號最為輸入，使用一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特征提取，并提出了多層域自適應(yīng)和權(quán)重正則化項約束CNN 參數(shù)，從而減小因變工況而導(dǎo)致的特征分布差異。楊冰如等[103]采用預(yù)訓(xùn)練好的ResNet18 進(jìn)行特征提取，并將不同殘差塊提取的深、淺層特征計算MK-MMD 距離，以匹配邊緣分布差異，再將不同殘差塊提取的特征輸入到分類器中輸出偽標(biāo)簽，從而縮小條件分布差異。楊春柳[104]認(rèn)為當(dāng)樣本數(shù)量過大時，使用MMD計算分布差異的成本巨大，而Wasserstein 距離幾乎在任何位置都是可微的，因此選用Wasserstein距離來度量域差異，以此來減小計算成本。

3.1.2 基于數(shù)據(jù)選擇的領(lǐng)域自適應(yīng)

假設(shè)域間的類別空間一致，則認(rèn)為域間的特征空間也一致。通過深度學(xué)習(xí)以及機(jī)器學(xué)習(xí)的手段，在不同域間提取相同的特征，以相同的特征作為模型的輸入，從而實現(xiàn)變工況軸承故障診斷的方法稱為基于特征選擇的領(lǐng)域自適應(yīng)。

基于特征選擇的領(lǐng)域自適應(yīng)的重點在于選擇不同域間相同的特征，Long 等[105]認(rèn)為在遷移學(xué)習(xí)中源域數(shù)據(jù)量大小并不是影響模型準(zhǔn)確率的唯一因素，因此對源域進(jìn)行樣本選擇，同時結(jié)合邊緣條件自適應(yīng)，從而達(dá)到變工況軸承故障診斷。Lu等[106]通過共享源域以及目標(biāo)域特征的方法，實現(xiàn)無監(jiān)督領(lǐng)域自適應(yīng)，Tang等[107]提出一種EGR特征選擇方法用于度量特征與類別間的非線性關(guān)系，從而解決變域問題，但是該方法為半監(jiān)督學(xué)習(xí)，在遷移學(xué)習(xí)的過程中目標(biāo)域仍然需要小部分帶有標(biāo)簽的數(shù)據(jù)。但是帶標(biāo)簽的跨域數(shù)據(jù)集很難獲取，為解決該問題，郭亮等[108]提出一種跨數(shù)據(jù)集的變工況軸承故障診斷方法。該方法源域數(shù)據(jù)集為實驗室條件下獲取的帶標(biāo)簽的數(shù)據(jù)集，采用帶領(lǐng)域適配正則約束項的一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特征知識的深度遷移適配，進(jìn)而訓(xùn)練模型，最后將在實際工作環(huán)境中測得的數(shù)據(jù)作為目標(biāo)域進(jìn)行測試模型，實驗結(jié)果驗證了該方法的有效性。Yu等[109]提出一種保留局部流行結(jié)構(gòu)的傳遞分量分析方法，該方法通過故障敏感性以及特征相關(guān)性進(jìn)行特征選擇，進(jìn)而進(jìn)行故障分類，通過兩個不同測試平臺收集的振動數(shù)據(jù)用于驗證該方法，實驗結(jié)果證明了該方法的可行性。

3.1.3 基于數(shù)據(jù)變換的領(lǐng)域自適應(yīng)

基于特征變換的領(lǐng)域自適應(yīng)的前提假設(shè)為源域及目標(biāo)域在變換后的子空間中具有相似的分布，根據(jù)其變換的形式分為基于統(tǒng)計特征變換的統(tǒng)計特征對齊方法，以及基于流形變換的流形學(xué)習(xí)方法。

