首发! 算法改进:RP-CNN-Attention基于递归图(RP)和卷积网络(CNN)融合多头自注意力机制的故障识别程序

文摘   教育   2024-12-15 09:06   江苏  
适用平台:Matlab2023版本及以上
本程序对中文EI期刊《电网技术》网络首发文献:《基于马尔可夫转换场与多头注意力机制的电能质量扰动分类方法》作出改进,该改进模型还没人写,程序注释清晰,干货满满下面对文章和程序做简要介绍!

创新点:这篇文献的创新点在于马尔可夫场(MTF)与卷积神经网络(CNN)相结合,融入多头注意力机制,实现故障分类。本程序将原文中的马尔可夫场改进为递归图(RP),RP将一维信号转换为二维特征图,而CNN可以对这些特征图进行自适应的特征提取和分类,融合多头注意力机制有效把握提取特征的贡献程度,实现了故障的准确分类。

故障识别流程:https://mbd.pub/o/bread/ZZmVm5du

原理:递归图是非平稳信号领域的一种时间序列可视化方法,可以揭示时间序列的内部信息,给出预测性、信息量和相似性的相关先验知识,用于分析时间序列非平稳性、混沌性和周期性,因此采用递归图来挖掘电能质量信号的隐含特征,并对其进行二维可视化。以电压正弦信号为例,MTF示意图如下图所示。

RP-CNN-Attention进行故障识别的方法具有几个创新性的方面:

数据表示的创新:通常,一维序列(如时间序列数据)直接用于建模和分析。将这些序列转化为马尔可夫场图像,实际上是一种新的数据表示方法。这种转换可能揭示出序列数据中的新模式和结构特征,这些在原始一维形式中可能不那么明显或难以检测。比传统的时序分析方法更有效地捕捉复杂的模式和异常。

图像处理技术:通过将序列数据转化为图像,可以利用成熟的图像处理技术和图像识别算法来分析数据。这包括使用各种图像识别方法,如卷积神经网络(CNN),这些方法在图像分析领域已被证明非常有效,但在传统的序列数据分析中不常见。

捕捉时间依赖性:递归图是一种数学模型,用于表示随机变量之间的依赖关系。揭示时间序列的混沌性、平稳性和固有的相似性,挖掘故障波形的隐含特征,实现故障特征的增强。在将序列数据转化为递归像时,可以以图像的形式捕捉故障波形中的时间依赖性和动态变化,这为理解和识别时间序列中的故障模式提供了新的视角。
多头注意力机制:融合多头注意力机效把握提取特征的贡献程度特征进行重点强化,提高故障识别的准确率
程序套用:递归图(RP)将一维时序生成二维图像,再用CNN提取图像的高维特征,利用多头自注意力机制(Multihead Self-Attention特征进行重点强化,提高故障识别的准确率

输入数据格式:(一行一个样本,最后一列表示故障所属类别标签)

由上述数据生成MTF图像:
识别结果:(训练集和测试集的混淆矩阵)

训练集和测试集的散点图:

训练曲线:准确率和损失变化图

递归图(RP)生成部分程序:
% 获取数据集的样本数量和每个样本的长度[numSamples, sampleLength] = size(data);
% 循环处理每个样本数据for sampleIdx = 1:numSamples %% 生成数据 % 从data中获取当前样本数据 featureData = data(sampleIdx, 1:end - 1);
% 归一化数据到 [0, 1] 范围 normalizedData = (featureData - min(featureData)) / (max(featureData) - min(featureData)); numDataPoints = length(normalizedData); %% 生成递归图RP % 转换为相空间,每个元素为当前位置和下一个位置的高度 phaseSpace = [normalizedData(1:end - 1)', normalizedData(2:end)']; % 计算距离矩阵R R = zeros(numDataPoints - 1, numDataPoints - 1); for i = 1:numDataPoints - 1 for j = 1:numDataPoints - 1 R(i, j) = sum((phaseSpace(i, :) - phaseSpace(j, :)) .^ 2); end end R = (R - min(min(R))) / (max(max(R)) - min(min(R))) * 4;

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完整代码:https://mbd.pub/o/bread/ZZmVm5du

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