
多模态特征融合的轴承故障诊断混合深度学习框架:时频域协同分析与神经ODE动态建模
算法流程
开始
│
├─ 初始化设置(随机种子、目录创建)
├─ 自定义层定义(SEBlock1, NeuralODEBlock1, EnhancedGatedAttention1等)
├─ 混合模型构建(build_hybrid_model)
│ ├─ 输入层
│ ├─ 共享卷积层
│ ├─ 三条并行路径:
│ │ ├─ 时域路径(卷积+注意力+神经ODE)
│ │ ├─ 频域路径(傅里叶神经算子+注意力)
│ │ └─ LSTM路径(LSTM+SE块)
│ ├─ 多路径特征融合(注意力加权)
│ └─ 输出层(全连接+分类)
├─ 数据加载与预处理(load_surf_dataset)
│ ├─ 读取.mat/.csv文件
│ ├─ 信号长度标准化
│ └─ 标签编码
├─ 模型编译与训练
│ ├─ 自定义F1评估指标
│ ├─ 类别权重平衡
│ └─ 模型训练
├─ 性能评估与可视化
│ ├─ 训练指标曲线
│ ├─ 测试集评估
│ ├─ 噪声鲁棒性测试
│ ├─ 特征空间可视化(UMAP/t-SNE)
│ ├─ 混淆矩阵/ROC曲线
│ └─ 层激活可视化
└─ 高级信号分析
├─ 时域/频域分析
├─ 时频分析(STFT/小波)
└─ 特征分布可视化
结束
模型架构设计:构建三路径混合模型
时域路径使用卷积神经网络提取局部特征,结合神经ODE模拟连续动态系统
频域路径采用傅里叶神经算子进行频域特征提取
LSTM路径捕获时序依赖关系,结合SE注意力机制增强关键特征
多路径特征通过注意力加权融合,最后通过全连接层分类
数据处理流程:
从.mat/.csv文件加载轴承振动信号
统一信号长度为1024个采样点(不足则填充)
对故障类别标签进行编码和one-hot转换
添加通道维度适配卷积网络输入
模型训练策略:
使用Adam优化器(学习率1e-4)和类别加权交叉熵损失
引入自定义F1分数作为评估指标
采用5:1的训练测试比例划分数据集
执行50个训练周期(batch size=256)
性能评估方法:
在原始测试集和不同信噪比的加噪测试集上评估
计算准确率、精确率、召回率、F1值和AUC
通过混淆矩阵分析各类别分类效果
使用t-SNE/UMAP可视化高维特征空间
可视化分析技术:
训练过程指标曲线绘制
层激活热力图和注意力权重可视化
时域波形、频谱图、时频分析展示
特征分布箱线图和小提琴图
模型决策边界投影(PCA/UMAP)
鲁棒性测试方案:
添加5-20dB高斯白噪声模拟实际工况
在不同噪声水平下评估模型性能衰减
对比噪声信号与原始信号的频谱特征
算法在信号分析中的应用
应用领域 | 具体应用方式 | 技术价值 |
特征提取 | 三路径架构分别捕获时域瞬态特征、频域共振特征和时序依赖特征 | 克服单一模型特征提取局限性,提升故障特征表征能力 |
噪声鲁棒性 | 高斯噪声注入测试(5-20dB SNR)评估模型抗干扰能力 | 验证模型在实际工业噪声环境下的适用性 |
故障模式分离 | t-SNE/UMAP可视化展示不同故障类别在高维特征空间的聚类效果 | 直观呈现模型对故障模式的区分能力 |
动态过程建模 | 神经ODE块模拟故障演化过程,通过欧拉积分实现连续状态演化 | 捕捉故障发展的时间动态特性,增强模型物理可解释性 |
注意力机制 | SE块实现通道级特征选择,门控注意力实现时间维度特征增强 | 自动聚焦故障相关特征,抑制背景噪声干扰 |
频域分析 | 傅里叶神经算子学习频域表示,结合包络谱分析提取故障特征频率 | 增强对轴承周期性冲击特征的捕获能力 |
时频分析 | STFT和小波变换可视化展示故障信号的时频能量分布 | 辅助分析故障信号的瞬态冲击特性和调制现象 |
决策解释性 | 可视化卷积核响应、注意力权重和特征重要性 | 增强模型透明度,辅助故障机理分析 |
实时监测 | 轻量化架构设计(如1D卷积替代全连接)降低计算复杂度 | 满足工业现场实时监测需求 |
小样本学习 | 迁移学习技术将预训练模型适配到新故障类型 | 解决实际工业场景标注数据稀缺问题 |
# 导入必要的库
import os # 提供操作系统相关功能
import numpy as np # 科学计算库
import tensorflow as tf # 深度学习框架
from tensorflow.keras.layers import ( # Keras层组件
Input, Conv1D, BatchNormalization, Dense, Dropout, LSTM, Concatenate, Add,
LayerNormalization, Activation, GlobalAveragePooling1D, Multiply, Reshape, Lambda)
from tensorflow.keras.models import Model # 模型构建
from tensorflow.keras.utils import to_categorical # 类别编码
from sklearn.preprocessing import LabelEncoder # 标签编码
from sklearn.utils import class_weight # 类别权重计算
import matplotlib.pyplot as plt # 绘图库
import scipy.io # MATLAB文件处理
import pandas as pd # 数据处理
import pickle # 数据序列化
from scipy.signal import stft, hilbert # 信号处理
import seaborn as sns # 统计可视化
import umap # 降维可视化
from sklearn.manifold import TSNE # t-SNE降维
from sklearn.metrics import ( # 评估指标
