基于不确定性感知网络的可信机械故障诊断

来源：机械工程学报杂志2024年第12期北京时间：

作者：邵海东, 肖一鸣, 邓乾旺, 任颖莹, 韩特

单位：1. 湖南大学机械与运载工程学院 长沙 410082;2. 盾构及掘进技术国家重点实验室 郑州 450001;3. 清华大学工业工程系 北京 100084

摘要：基于深度学习的故障诊断方法受其黑箱特性限制难以给出可信赖和可解释的诊断结果。现有可解释故障诊断研究多集中在开发可解释模块并嵌入深度学习模型以赋予诊断结果一定物理意义，或以结果为基础反推模型做出此决策的深层逻辑，对于如何量化诊断结果中的不确定性并解释其来源和构成的研究工作十分有限。不确定性量化及分解不仅能提供诊断结果的可信度，还能辨析数据中未知因素的来源，最终指导提升诊断模型的可解释性。因此，提出将贝叶斯变分学习嵌入Transformer以开发一种不确定性感知网络，用于可信机械故障诊断。设计了一种变分注意力机制并定义了相应的优化目标函数，可建模注意力权重的先验分布和变分后验分布，从而赋予网络感知不确定性的能力。制定了一种不确定性量化及分解方案，可实现诊断结果的可信度表征以及认知不确定性和偶然不确定性的分离。以行星齿轮箱智能故障诊断为例，在测试数据中含有未知故障模式、未知噪声水平以及未知工况样本的分布外泛化场景中，充分验证了所提方法用于可信故障诊断的可行性。

关键词：可信故障诊断,不确定性感知网络,变分注意力,不确定性量化及分解,贝叶斯深度学习；

基金资助：国家重点研发计划(2020YFB1712100)、国家自然科学基金(52275104)、湖南省科技创新计划(2023RC3097)和湖南省优秀青年科学基金(2021JJ20017)资助项目。