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基于1DCNN-BiLSTM-cross-attention的压电传感器故障辨识

陈勇波 张婷

陈勇波, 张婷. 基于1DCNN-BiLSTM-cross-attention的压电传感器故障辨识[J]. 上海工程技术大学学报, 2026, 40(2): 174-182. doi: 10.12299/jsues.24-0392
引用本文: 陈勇波, 张婷. 基于1DCNN-BiLSTM-cross-attention的压电传感器故障辨识[J]. 上海工程技术大学学报, 2026, 40(2): 174-182. doi: 10.12299/jsues.24-0392
CHEN Yongbo, ZHANG Ting. Fault identification of piezoelectric sensor based on 1DCNN-BiLSTM-cross-attention[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2026, 40(2): 174-182. doi: 10.12299/jsues.24-0392
Citation: CHEN Yongbo, ZHANG Ting. Fault identification of piezoelectric sensor based on 1DCNN-BiLSTM-cross-attention[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2026, 40(2): 174-182. doi: 10.12299/jsues.24-0392

基于1DCNN-BiLSTM-cross-attention的压电传感器故障辨识

doi: 10.12299/jsues.24-0392
详细信息
    作者简介:

    陈勇波(2000 − ),男,硕士生,研究方向为故障辨识。E-mail:15621421190@163.com

    通讯作者:

    张 婷(1984 − ),女,副教授,博士,研究方向为振动控制、故障辨识。E-mail:zhangt@sues.edu.cn

  • 中图分类号: TP206+.3

Fault identification of piezoelectric sensor based on 1DCNN-BiLSTM-cross-attention

  • 摘要: 针对宏纤维复合材料(macro fiber composite, MFC)压电传感器的故障辨识问题,提出一种基于一维卷积神经网络(one-dimensional convolutional neural network, 1DCNN)、双向长短期记忆(bidirectional long short-term memory, BiLSTM)网络融合交叉注意力机制(cross-attention)的故障辨识方法。实验模拟不同类型的传感器故障来获取故障数据,分别采用快速傅里叶变换和经粒子群算法优化参数的变分模态分解处理数据,获得时频域的混合数据,并用1DCNN-BiLSTM-cross-attention (1DCBCA)模型对数据进行故障辨识,准确率为99.4%。同其他对比模型相比,所提模型辨识准确率更优,能很好地适用于MFC压电传感器的故障辨识。
  • 图  1  LSTM结构

    Figure  1.  Structure of LSTM

    图  2  BiLSTM结构

    Figure  2.  Structure of BiLSTM

    图  3  实验设备

    Figure  3.  Experimental equipment

    图  4  MFC压电传感器结构

    Figure  4.  MFC piezoelectric sensor structure

    图  5  梁振动位移控制前后变化

    Figure  5.  Variation of beam vibration displacement before and after control

    图  6  传感器故障及结构附加

    Figure  6.  Sensor faults and structural additions

    图  7  传感器故障数据

    Figure  7.  Sensor failure data

    图  8  FFT幅频图

    Figure  8.  FFT amplitude and frequency map

    图  9  正常组VMD分解图

    Figure  9.  Exploded view of VMD in normal group

    图  10  网络模型架构

    Figure  10.  Architecture of network model

    图  11  各模型测试集辨识结果混淆矩阵

    Figure  11.  Confusion matrices of each model on test set

    图  12  测试集t-SNE可视化结果

    Figure  12.  Visualization results of t-SNE in test set

    图  13  模型准确率对比

    Figure  13.  Comparison of model accuracy results

    表  1  1DCNN网络结构

    Table  1.   1DCNN network structure

    网络层 网络结构 输入尺寸 输出尺寸
    输入 [32, 6, 1024]
    第1层 Conv1d + ReLU + Pooling [32, 6, 1024] [32, 32, 512]
    第2层 Conv1d + ReLU + Pooling [32, 32, 512] [32, 64, 256]
    第3层 Conv1d + ReLU + Pooling [32, 64, 256] [32, 128, 128]
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    表  2  BiLSTM网络结构

    Table  2.   BiLSTM network structure

    网络层 操作 输入维度 输出维度
    输入 划分堆叠,调换维度 [32, 6, 1024] [32, 128, 48]
    BiLSTM第1层 32隐藏单元BiLSTM [32, 128, 48] [32, 128, 64]
    BiLSTM第2层 64隐藏单元BiLSTM [32, 128, 64] [32, 128, 128]
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    表  3  交叉注意力结构

    Table  3.   Cross-attention structure

    网络层 输入数据来源 输入维度
    Q 1DCNN输出 [32, 128, 128]
    K BiLSTM输出 [32, 128, 128]
    V BiLSTM输出 [32, 128, 128]
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    表  4  PSO-VMD参数结果

    Table  4.   Result of PSO- VMD parameters

    参数 k a
    9次数据 5;5;5;5;5;5;5;5;5 21082104212020942105
    2107210321092108
    平均值 5 2106
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    表  5  混淆矩阵结构

    Table  5.   Confusion matrix structure

    混淆矩阵 预测正类 预测反类
    真实正类 TP(真正例) FN(假反例)
    真实反类 FP(假正例) TN(真反例)
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    表  6  各模型评价指标

    Table  6.   Evaluation metrics of different models

    模型 准确率/% 精确率/% 召回率/% F1分数/%
    1DCBCA(PSO-VMD) 98.1 98.2 98.1 98.1
    1DCNN 83.6 85.2 83.6 83.6
    BiLSTM 89.8 90.7 89.8 89.9
    1DCNN-BiLSTM 96.5 96.6 96.5 96.5
    1DCBCA(原始数据) 97.4 97.4 97.4 97.4
    CWT-CNN 95.3 95.4 95.3 95.3
    BiGRU 86.2 80.6 80.8 80.9
    1DCBCA 99.4 99.5 99.5 99.5
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-12-25
  • 网络出版日期:  2026-08-19
  • 刊出日期:  2026-06-30

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