accuracy_score, precision_score, recall_score, f1_score, roc_auc_score,
confusion_matrix, ConfusionMatrixDisplay, roc_curve, auc)
# 设置随机种子确保结果可重现
seed_value = 1234
np.random.seed(seed_value)
tf.manual_seed(seed_value)
# 创建报告目录用于保存结果
os.makedirs("Report", exist_ok=True)
# 定义信号维度参数
n_u, n_y = 2, 2 # 输入输出通道数
seq_len = 1024 # 信号长度
input_shape = (seq_len, 1) # 输入形状
num_classes = 3 # 故障类别数
### 自定义神经网络层实现 ###
class SEBlock1(Layer):
"""挤压激励注意力模块 (Squeeze-and-Excitation Block)"""
def __init__(self, reduction_ratio=8, **kwargs):
"""
初始化SE块
:param reduction_ratio: 通道压缩比例
"""
super().__init__(**kwargs)
self.reduction_ratio = reduction_ratio
def build(self, input_shape):
"""构建层权重"""
channels = input_shape[-1] # 获取输入通道数
# 使用1x1卷积替代全连接层加速计算
self.conv1 = Conv1D(channels//self.reduction_ratio, 1, activation='relu') # 降维卷积
self.conv2 = Conv1D(channels, 1, activation='sigmoid') # 重建卷积
super().build(input_shape)
def call(self, inputs):
"""前向传播逻辑"""
# 全局平均池化替代全连接层
se = tf.reduce_mean(inputs, axis=1, keepdims=True) # 空间维度压缩
se = self.conv1(se) # 通道压缩
se = self.conv2(se) # 通道重建
return Multiply()([inputs, se]) # 通道加权
def compute_output_shape(self, input_shape):
"""输出形状计算"""
return input_shape
class NeuralODEBlock1(Layer):
"""神经常微分方程块 (Neural Ordinary Differential Equations Block)"""
def __init__(self, units, time_steps=10, **kwargs):
"""
初始化神经ODE块
:param units: 隐藏单元数
:param time_steps: 时间步长
"""
super().__init__(**kwargs)
self.units = units
self.time_steps = time_steps
self.dense1 = Dense(units, activation='tanh') # 非线性变换层
self.dense2 = Dense(units) # 导数计算层
def call(self, x):
"""前向传播实现欧拉积分"""
outputs = [] # 存储各时间步输出
h = x # 初始状态
# 通过欧拉方法模拟ODE
for t in range(self.time_steps):
dx = self.dense2(self.dense1(h)) # 计算导数
h = h + dx # 状态更新
outputs.append(h) # 保存当前状态
# 拼接所有时间步输出
stacked = tf.concat(outputs, axis=1)
return stacked
def compute_output_shape(self, input_shape):
"""输出形状计算"""
return (input_shape[0], self.time_steps, self.units)
class EnhancedGatedAttention1(Layer):
"""增强门控注意力机制 (Enhanced Gated Attention)"""
def __init__(self, d_model, **kwargs):
"""
初始化注意力层
:param d_model: 特征维度
"""
super().__init__(**kwargs)
self.d_model = d_model
# 使用较少注意力头加速计算
self.mha = tf.keras.layers.MultiHeadAttention(
num_heads=2, key_dim=d_model//2) # 多头注意力
# 使用1D卷积替代全连接加速门控计算
self.gate = Conv1D(1, kernel_size=1, activation='sigmoid') # 门控生成
# 使用批归一化替代层归一化加速训练
self.norm = BatchNormalization() # 归一化层
def call(self, x):
"""前向传播逻辑"""
attn = self.mha(x, x) # 自注意力计算
gate = self.gate(x) # 门控信号生成
# 残差连接+门控注意力
return self.norm(x + attn * gate) # 特征更新
class VanillaSelfAttention(Layer):