薛輝[110]將子空間分布對齊方法與概率分布自適應(yīng)相結(jié)合，用于減小源域及目標(biāo)域的分布差異，后又提出一種二階特征對齊的方法，通過學(xué)習(xí)二階特征變換矩陣，從而使源域以及目標(biāo)域的歐氏距離最小?；诮y(tǒng)計特征變換對齊方法可以在一定程度上解決域位移現(xiàn)象，但是基于統(tǒng)計特征的方法過于依賴專業(yè)經(jīng)驗，Zhang等[111]將故障特征嵌入到流行子空間進(jìn)行特征變換后，再進(jìn)行故障分類，從而減小域位移現(xiàn)象，劉海寧等[112]采用一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特征提取后，將源域及目標(biāo)域的邊緣分布和條件分布進(jìn)行對齊，從而進(jìn)行變工況軸承故障診斷。以上方法雖然在一定程度上解決了特征發(fā)散問題，但是其只在子空間進(jìn)行流形特征學(xué)習(xí)，并未在特征變換后的子空間進(jìn)行分布對齊，并且進(jìn)行子空間學(xué)習(xí)后，特征發(fā)散問題并沒有完全消除，針對以上問題，王肖雨等[113]提出一種基于自適應(yīng)噪聲完整經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（CEEMDAN）與流形嵌入分布對齊的滾動軸承遷移故障診斷方法。該方法首先對原始振動信號進(jìn)行自適應(yīng)噪聲的完整經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解并進(jìn)行特征選擇，取其峭度最大的前6個干內(nèi)稟模態(tài)分量作為故障特征，將故障特征嵌入流行空間進(jìn)行特征變換，并將變換后的流行特征進(jìn)行動態(tài)分布對齊，實驗結(jié)果表明該方法可以有效解決特征發(fā)散問題。然而，童靳于等[114]認(rèn)為以上方法僅僅通過最小化源域、目標(biāo)域的分布差異來提升準(zhǔn)確率，但是同一故障類別下樣本間的分布距離同樣影響遷移學(xué)習(xí)的效果，因此提出一種基于類內(nèi)散度正則化的域自適應(yīng)故障診斷方法，該方法將源域以及目標(biāo)域嵌入流行子空間并動態(tài)對齊流行特征后，將類內(nèi)散度引入到模型中，在減小源域以及目標(biāo)域的分布差異后增大同一類別的聚集程度，使得模型分類準(zhǔn)確率得到進(jìn)一步提升。

3.2 參數(shù)遷移

參數(shù)遷移側(cè)重于對離散模型權(quán)重的調(diào)整，即使用源域?qū)δＰ瓦M(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，再使用小部分帶有標(biāo)簽的目標(biāo)域數(shù)據(jù)集對模型參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，從而達(dá)到變工況條件下軸承的故障診斷。

Zhang 等[115]使用源域?qū)δＰ瓦M(jìn)行訓(xùn)練后，凍結(jié)除softmax 外的層，并通過小部分帶標(biāo)簽的目標(biāo)域數(shù)據(jù)微調(diào)softmax層參數(shù)，從而達(dá)到變工況故障診斷問題，Shao等[116]采用與訓(xùn)練的CNN 網(wǎng)絡(luò)模型代替隨機(jī)初始化參數(shù)，僅改變最后全連接層節(jié)點的個數(shù)及權(quán)重來適應(yīng)目標(biāo)域的分類任務(wù)。Zhao等[117]認(rèn)為不同尺度的卷積核可以提取不同的特征，在以往研究中特征提取的卷積核恒定，因此提出一種多尺度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遷移學(xué)習(xí)框架，使用MS1、MS2 以及MS3 三個尺度卷積核進(jìn)行特征提取，再權(quán)重遷移的過程中，三個卷積和權(quán)重保持不變，只改變?nèi)B接層的權(quán)重，從而實現(xiàn)變工況軸承故障診斷。

由于權(quán)重遷移在源域?qū)δＰ瓦M(jìn)行預(yù)訓(xùn)練后，需要部分有標(biāo)記的目標(biāo)域?qū)δＰ蜋?quán)重進(jìn)行微調(diào)，因此屬于半監(jiān)督遷移學(xué)習(xí)，當(dāng)無法獲得帶有標(biāo)簽的目標(biāo)域數(shù)據(jù)時，該方法將失效。

3.3 特征遷移

基于特征的遷移學(xué)習(xí)的主要任務(wù)在于尋找連接源域以及目標(biāo)域的遷移函數(shù)來進(jìn)行特征映射，通過學(xué)習(xí)特征映射來提取源域和目標(biāo)域中可遷移的特征[118]。特征函數(shù)的作用是提取源域和目標(biāo)域中不因轉(zhuǎn)速負(fù)載等運(yùn)行環(huán)境發(fā)生變化而變化的公共特征，從而實現(xiàn)變工況軸承故障診斷，因此，特征函數(shù)的選擇是特征遷移的關(guān)鍵。

Wang等[119]提出一個可以將高維振動信號映射到低維潛在空間的主特征函數(shù)，在保持?jǐn)?shù)據(jù)特征的同時有效減小了域位移，Han 等[120]結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與聯(lián)合分布算法，提出一種具有搜索和標(biāo)記功能的識別框架，該框架識別源域后，可以自適應(yīng)目標(biāo)域的條件分布，從而實現(xiàn)變工況故障診斷。Wen 等[121]提出一種三層稀疏自動編碼器，并以最大均值差異作為損失值來提取源域和目標(biāo)域公共的特征。

3.4 本章小結(jié)

遷移學(xué)習(xí)將變工況問題轉(zhuǎn)化為域位移問題，通過特征提取、特征變換以及特征選擇等手段，成功解決了變工況導(dǎo)致的數(shù)據(jù)分布差異問題[122]，在變工況軸承故障診斷領(lǐng)域取得了巨大的成功。然而，當(dāng)前遷移學(xué)習(xí)仍然需要大量數(shù)據(jù)去訓(xùn)練模型，當(dāng)工況差異較大并且含有噪聲時，遷移學(xué)習(xí)的性能會顯著下降。表3總結(jié)了遷移學(xué)習(xí)方法的特點以及優(yōu)缺點

