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研究意义本研究提出基于小波时频图与SwinTransformer的轴承故障诊断方法其理论与工程意义主要体现在以下两方面其一在理论层面构建了“信号时频转换-视觉特征提取-智能故障识别”的完整技术框架丰富了基于深度学习的故障诊断理论体系为非平稳信号的特征挖掘提供了新的思路其二在工程层面该方法能够实现轴承早期微弱故障的精准识别且具备较强的抗噪声干扰能力与变工况适应性可直接应用于工业现场的旋转机械状态监测系统为设备的预测性维护提供可靠技术支撑降低运维成本保障生产安全。2 核心技术原理2.1 小波变换与时频图构建2.1.1 小波变换基本原理小波变换是一种多分辨率分析方法通过将母小波函数进行平移与伸缩实现对一维信号在不同时间尺度与频率范围内的局部化分析其核心优势在于能够同时刻画信号的时域瞬时特性与频域分布特征适用于非平稳振动信号的特征提取。连续小波变换CWT的数学表达式为W(a,τ) ∫ x(t)ψ(t)dt其中x(t)为原始轴承振动信号ψ(t) (1/√a)ψ((t-τ)/a)为经过伸缩尺度参数a与平移平移参数τ后的小波函数a决定信号的分析频率a越小分析频率越高τ决定信号的分析时间位置W(a,τ)为小波变换系数反映了信号在时间τ、频率1/a处的能量分布。2.1.2 小波时频图构建流程基于小波变换的轴承振动信号时频图构建步骤如下首先对采集到的原始振动信号进行预处理包括去趋势、去均值与噪声抑制消除环境干扰对信号的影响其次选取合适的母小波函数如db4小波具备良好的时域局部化与频域紧支撑特性适合机械故障信号分析设置合理的尺度参数范围与平移步长对预处理后的信号进行连续小波变换得到二维小波系数矩阵最后将小波系数矩阵进行归一化处理转换为灰度图或伪彩色图即得到能够直观反映故障特征的小波时频图实现一维振动信号到二维视觉图像的维度转换。2.2 SwinTransformer核心原理2.2.1 Transformer基础架构Transformer的核心是自注意力机制Self-Attention通过计算输入序列中每个位置与其他所有位置的相关性权重实现对全局信息的自适应捕捉。自注意力机制的计算过程可表示为给定输入向量Q查询、K键、V值通过矩阵乘法计算注意力权重矩阵经Softmax归一化后与V相乘得到注意力输出即Attention(Q,K,V) Softmax(QK/√d)V其中d为Q和K的维度用于归一化避免数值过大。然而传统Transformer直接应用于图像数据时存在计算复杂度高随图像像素数量平方增长的问题难以处理高分辨率图像。2.2.2 SwinTransformer的改进机制SwinTransformer通过引入窗口划分Window Partition与移位窗口Shifted Window机制有效解决了传统Transformer在图像处理中的效率问题同时保留了全局特征学习能力。其核心改进包括1. 窗口多头自注意力W-MSA将输入图像划分成不重叠的固定大小窗口如7×7仅在每个窗口内计算自注意力计算复杂度由O(N²)降低至O(N/W × W²)N为图像像素总数W为窗口大小显著提升计算效率2. 移位窗口多头自注意力SW-MSA为实现跨窗口的全局信息交互在相邻层之间对窗口进行移位操作使原本不相邻的窗口产生重叠通过在移位后的窗口内计算自注意力实现不同区域特征的融合保证模型的全局感知能力3. 层次化特征提取通过Patch Merging操作对特征图进行下采样将2×2相邻像素块合并为一个新像素逐步提升特征图的通道数、降低分辨率实现多尺度特征的提取适配不同尺度的故障特征识别需求。此外SwinTransformer还引入了LayerNorm层与前馈神经网络FFN用于归一化特征与增强模型的非线性表达能力进一步提升特征提取性能。