超强!顶级一区!Transformer+GASF+RP-1D-2D-GRU 的分类/故障识别程序,小白也能发一区!创新性拉满!

文摘   教育   2024-11-16 09:06   江苏  

适用平台:Matlab2023b及以上

  • 参考文献一:中文EI期刊《西安交通大学学报》文献:《采用格拉姆角场-卷积神经网络-时序卷积网络混合模型的锂离子电池健康状态估计》中的①时序+图像融合模型;②一维时序转格拉姆角场模型。
  • 参考文献二:中文顶级EI期刊《电工技术学报》网络首发文献:《基于多通道信号二维递归融合和ECAConvNeXt的永磁同步电机高阻接触故障诊断》中的③一维时序转化递归图RP方法。

  • 参考文献三:中文顶级EI期刊《电网技术》文献:《基于格拉姆角场与并行CNN的并网逆变器开关管健康诊断》中的④异构图像特征互补方法

  • 参考文献四:中文顶级EI期刊《中国电机工程学报》文献:《基于自注意力Transformer编码器的多阶段电力系统暂态稳定评估方法》中的⑤Transformer编码器方法。

Science Technology




Transformer模型是当前预测领域的热门模型,双支路并行模型是极易发文的新结构,但在故障识别即分类领域尚缺乏相关文献,更别说其改进模型了,时序图像多模态融合+Transformer+并行异构模型的必定是创新性极高的发文方向,这方面的文献极度稀缺,进一步,时序+多种图像+Transformer+并行异构模型更是没人提出来过,且可以说一投就中。本程序结合上述4篇文献,并对其进行多重改进创新!!!提出基于1D-2D-GASF-RP-BiTransformer-GRU+多支路优化+异构图像融合的故障识别程序改进点超多创新点十足!足够支撑一篇高水平学术论文。


  • 数据预处理方面参考文献一、二,分别将一维波形转化为二维格拉姆角场GASF递归图RP二维图像

  • 图像特征提取方面参考文献四:搭建Transformer模型用于提取递归图和拉姆角场的空间特征

  • 时序+图像2种不同图像混合参考文献一、三:多模态异构图混合特征提取,支路1采用时间序列波形输入,GRU神经网络提取时间序列的时序特征,支路2采用Transformer编码器,提取GASF图像特征,支路3采用Transformer编码器,提取RP图像特征,实现时序、图像空间、异构图像特征融合构成:1D-2D-GASF-RP-Transformer-GRU多模态异构图混合特征提取的故障识别模型程序

创新点十足,足够支撑一篇高水平学术论文,硕士毕业论文、课程设计等简单任务更是绰绰有余。

文献一解读

提出一种特征融合网络,将序列转化为格拉姆角场二维图像,利用CNN二维二维图像中提取的图片特征,利用一维卷积神经网络从一维波形序列中提取的时序特征,时序特征与图像特征融合实现了锂离子电池健康状态的准确估计






文献二解读



引入一维序列转二维递归图的方法,将一维电流信号映射为二维图像,以提高故障特征信息的丰富性并消除人工特征提取的影响,实现故障特征的增强显示,后续采用卷积神经网络,增加注意力机制和构造残差连接,实现故障的有效分类。

文献三解读



这篇文献中,首先,采集一维故障电压与电流信号的时序序列;其次,利用格拉姆求和场GASF和差场GADF对其进行变换,将两种一维时序信号转化为2种图像,二者特征融和后送入CNN进行并行学习训练,实现逆变器故障诊断。

文献四解读



构建基于Transformer 编码器的电力系统暂态稳定评估方法,Transformer通过注意力机制实现全局感受野,使模型快速捕获电力系统前后时刻间的全局状态依赖关系,具备良好的可解释性,且故障识别准确率较高。

本文模型



1D-2D-GASF-RP-Transformer-GRU多模态异构图混合特征提取的故障识别模型
主要步骤:仅需原始故障波形数据,即可根据波形数据,将一维序列转化为二维格拉姆角场和递归图像,小白也能上手!
  • 首先,首次将Transformer应用于故障识别领域,用于提取图像的全局特征,具有显著创新性。

  • 其次,支路1通过GRU网络提取一维时序波形特征,充分捕捉时序数据中的动态变化信息,提升了特征提取的效果。

  • 支路2将一维时序波形转换为二维GASF图像,实现了全局趋势的捕捉,提供了丰富的角度信息。

  • 支路3将一维时序波形转换为二维递归图(RP)图像,揭示出时间序列中的非线性动力学特征,增强了故障识别的准确性。

  • 在输出层前引入BiLSTM,通过捕捉双向时序依赖关系,进一步提升了模型的故障识别能力

九重创新点:
1、多模态融合:将一维时序信号和两种混合二维图像融合,可以综合利用不同模态的信息,从而更全面地描述数据的特征。这有助于提取更丰富、更有区别性的特征,从而提高分类和识别的准确性。
2、时序信息捕获:GRU(门控循环单元)是一种适用于时序数据的循环神经网络,它能够捕获一维时序信号中的动态变化和趋势。通过将GRU与全新的Transformer并行结合,算法可以同时考虑时序特征和空间特征,进一步提升了算法的性能。
3、空间特征学习:双支路Transformer全局特征提取中表现出色,能够有效地学习图像的空间特征和局部模式。将Transformer用于图像数据的处理可以帮助提取图像的纹理、形状和边缘等特征,有助于更准确地进行分类和故障识别。
4、融合优势:通过融合不同模态的信息,算法可以弥补一维时序信号和二维图像各自的局限性。例如:图像可能对于某些故障模式更敏感,而时序信号则对于其他模式更敏感。将它们结合起来,可以增强算法的鲁棒性和泛化能力。
5、多头自注意力机制:Transformer融合多头注意力机制有效把握提取特征的贡献程度,将特征进行重点强化,提高故障识别的准确率。
6、提高泛化能力:多模态融合可以帮助算法更好地理解数据的本质特征,从而减少过拟合的风险,提高算法在新数据上的泛化能力。
7、异构图像特征融合GASF图像捕捉全局趋势,RP图像突出局部非线性特征,两者结合丰富了特征空间,提供了全局与局部、线性与非线性特征的互补信息,增强了模型的判别力。
8双向特征二次提取:在输出层前引入双向长短期记忆网络(BiLSTM),能够有效捕捉双向时序依赖关系,进一步提升模型对故障模式的捕捉能力,实现更为精确的故障分类并计算精确度、召回率、精确率、F1分数等评价指标。

9、可解释性为提升模型的可解释性,应用t-SNE可解释性算法对各个支路模块的特征图进行可视化;对比原始样本和1D-2D-BiTransformer-GRU多模态融合提取特征后的样本分布情况。

适用领域:适用于各种数据分类场景,如滚动轴承故障、变压器油气故障、电力系统输电线路故障区域、绝缘子、配网、电能质量扰动,等领域的识别、诊断和分类。
直接替换数据就可以,使用Excel表格直接导入,不需要对程序大幅修改。程序内有详细注释,便于理解程序运行。
数据格式:一行一个样本,最后一列为样本所属的故障类型标签
程序结果:(由上述一维序列自动转化为递归图RP图像)

程序结果:

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