論文の概要: TFN: An Interpretable Neural Network with Time-Frequency Transform Embedded for Intelligent Fault Diagnosis

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2209.01992v2
• Date: Mon, 19 Jun 2023 08:55:08 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-06-22 05:49:04.411000
• Title: TFN: An Interpretable Neural Network with Time-Frequency Transform Embedded for Intelligent Fault Diagnosis
• Title（参考訳）: TFN:知的故障診断のための時間周波数変換を組み込んだ解釈可能なニューラルネットワーク
• Authors: Qian Chen, Xingjian Dong, Guowei Tu, Dong Wang, Baoxuan Zhao and Zhike Peng
• Abstract要約: 畳み込みニューラルネットワーク(CNN)は機械系の故障診断に広く用いられている。 本稿では,時間周波数ネットワーク(TFN, Time-Frequency Network)と呼ばれる新しい解釈可能なニューラルネットワークを提案し,物理的に有意な時間周波数変換(TFT)法を適応前処理層として従来の畳み込み層に組み込む。 本研究では, TFNを定式化する4つの典型的なTFT法について検討し, 3つの機械的故障診断実験によりその妥当性と解釈性を示した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 6.812133175214715
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Convolutional Neural Networks (CNNs) are widely used in fault diagnosis of mechanical systems due to their powerful feature extraction and classification capabilities. However, the CNN is a typical black-box model, and the mechanism of CNN's decision-making are not clear, which limits its application in high-reliability-required fault diagnosis scenarios. To tackle this issue, we propose a novel interpretable neural network termed as Time-Frequency Network (TFN), where the physically meaningful time-frequency transform (TFT) method is embedded into the traditional convolutional layer as an adaptive preprocessing layer. This preprocessing layer named as time-frequency convolutional (TFconv) layer, is constrained by a well-designed kernel function to extract fault-related time-frequency information. It not only improves the diagnostic performance but also reveals the logical foundation of the CNN prediction in the frequency domain. Different TFT methods correspond to different kernel functions of the TFconv layer. In this study, four typical TFT methods are considered to formulate the TFNs and their effectiveness and interpretability are proved through three mechanical fault diagnosis experiments. Experimental results also show that the proposed TFconv layer can be easily generalized to other CNNs with different depths. The code of TFN is available on https://github.com/ChenQian0618/TFN.
• Abstract（参考訳）: 畳み込みニューラルネットワーク(CNN)はその強力な特徴抽出と分類能力のため、機械系の故障診断に広く用いられている。 しかし、CNNは典型的なブラックボックスモデルであり、CNNの意思決定のメカニズムは明確ではない。 そこで本研究では,時間周波数ネットワーク(TFN, Time-Frequency Network)と呼ばれる新しい解釈可能なニューラルネットワークを提案し,物理的に意味のある時間周波数変換(TFT)法を適応前処理層として従来の畳み込み層に組み込む。 時間周波数畳み込み(tfconv)層と呼ばれるこの前処理層は、よく設計されたカーネル関数によって制約され、故障に関連する時間周波数情報を抽出する。 診断性能を向上するだけでなく、周波数領域におけるCNN予測の論理的基礎を明らかにする。 TFT法はTFconv層の異なるカーネル関数に対応している。 本研究では, TFNを定式化する4つの典型的なTFT法について検討し, 3つの機械的故障診断実験によりその妥当性と解釈性を示した。 実験の結果、tfconv層は深さが異なる他のcnnに容易に一般化できることがわかった。 TFNのコードはhttps://github.com/ChenQian0618/TFNで公開されている。

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