3 基于小波时频图与SwinTransformer的轴承故障诊断方法3.1 整体框架设计本研究提出的轴承故障诊断整体框架分为四个核心模块数据采集与预处理、小波时频图构建、SwinTransformer特征提取与故障识别、模型优化与验证具体流程如下首先通过加速度传感器采集轴承不同运行状态正常、内圈故障、外圈故障、滚动体故障等的振动信号其次对振动信号进行预处理与小波变换生成二维小波时频图然后将时频图输入改进的SwinTransformer模型通过层次化窗口注意力机制提取深层故障特征最后通过全连接层与Softmax函数实现故障类型的分类识别并通过数据集划分与交叉验证优化模型参数提升诊断性能。3.2 关键步骤实现3.2.1 数据采集与预处理数据采集采用工业常用的加速度传感器安装于轴承座附近以10kHz~50kHz的采样频率采集振动信号涵盖不同故障类型内圈、外圈、滚动体、不同故障程度轻微、中度、严重及不同工况转速、负载变化的数据集确保数据的多样性与代表性。预处理步骤包括1去均值与去趋势消除信号中的直流分量与线性趋势突出故障特征2噪声抑制采用自适应小波阈值去噪方法抑制环境噪声与电磁干扰3信号分段将长振动信号切割为固定长度的样本片段如1024个采样点每个片段对应一个样本用于模型训练与测试。3.2.2 小波时频图构建优化为提升时频图的故障特征辨识度对小波变换参数进行优化选取db4作为母小波函数根据轴承故障特征频率范围通常为几十Hz到几千Hz设置尺度参数范围为1~64确保覆盖故障特征对应的频率区间平移步长设置为1保证时域信息的连续性将小波系数矩阵通过min-max归一化至[0,255]区间转换为8位灰度时频图既保留特征信息又降低模型输入维度与计算量。3.2.3 改进SwinTransformer模型设计针对轴承故障诊断的需求对SwinTransformer模型进行针对性改进具体结构如下1. 输入层输入尺寸为224×224×1的灰度小波时频图通过卷积层将单通道图像转换为3通道特征图适配SwinTransformer基础架构2. 特征提取层采用4层SwinTransformer块前两层使用7×7窗口的W-MSA与SW-MSA交替结构后两层使用5×5窗口的W-MSA与SW-MSA交替结构通过逐步缩小窗口尺寸提升对细微故障特征的捕捉能力每层均包含LayerNorm、注意力机制、Dropout与FFN模块Dropout概率设置为0.1防止模型过拟合3. 下采样层在第2层与第4层SwinTransformer块后加入Patch Merging操作将特征图分辨率下采样至1/2通道数翻倍实现多尺度特征融合4. 分类层将最后一层输出的特征图进行全局平均池化得到一维特征向量输入两个全连接层隐藏层维度为1024输出层维度为故障类别数最后通过Softmax函数输出各类故障的概率分布实现故障分类。3.2.4 模型训练策略模型基于PyTorch框架实现训练策略如下1数据集划分将构建的小波时频图数据集按7:2:1的比例划分为训练集、验证集与测试集采用数据增强技术随机翻转、旋转、亮度调整扩充训练集提升模型泛化能力2损失函数与优化器采用交叉熵损失函数Cross-Entropy Loss衡量预测值与真实标签的差异选用AdamW优化器初始学习率设置为1e-4采用余弦退火学习率调度策略动态调整学习率3训练参数批次大小batch size设置为32训练轮数epoch设置为50采用早停Early Stopping策略当验证集准确率连续5轮无提升时停止训练避免过拟合。