"""标准自注意力机制 (Vanilla Self-Attention)"""
def __init__(self, d_model, **kwargs):
"""初始化标准注意力层"""
super().__init__(**kwargs)
self.d_model = d_model
# 使用与增强门控注意力相同的配置
self.mha = tf.keras.layers.MultiHeadAttention(
num_heads=2, key_dim=d_model//2)
self.norm = BatchNormalization()
def call(self, x):
"""前向传播逻辑"""
attn = self.mha(x, x) # 自注意力计算
return self.norm(x + attn) # 残差连接
class FourierNeuralOperator1(Layer):
"""傅里叶神经算子 (Fourier Neural Operator)"""
def __init__(self, modes, filters, **kwargs):
"""
初始化FNO层
:param modes: 保留的傅里叶模式数
:param filters: 滤波器数量
"""
super().__init__(**kwargs)
self.modes = modes
self.filters = filters
# 使用更窄的全连接层加速计算
self.fft_dense = Dense(filters//4, activation='gelu') # 傅里叶域变换
self.ifft_dense = Dense(filters//2) # 逆傅里叶域变换
def call(self, x):
"""前向传播逻辑"""
# 1. 快速傅里叶变换
x_fft = tf.signal.fft(tf.cast(x, tf.complex64))
x_fft = tf.math.real(x_fft[..., :self.modes]) # 保留主要模式
# 2. 傅里叶域特征变换
x_fft = self.fft_dense(x_fft)
x_fft = self.ifft_dense(x_fft)
# 3. 填充并逆变换回时域
x_fft = tf.pad(x_fft, [[0,0],[0,0],[0,tf.shape(x)[1]-self.modes]])
return tf.math.real(tf.signal.ifft(tf.cast(x_fft, tf.complex64)))
### 混合模型构建函数 ###
def build_hybrid_model(input_shape, num_classes):
"""
构建三路径混合故障诊断模型
:param input_shape: 输入形状 (序列长度, 通道数)
:param num_classes: 分类类别数
:return: 构建好的Keras模型
"""
# 1. 输入层
inputs = Input(shape=input_shape)
# ===== 共享预处理层 =====
shared_conv = Conv1D(32, 3, padding='same', name='shared_conv')(inputs)
# ===== 路径1: 时域特征提取 =====
# 1.1 基础特征提取
x_time = Conv1D(64, 3, padding='same', name='time_conv1')(shared_conv)
x_time = EnhancedGatedAttention1(d_model=64, name='time_attn1')(x_time)
# 1.2 中间特征保存用于跨路径连接
time_mid = Conv1D(64, 3, padding='same', name='time_mid')(x_time)
# 1.3 神经ODE时间演化
x_time = GlobalAveragePooling1D(name='time_gap1')(x_time)
x_time = Reshape((1, 64))(x_time)
x_time = NeuralODEBlock1(units=64, time_steps=50, name='time_ode')(x_time)
x_time = GlobalAveragePooling1D(name='time_gap2')(x_time)
# ===== 路径2: 频域特征提取 =====
# 2.1 傅里叶神经算子
x_freq = FourierNeuralOperator1(modes=16, filters=64, name='fno')(shared_conv)
# 2.2 跨路径连接时域特征
x_freq = Concatenate(axis=-1, name='freq_concat')([x_freq, time_mid])
x_freq = Conv1D(64, 1, name='freq_merge')(x_freq)
# 2.3 频域注意力增强
x_freq = EnhancedGatedAttention1(d_model=64, name='freq_attn')(x_freq)
x_freq = GlobalAveragePooling1D(name='freq_gap')(x_freq)
# ===== 路径3: LSTM时序建模 =====
# 3.1 LSTM时序特征提取
x_lstm = LSTM(64, return_sequences=True, name='lstm1')(shared_conv)
# 3.2 时域特征适配
time_mid_adjusted = Conv1D(64, 1, name='time_mid_adjust')(time_mid)
# 3.3 频域特征适配
x_freq_expanded = Lambda(
