توصيفگر ها :
عيبيابي هوشمند , ياتاقانهاي غلتشي , تحليل طيف پوش , يادگيري عميق , يادگيري انتقالي , تحليل مرتبه
چكيده فارسي :
ياتاقانهاي غلتشي از اجزاي پركاربرد در ماشينآلات دوار هستند كه خرابي ناگهاني آنها ميتواند پيامدهاي قابلتوجهي در صنعت به همراه داشته باشد. در سالهاي اخير، موفقيت مدلهاي يادگيري ماشين در كاربردهاي مختلف، توجه به استفاده از آنها در پايش وضعيت و عيبيابي را افزايش داده است. بهعلاوه، پيچيدگيهاي موجود در اين مسئله، ضرورت بهرهگيري از روشهاي هوشمند را در اين حوزه افزايش داده است. در اين پژوهش، با هدف طراحي و ارزيابي مدلهاي يادگيري براي دستهبندي عيوب ياتاقانهاي غلتشي، سه مجموعهداده مرجع شامل CWRU، PU و MFPT مورد تحليل قرار گرفتند. بررسي سيگنالهاي ارتعاشي اين مجموعهدادهها با استفاده از طيف مربع پوش نشان داد كه بخشي از دادهها داراي نشانههاي كلاسيك عيوب ياتاقانهاي غلتشي هستند، درحاليكه، برخي فاقد اين نشانهها بوده يا الگوهايي متفاوت از عيوب معمول نمايش ميدهند. دو نوع شبكه عصبي شامل پرسپترون چندلايه (MLP) و شبكه عصبي كانولوشني يك بعدي (1D-CNN) براي دستهبندي دادهها استفاده شد. اين مدلها با دو نوع تقسيمبندي دادهها شامل تقسيمبندي تصادفي و تقسيمبندي براساس اندازه عيب آموزش داده شدند. در تقسيمبندي تصادفي، بهدليل احتمال همپوشاني بخشهايي از يك سيگنال در مجموعههاي آموزش و تست، پديده نشت داده رخ داده و مدل در مواجهه با دادههاي مشابه با دادههاي آموزشي، دقتهايي تقريباً كامل و غيرواقعي بهدست ميآورد. در مقابل، تقسيمبندي براساس اندازه عيب با حذف اين همپوشاني، به مسئله واقعي عيبيابي نزديكتر است و نتايج واقعبينانهتري ارائه ميدهد، اما بهدليل پيچيدگي بالاتر، دقت مدلها در اين حالت كاهش مييابد. در اين پژوهش، برخلاف اغلب مطالعات گذشته كه ورودي مدلها را به سيگنال خام يا طيف سيگنال محدود كردهاند، از وروديهايي از جمله طيف پوش و طيف پوش پيشسفيدشده استفاده شده است كه با ماهيت فيزيكي عيب در ياتاقانها همخواني بيشتري دارند و اطلاعات غنيتري از رفتار سيگنال ارائه ميدهند. نتايج بهدستآمده نشان داد كه بهرهگيري از اين وروديهاي غنيتر موجب بهبود قابلتوجه عملكرد مدلها در اين شرايط واقعگرايانهتر عيبيابي شده است. پس از انجام آزمونهاي مختلف روي فراپارامترها، مشخص شد مدل 1D-CNN در هر دو مجموعهداده عملكرد بهتري نسبت به MLP دارد. در ادامه، يك مدل سادهتر مبتني بر كانولوشن يكبعدي با ورودي طيف مربع پوش انتخاب شد. اين مدل براي مجموعهداده CWRU دقت 00/75 درصد و براي PU دقت 93/73 درصد بهدست آورد كه از مدلهاي پيچيدهتر قبلي عملكرد بهتري نشان داده است. بررسي كيفيت دادهها نشان داد كه حذف دادههاي فاقد نشانههاي كلاسيك باعث افزايش چشمگير دقت ميشود. پس از حذف اين دادهها، دقت مدل براي CWRU به 77/99 درصد و براي PU به 03/92 درصد رسيد. همچنين، با تنظيم طول ورودي و افزودن نويز گاوسي به عنوان دادهافزايي، دقت مجموعهداده PU به 6/98 درصد افزايش يافت. بررسيها نشان داد كه مدلهاي آموزشديده بر دادههاي با نشانههاي كلاسيك، خروجيهايي توليد كردهاند كه با تحليلهاي مبتني بر پردازش سيگنال تطابق مناسبي دارند و با درك فيزيكي از پديده عيب نيز همراستا هستند. در ادامه، يادگيري انتقالي براي بهبود عملكرد در شرايطي كه دادههاي هدف فاقد نشانههاي واضح عيب بودند، مورد استفاده قرار گرفت. استفاده از PU بهعنوان دامنه منبع براي CWRU منجر به افزايش 89/4 درصدي دقت شد، اما استفاده از CWRU يا MFPT براي بهبود عملكرد PU نهتنها نتيجه مثبت نداشته است، بلكه موجب افت دقت شد. اين نتايج حاكي از اهميت انتخاب دقيق دامنه منبع و احتمال وقوع يادگيري انتقالي منفي در صورت عدم تطابق ساختاري و آماري دادهها هستند. در نهايت، در بررسي اثر رديابي مرتبه براي دادهها با سرعت مختلف، مشخص شد كه استفاده از رديابي مرتبه در حالتي كه مجموعه آموزش و تست داراي سرعتهاي مختلف باشند، موجب افزايش دقت ميانگين تا 01/13 درصد شده است و نقش مهمي در ارتقاء تعميمپذيري مدلها در كاربردهاي صنعتي ايفا ميكند.
چكيده انگليسي :
