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基于Python实现长尾数驱动的故障轴承诊断方法的示例

news 来源：原创 2025/6/6 14:55:34

以下是一个基于Python实现长尾数驱动的故障轴承诊断方法的示例，包含数据预处理、模型构建和实验验证的基本步骤。本示例假设使用深度学习模型（如卷积神经网络，CNN）进行故障诊断。

1. 数据预处理

数据预处理的主要目的是对原始数据进行清洗、归一化、划分训练集和测试集等操作。

import numpy as np
import pandas as pd
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.preprocessing import StandardScaler

# 假设读取的数据文件为CSV格式，包含特征和标签列
def load_data(file_path):
    data = pd.read_csv(file_path)
    X = data.drop('label', axis=1).values
    y = data['label'].values
    return X, y

# 数据预处理
def preprocess_data(X, y):
    # 数据归一化
    scaler = StandardScaler()
    X = scaler.fit_transform(X)
    
    # 划分训练集和测试集
    X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42)
    
    return X_train, X_test, y_train, y_test

# 示例使用
file_path = 'bearing_data.csv'
X, y = load_data(file_path)
X_train, X_test, y_train, y_test = preprocess_data(X, y)

2. 模型构建

这里使用Keras构建一个简单的卷积神经网络模型。

from tensorflow.keras.models import Sequential
from tensorflow.keras.layers import Conv1D, MaxPooling1D, Flatten, Dense

# 构建CNN模型
def build_model(input_shape, num_classes):
    model = Sequential()
    model.add(Conv1D(filters=32, kernel_size=3, activation='relu', input_shape=input_shape))
    model.add(MaxPooling1D(pool_size=2))
    model.add(Conv1D(filters=64, kernel_size=3, activation='relu'))
    model.add(MaxPooling1D(pool_size=2))
    model.add(Flatten())
    model.add(Dense(64, activation='relu'))
    model.add(Dense(num_classes, activation='softmax'))
    
    model.compile(optimizer='adam', loss='sparse_categorical_crossentropy', metrics=['accuracy'])
    
    return model

# 调整输入形状
X_train = np.expand_dims(X_train, axis=2)
X_test = np.expand_dims(X_test, axis=2)

input_shape = (X_train.shape[1], 1)
num_classes = len(np.unique(y))

model = build_model(input_shape, num_classes)

3. 实验验证

训练模型并在测试集上进行验证。

# 训练模型
history = model.fit(X_train, y_train, epochs=10, batch_size=32, validation_data=(X_test, y_test))

# 评估模型
test_loss, test_acc = model.evaluate(X_test, y_test)
print(f"Test accuracy: {test_acc}")

长尾数驱动的处理

在长尾数据分布的情况下，少数类别的样本数量较少，可能导致模型对这些类别分类效果不佳。可以采用以下方法处理：

数据层面

过采样：使用imblearn库中的SMOTE方法对少数类样本进行过采样。

from imblearn.over_sampling import SMOTE

smote = SMOTE()
X_resampled, y_resampled = smote.fit_resample(X, y)
X_train_resampled, X_test_resampled, y_train_resampled, y_test_resampled = preprocess_data(X_resampled, y_resampled)

模型层面

加权损失函数：在模型编译时为不同类别设置不同的权重。

from sklearn.utils.class_weight import compute_class_weight

class_weights = compute_class_weight('balanced', classes=np.unique(y), y=y)
class_weight_dict = dict(enumerate(class_weights))

model.compile(optimizer='adam', loss='sparse_categorical_crossentropy', metrics=['accuracy'])
history = model.fit(X_train, y_train, epochs=10, batch_size=32, validation_data=(X_test, y_test), class_weight=class_weight_dict)