lambda x: tf.repeat(x[0], tf.shape(x[1])[1], axis=1),
name='freq_expand')([x_freq[:, tf.newaxis, :], x_lstm])
# 3.4 多源特征融合
x_lstm = Concatenate(axis=-1, name='lstm_concat')([
x_lstm, time_mid_adjusted, x_freq_expanded])
x_lstm = Conv1D(64, 1, name='lstm_merge')(x_lstm)
# 3.5 通道注意力增强
x_lstm = SEBlock1(name='lstm_se')(x_lstm)
x_lstm = GlobalAveragePooling1D(name='lstm_gap')(x_lstm)
# ===== 多路径特征融合 =====
# 4.1 特征拼接
fused = Concatenate(name='final_concat')([x_time, x_freq, x_lstm])
# 4.2 注意力加权融合
attention_units = fused.shape[-1] # 自动获取特征维度
attention_weights = Dense(attention_units, activation='softmax')(fused)
fused = Multiply(name='attention_scale')([fused, attention_weights])
# ===== 输出层 =====
# 5.1 全连接层
out = Dense(128, activation='gelu', name='dense1')(fused)
out = Dropout(0.5, name='dropout1')(out)
# 5.2 分类输出层
out = Dense(num_classes, activation='softmax', name='output')(out)
return Model(inputs, out)
### 数据加载函数 ###
def load_surf_dataset(folder, seq_len=1024):
"""
加载SURF轴承故障数据集
:param folder: 数据文件夹路径
:param seq_len: 信号长度
:return: 信号数组和标签数组
"""
X = [] # 存储信号
y = [] # 存储标签
class_names = sorted(os.listdir(folder)) # 获取故障类别
# 遍历每个故障类别
for label in class_names:
class_path = os.path.join(folder, label)
# 遍历类别文件夹中的文件
for fname in os.listdir(class_path):
file_path = os.path.join(class_path, fname)
# 处理MATLAB数据文件
if fname.endswith('.mat'):
mat = scipy.io.loadmat(file_path)
for key in mat:
if not key.startswith("__"): # 跳过系统变量
signal = mat[key].squeeze()
break
# 处理CSV数据文件
elif fname.endswith('.csv'):
df = pd.read_csv(file_path, header=None)
signal = df.values.squeeze()
else:
continue
# 信号长度标准化
if len(signal) >= seq_len:
signal = signal[:seq_len] # 截断
else:
# 填充不足部分
signal = np.pad(signal, (0, seq_len - len(signal)))
X.append(signal)
y.append(label)
return np.array(X), np.array(y)
### 自定义评估指标 ###
def f1_score(y_true, y_pred):
"""自定义F1分数计算函数"""
y_pred = tf.round(y_pred) # 预测概率转类别
# 计算真阳性、假阳性、假阴性
tp = tf.reduce_sum(tf.cast(y_true * y_pred, 'float'), axis=0)
fp = tf.reduce_sum(tf.cast((1 - y_true) * y_pred, 'float'), axis=0)
fn = tf.reduce_sum(tf.cast(y_true * (1 - y_pred), 'float'), axis=0)
# 计算精确率和召回率
precision = tp / (tp + fp + tf.keras.backend.epsilon())
recall = tp / (tp + fn + tf.keras.backend.epsilon())
# 计算F1分数
f1 = 2 * precision * recall / (precision + recall + tf.keras.backend.epsilon())
return tf.reduce_mean(f1) # 返回宏平均F1
### 主执行流程 ###
if __name__ == "__main__":
# === 数据准备 ===
# 加载训练集和测试集
X_train, y_train = load_surf_dataset("Veriseti_Surf/train", seq_len=seq_len)
X_test, y_test = load_surf_dataset("Veriseti_Surf/test", seq_len=seq_len)