表3 遷移學(xué)習(xí)方法Table 3 Transfer learning methods

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

隨著社會的發(fā)展，旋轉(zhuǎn)機(jī)械越來越智能化、信息化，對旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測具有重要意義，在此背景下軸承故障診斷技術(shù)得到了長足的發(fā)展。目前變工況故障診斷領(lǐng)域主要發(fā)展了信號分析處理、深度學(xué)習(xí)和遷移學(xué)習(xí)三種方法，本文綜述這些方法近五年的進(jìn)展，主要得出以下四條結(jié)論：

（1）基于信號分析的階次跟蹤法將等時采樣轉(zhuǎn)化為等角度采樣，以此解決變速問題，因此計算量很大，且嚴(yán)重依賴于插值精度。并且該方法僅能解決變轉(zhuǎn)速問題，而無法解決變負(fù)載問題。

（2）基于信號分析的時頻分析方法通過將始于信號轉(zhuǎn)化為時頻域信號，人工提取特征值，以此挖掘不同工況中不變的特征。特征值的提取直接影響著故障診斷效果，因此十分依賴專家經(jīng)驗，導(dǎo)致逐漸被取代。

（3）深度學(xué)習(xí)省略手動提取特征等繁瑣的工作，依靠自身強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力自動提取故障特征，實現(xiàn)變工況軸承故障診斷。但是深度學(xué)習(xí)方法需要大量帶標(biāo)簽的數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型，數(shù)據(jù)量越大，模型分類性能越好。當(dāng)不同工況間的差異較大或者工況過于復(fù)雜時，模型性能急劇下降。

（4）遷移學(xué)習(xí)方法不再受訓(xùn)練集和測試集具有相同分布的約束，能夠在不同但是相關(guān)的兩個領(lǐng)域間挖掘出公共特征，能在一定程度上加快訓(xùn)練過程并提高分類準(zhǔn)確率，同時減少為測試集打標(biāo)簽等繁瑣步驟，有效解決變工況問題。但是在實際工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中，由于外界的干擾等因素，故障診斷識別率均有不同程度的下降，實際工業(yè)場景下復(fù)雜工況以及實時數(shù)據(jù)在線診斷仍然還有很多問題需要研究和解決。

4.2 展望

盡管深度學(xué)習(xí)和遷移學(xué)習(xí)盡管在變工況軸承故障診斷領(lǐng)域取得了矚目的進(jìn)展，但是仍然有需要改進(jìn)或優(yōu)化的空間，后續(xù)工作應(yīng)從以下幾方面著手：

（1）多傳感器特征融合

信號處理方法均通過分析單個傳感器測得軸承振動信號來提取特征，因此存在諸多問題。采用多傳感器在多測點采集軸承運(yùn)行數(shù)據(jù)可獲得更加豐富的信息，例如信號的物理屬性、空間屬性以及時間屬性，從而增加故障診斷的準(zhǔn)確率與魯棒性，因此，基于多傳感器特征融合技術(shù)是未來故障診斷領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。

（2）不均衡數(shù)據(jù)集

以上研究均基于均衡數(shù)據(jù)集的故障分類，但是在實際生產(chǎn)生活中，在絕大多數(shù)時間內(nèi)軸承均處于正常運(yùn)行狀態(tài)，一旦軸承發(fā)生故障，機(jī)械設(shè)備將停機(jī)檢修，導(dǎo)致可以獲取大量正常數(shù)據(jù)，而有故障的數(shù)據(jù)十分稀缺。基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的深度學(xué)習(xí)方法可以取得良好性能的前提是需要大量帶標(biāo)簽的數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型，直接將類別不均衡的樣本使用深度學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練時，會導(dǎo)致模型學(xué)習(xí)到的特征更加偏向于正常狀態(tài)的特征，但很難學(xué)習(xí)到故障類別的特征，導(dǎo)致出現(xiàn)嚴(yán)重的過擬合現(xiàn)象，因此不均衡樣本分類問題是未來的研究內(nèi)容之一。

（3）多故障分類

目前幾乎所有的研究都是針對軸承的單故障分類，然而在實際工程中，軸承發(fā)生故障時可能出現(xiàn)多故障共存的情況，因此，軸承多故障分類是一個值得研究的領(lǐng)域。

（4）數(shù)字孿生技術(shù)

當(dāng)前軸承故障均為實驗室環(huán)境下人工制造故障，因此不具備實際工程應(yīng)用價值，而數(shù)字孿生技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)、電力行業(yè)等均取得了初步成果。因此通過數(shù)字孿生技術(shù)采集真實場景下軸承運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)而進(jìn)行軸承運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷是未來的發(fā)展趨勢。