Rolling element bearings are critical components in rotating machinery, and their sudden failure can result in significant economic and operational consequences in industrial systems. In recent years, the remarkable performance of machine learning models across a wide range of tasks has increased interest in applying these approaches to condition monitoring and fault diagnosis. However, challenges such as the complexity of vibration signal patterns, varying operating conditions, and differences in fault severity and location—which lead to distributional differences in data—have emphasized the need for intelligent methods in diagnostic systems. This study focuses on designing and evaluating learning-based models for classifying faults in rolling element bearings. Three benchmark datasets—CWRU, PU, and MFPT—were analyzed. Envelope spectrum analysis of their vibration signals revealed that while some data exhibited classic bearing fault features, others did not show such features or contained patterns inconsistent with typical bearing faults. Two types of neural networks, a multilayer perceptron (MLP) and a one-dimensional convolutional neural network (1D-CNN), were used for fault classification. The models were trained using two data-splitting strategies: random splitting and fault-size-based splitting. In the random split, models achieved nearly perfect accuracy, primarily due to data leakage, where parts of the same signal were present in both training and test sets. This resulted in overestimated performance. In contrast, fault-size-based splitting eliminated this issue and provided a more realistic view of the diagnostic task, though with reduced accuracy due to increased task complexity. To address this performance drop, various input representations were explored, including raw signals, signal spectra, envelope spectra, and cepstrum pre-whitened envelope spectra, across multiple input lengths. Unlike many previous studies that limited inputs to raw or frequency-domain signals, this research utilized richer, physics-based representations that better preserve fault-related information. Results showed that these enhanced inputs substantially improved model performance under more realistic and challenging diagnostic conditions. After conducting extensive hyperparameter tuning, the 1D-CNN consistently outperformed the MLP across both datasets. A simplified 1D-CNN model using envelope spectrum input was ultimately selected. This model achieved accuracies of 75.00% on the CWRU dataset and 73.93% on the PU dataset—surpassing the more complex models developed in earlier experiments. Further investigations into data quality revealed that removing signals that did not show classic bearing fault features significantly enhanced model performance. After removing the data samples that did not show classic bearing fault features, the model achieved 99.77% accuracy on the CWRU dataset and 92.03% on the PU dataset. Moreover, adjusting the input length and applying Gaussian noise for data augmentation raised PU accuracy to 98.6%. evaluations indicated that models trained on data containing classic fault features produced outputs that were well aligned with signal processing-based fault analysis, suggesting consistency with domain-specific understanding of fault behavior. Transfer learning was also employed to improve performance on data that lacked distinct indications of classic bearing faults. When PU was used as the source domain for transfer learning to CWRU, an accuracy improvement of 4.89% was observed. However, using CWRU or MFPT as the source for PU not only failed to improve results but led to decreased performance. These findings highlight the importance of source domain selection and the risk of negative transfer when structural or statistical discrepancies exist between domains.