# 添加通道维度 (N, seq_len) -> (N, seq_len, 1)
X_train = X_train[..., np.newaxis]
X_test = X_test[..., np.newaxis]
# 标签编码和one-hot转换
encoder = LabelEncoder()
y_train_enc = encoder.fit_transform(y_train)
y_test_enc = encoder.transform(y_test)
y_train_cat = to_categorical(y_train_enc, num_classes=num_classes)
y_test_cat = to_categorical(y_test_enc, num_classes=num_classes)
# === 模型构建与编译 ===
model = build_hybrid_model(input_shape=input_shape, num_classes=num_classes)
# 计算类别权重处理不平衡数据
class_weights = class_weight.compute_class_weight(
class_weight='balanced',
classes=np.unique(y_train_enc),
y=y_train_enc
)
class_weights_dict = dict(enumerate(class_weights))
# 模型编译
model.compile(
optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=1e-4),
loss='categorical_crossentropy',
metrics=[
'accuracy',
tf.keras.metrics.Precision(name='precision'),
tf.keras.metrics.Recall(name='recall'),
f1_score # 使用自定义F1指标
]
)
# 打印模型结构
model.summary()
# === 模型训练 ===
history = model.fit(
X_train, y_train_cat,
validation_data=(X_test, y_test_cat),
epochs=50,
batch_size=256,
class_weight=class_weights_dict # 类别权重
)
# === 训练结果分析 ===
# 提取训练指标
train_acc = history.history['accuracy']
train_prec = history.history['precision']
train_rec = history.history['recall']
train_f1 = history.history['f1_score']
train_loss = history.history['loss']
# 提取验证指标
val_acc = history.history['val_accuracy']
val_prec = history.history['val_precision']
val_rec = history.history['val_recall']
val_f1 = history.history['val_f1_score']
val_loss = history.history['val_loss']
# 保存指标结果
with open("ablation/ab1_acc.pkl", "wb") as f:
pickle.dump(train_acc, f)
with open("ablation/ab1_prec.pkl", "wb") as f:
pickle.dump(train_prec, f)
with open("ablation/ab1_rec.pkl", "wb") as f:
pickle.dump(train_rec, f)
with open("ablation/ab1_f1.pkl", "wb") as f:
pickle.dump(train_f1, f)
# === 模型可视化分析 ===
# 1. 训练过程指标曲线
plt.figure(figsize=(10, 6))
epochs = range(1, len(train_acc)+1)
plt.plot(epochs, train_acc, label='Accuracy')
plt.plot(epochs, train_prec, label='Precision')
plt.plot(epochs, train_rec, label='Recall')
plt.plot(epochs, train_f1, label='F1-Score')
plt.title('Training Metrics Over Epochs')
plt.xlabel('Epochs')
plt.ylabel('Score')
plt.legend()
plt.grid(True)
plt.tight_layout()
plt.savefig("Report/training_metrics.pdf")
plt.show()
# 2. 特征空间可视化 (UMAP)
feature_extractor = Model(inputs=model.input, outputs=model.layers[-3].output)
features = feature_extractor.predict(X_test)
reducer = umap.UMAP(n_neighbors=15, min_dist=0.1, metric='euclidean', random_state=42)
embedding = reducer.fit_transform(features)
plt.figure(figsize=(8, 6))
