深度学习与智能故障诊断学习笔记(二)——神经网络在故障诊断及健康管理中的应用

1.基本介绍

PHM 中的输入是传感器所收集数据,输出是根据手头的任务所生成预测。感知器中的基本组件包括输入层(可接收任意数量的输入)、将输入映射到下一层的权重w 、偏置 b 、激活函数 H (将非线性引入函数)和输出 Z。

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2 )在最终输出之前存在一个激活函数。激活函数的目的将神经元的输出改为非线性。 ReLU 为常用激活函数, 如果输入大于 0 ,直接返回作为输入提供的值;如果输入是 0 或更小,返回值 0
3 )激活函数的输出相当于预测输出

4 )一旦获得预测输出,就可以使用感知器的输出与实际值来评估预测误差 E
5 )在( 4 )中计算的误差 E ,作为使用损失函数计算损失的输入。等式( 5 )是所用的均方损失函数。
6 )使用梯度下降法根据损失的大小更新权重和偏差。梯度下降法是一种迭代优化算法,用于通过更新等式( 6 )中所示的权重来最小化损失

6中的偏导数取损失函数对权重的导数,相当于计算损失梯度。学习率α控制每次迭代中的变化幅度。通过迭代,梯度下降将收敛于极小值,并为每个权重参数提供最佳值。

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    深度神经网络具有大量的隐藏层和神经元单元,每一层中的神经元都与下一层中的神经元完全连接,连接中包含一个权重值,该权重值将贡献输出值。连接的权重随机初始化,然后在训练期间使用梯度下降法进行更新。  

2.神经网络介绍

2.1 CNN

 CNN是包含不同层的神经网络,如卷积、最大池和完全连接层。最大池层的目的是对输入进行降采样和降维,而卷积层从输入中提取高级特征。这使得CNN能够更好地处理与其邻域数据点具有高度空间相关性的数据。

 如图所示,顶部显示了一个普通的二维卷积神经网络(CNN)及其卷积层和最大池层。最大池层随后被展平,以将数据馈送到完全连接的层中。下图是一个一维卷积神经网络(CNN1D),其中滤波器仅向一个方向移动,以执行卷积和最大池运算。

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 2.2长短期记忆神经网络LSTM

 长短期记忆神经网络是递归神经网络(RNN)的一种变体,其设计具有由输入、遗忘和输出门组成的链式单元,Gates负责管理传递给下一个单元的信息。Input Gates控制电流输入的影响。每个单元中的Forget Gates控制需要保留多少信息。Output Gates控制流(信息流)是否传递到下一个LSTM单元。这种体系结构允许学习具有长期依赖性的数据。

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黄色圆圈代表S形激活函数,而粉色圆圈代表tanh激活函数。此外,“x”和“+”符号是按元素的乘法和加法运算符。

双向LSTM工作原理同LSTM基本一致:

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双向 LSTM 以相反方向连接 LSTM 的两个隐藏层,通过使用过去和未来状态来增加网络可用的信息。
红色箭头表示输入值流,蓝色箭头表示输出值,灰色箭头表示 LSTM\/GRU 单元之间的信息流。
LSTM GRU 单元外, LSTM GRU 的结构相同。 

2.3门控循环神经网络GRU

GRU LSTM 在参数数量和门类型上有所不同。 GRU 只使用两个门,这两个门是( 1 )重置门:用于控制前一个单元的内存保留和向单元中添加新内存;( 2 )更新门:用于控制输入和删除新信息。因此, GRU 的设计参数比 LSTM 少,从而降低了模型复杂度。
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黄色圆圈代表S形激活函数,而粉色圆圈代表tanh激活函数。此外,“x”、“+”和“1”−” 符号是按元素的乘法、加法和求逆运算符。同时提高了计算效率。 

(注:S形激活函数:x趋近于负无穷时,y趋近于0;当x趋近于正无穷时,y趋近于1;当x=0时,y=1/2

 参考文献

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