scatter = plt.scatter(embedding[:, 0], embedding[:, 1], c=y_test_enc, cmap='Set1', alpha=0.8)
handles, _ = scatter.legend_elements()
plt.legend(handles=handles, labels=encoder.classes_.tolist())
plt.title("UMAP Visualization of Feature Space")
plt.xlabel("UMAP 1")
plt.ylabel("UMAP 2")
plt.grid(True)
plt.tight_layout()
plt.savefig("Report/feature_space_umap.pdf")
plt.show()
# 3. 混淆矩阵
y_pred = model.predict(X_test)
y_pred_classes = np.argmax(y_pred, axis=1)
cm = confusion_matrix(y_test_enc, y_pred_classes)
disp = ConfusionMatrixDisplay(confusion_matrix=cm, display_labels=encoder.classes_)
disp.plot(cmap=plt.cm.Blues)
plt.title("Confusion Matrix")
plt.savefig("Report/confusion_matrix.pdf")
plt.show()
# 4. ROC曲线
y_test_onehot = to_categorical(y_test_enc, num_classes=num_classes)
plt.figure(figsize=(8, 6))
for i in range(num_classes):
fpr, tpr, _ = roc_curve(y_test_onehot[:, i], y_pred[:, i])
roc_auc = auc(fpr, tpr)
plt.plot(fpr, tpr, label=f'{encoder.classes_[i]} (AUC = {roc_auc:.2f})')
plt.plot([0, 1], [0, 1], 'k--')
plt.xlabel('False Positive Rate')
plt.ylabel('True Positive Rate')
plt.title('ROC Curve for Each Class')
plt.legend()
plt.grid(True)
plt.savefig("Report/roc_curve.pdf")
plt.show()
# === 噪声鲁棒性测试 ===
def add_gaussian_noise(signal, snr_db):
"""添加高斯白噪声"""
signal_power = np.mean(signal ** 2)
snr_linear = 10 ** (snr_db / 10)
noise_power = signal_power / snr_linear
noise = np.random.normal(0, np.sqrt(noise_power), signal.shape)
return signal + noise
# 测试不同信噪比下的性能
snr_levels = [5, 10, 15, 20]
X_test_noisy = {}
# 生成加噪测试集
for snr in snr_levels:
noisy_signals = []
for signal in X_test.squeeze():
noisy_signal = add_gaussian_noise(signal, snr)
noisy_signals.append(noisy_signal)
X_test_noisy[snr] = np.array(noisy_signals)[..., np.newaxis]
# 评估各信噪比下的模型性能
snr_results = {}
for snr in [np.inf] + snr_levels: # 包含无噪声情况
if snr == np.inf:
X_input = X_test
snr_label = "∞"
else:
X_input = X_test_noisy[snr]
snr_label = f"{snr} dB"
# 模型预测
y_pred = model.predict(X_input)
y_pred_cls = np.argmax(y_pred, axis=1)
# 计算评估指标
acc = accuracy_score(y_test_enc, y_pred_cls)
prec = precision_score(y_test_enc, y_pred_cls, average='macro', zero_division=0)
rec = recall_score(y_test_enc, y_pred_cls, average='macro', zero_division=0)
f1 = f1_score(y_test_enc, y_pred_cls, average='macro', zero_division=0)
snr_results[snr_label] = {'acc': acc, 'prec': prec, 'rec': rec, 'f1': f1}
# 可视化噪声鲁棒性结果
snr_labels = list(snr_results.keys())
acc_list = [snr_results[snr]['acc'] for snr in snr_labels]
prec_list = [snr_results[snr]['prec'] for snr in snr_labels]
rec_list = [snr_results[snr]['rec'] for snr in snr_labels]
f1_list = [snr_results[snr]['f1'] for snr in snr_labels]
plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.plot(snr_labels, acc_list, marker='o', label='Accuracy')
plt.plot(snr_labels, prec_list, marker='s', label='Precision')
plt.plot(snr_labels, rec_list, marker='^', label='Recall')
plt.plot(snr_labels, f1_list, marker='d', label='F1-Score')
plt.title('Model Performance under Varying SNR Levels')
plt.xlabel('SNR (dB)')
plt.ylabel('Score')
plt.ylim(0.0, 1.05)
plt.grid(True)
plt.legend()
plt.tight_layout()
plt.savefig("Report/noise_robustness.pdf")
plt.show()
# === 信号分析 ===
# 1. 时域分析
def plot_time_domain(signal, title="Time-Domain Signal", sampling_rate=1000):
time = np.linspace(0, len(signal) / sampling_rate, len(signal))
plt.figure(figsize=(10, 3))
plt.plot(time, signal)
plt.title(title)
plt.xlabel("Time (s)")
plt.ylabel("Amplitude")
plt.grid(True)
plt.tight_layout()
plt.savefig(f"Report/{title.replace(' ', '_')}.pdf")
plt.show()
# 2. 频域分析
def plot_fft(signal, sampling_rate=1000, title="Frequency Spectrum"):
N = len(signal)
freq = np.fft.fftfreq(N, d=1/sampling_rate)
fft_vals = np.fft.fft(signal)
plt.figure(figsize=(10, 3))
plt.plot(freq[:N//2], np.abs(fft_vals)[:N//2])
plt.title(title)
plt.xlabel("Frequency (Hz)")
plt.ylabel("Amplitude")
plt.grid(True)
plt.tight_layout()
plt.savefig(f"Report/{title.replace(' ', '_')}.pdf")
plt.show()
# 应用分析函数
sample_signal = X_test[0].squeeze()
plot_time_domain(sample_signal, "Normal Bearing Signal")
plot_fft(sample_signal, "Normal Bearing Spectrum")
# === 模型解释性分析 ===
# 1. 注意力权重可视化
attention_layer = model.get_layer('time_attn1')
attention_extractor = Model(inputs=model.input, outputs=attention_layer.output)
attention_weights = attention_extractor.predict(X_test[:1]).squeeze()
plt.figure(figsize=(12, 4))
plt.plot(sample_signal, label='Input Signal')
plt.plot(attention_weights * np.max(sample_signal), alpha=0.7, label='Attention Weights')
plt.title('Attention Weights over Time Domain Signal')
plt.xlabel('Time step')
plt.legend()
plt.savefig("Report/attention_weights.pdf")
plt.show()
# 2. 神经ODE状态演化可视化
ode_extractor = Model(inputs=model.input, outputs=model.get_layer('time_ode').output)
ode_outputs = ode_extractor.predict(X_test[:1]).squeeze()
plt.figure(figsize=(12, 6))
for i in range(5): # 可视化5个特征
plt.plot(ode_outputs[:, i], label=f'Feature {i+1}')
plt.xlabel('Neural ODE Time Steps')
plt.ylabel('Feature value')
plt.title('Neural ODE Feature Evolution Over Time')
plt.legend()
plt.savefig("Report/neural_ode_evolution.pdf")
plt.show()
本文转载自高斯的手稿