4 结论与展望4.1 研究结论本研究提出了一种基于小波时频图与改进SwinTransformer的轴承故障诊断方法通过理论分析与实验验证得出以下结论1小波变换能够有效将一维非平稳轴承振动信号转换为二维时频图直观呈现故障特征的时频分布规律为后续特征提取提供了优质的视觉输入2改进的SwinTransformer通过窗口注意力与移位窗口机制在降低计算复杂度的同时实现了故障特征的全局关联与多尺度提取具备优异的特征学习能力3实验验证表明该方法在不同数据集、不同噪声水平与变工况条件下均展现出高诊断准确率、强抗干扰能力与良好的泛化性能相较于传统深度学习与机器学习模型具有显著优势能够满足工业现场轴承故障早期精准诊断的需求。4.2 未来展望未来研究可从以下方向进一步拓展1模型轻量化优化通过剪枝、量化等技术简化改进SwinTransformer的网络结构降低模型的计算资源需求适配嵌入式设备的边缘计算场景2小样本故障诊断研究结合对比学习、元学习等技术解决工业现场故障样本稀缺问题提升模型在小样本条件下的诊断性能3多源数据融合诊断融合振动信号、声信号、温度信号等多源数据构建多模态故障诊断模型进一步提升诊断的可靠性与鲁棒性4实时在线诊断系统开发基于PyTorch框架开发端到端的实时在线诊断系统实现轴承运行状态的实时监测与故障预警推动技术成果的工程转化。⛳️ 运行结果 参考文献[1] 姚宗亮.基于Transformer的多模态脑肿瘤MRI分割算法研究与系统实现[D].东华大学[2025-12-20].[2] 瞿定垚,王学.基于Swin Transformer的家居垃圾分类系统[J].电子制作, 2023, 31(1):67-74. 部分代码 部分理论引用网络文献若有侵权联系博主删除 关注我领取海量matlab电子书和数学建模资料团队擅长辅导定制多种科研领域MATLAB仿真助力科研梦 各类智能优化算法改进及应用生产调度、经济调度、装配线调度、充电优化、车间调度、发车优化、水库调度、三维装箱、物流选址、货位优化、公交排班优化、充电桩布局优化、车间布局优化、集装箱船配载优化、水泵组合优化、解医疗资源分配优化、设施布局优化、可视域基站和无人机选址优化、背包问题、 风电场布局、时隙分配优化、 最佳分布式发电单元分配、多阶段管道维修、 工厂-中心-需求点三级选址问题、 应急生活物质配送中心选址、 基站选址、 道路灯柱布置、 枢纽节点部署、 输电线路台风监测装置、 集装箱调度、 机组优化、 投资优化组合、云服务器组合优化、 天线线性阵列分布优化、CVRP问题、VRPPD问题、多中心VRP问题、多层网络的VRP问题、多中心多车型的VRP问题、 动态VRP问题、双层车辆路径规划2E-VRP、充电车辆路径规划EVRP、油电混合车辆路径规划、混合流水车间问题、 订单拆分调度问题、 公交车的调度排班优化问题、航班摆渡车辆调度问题、选址路径规划问题、港口调度、港口岸桥调度、停机位分配、机场航班调度、泄漏源定位 机器学习和深度学习时序、回归、分类、聚类和降维2.1 bp时序、回归预测和分类2.2 ENS声神经网络时序、回归预测和分类2.3 SVM/CNN-SVM/LSSVM/RVM支持向量机系列时序、回归预测和分类2.4 CNN|TCN|GCN卷积神经网络系列时序、回归预测和分类2.5 ELM/KELM/RELM/DELM极限学习机系列时序、回归预测和分类2.6 GRU/Bi-GRU/CNN-GRU/CNN-BiGRU门控神经网络时序、回归预测和分类2.7 ELMAN递归神经网络时序、回归\预测和分类2.8 LSTM/BiLSTM/CNN-LSTM/CNN-BiLSTM/长短记忆神经网络系列时序、回归预测和分类2.9 RBF径向基神经网络时序、回归预测和分类2.10 DBN深度置信网络时序、回归预测和分类2.11 FNN模糊神经网络时序、回归预测2.12 RF随机森林时序、回归预测和分类2.13 BLS宽度学习时序、回归预测和分类2.14 PNN脉冲神经网络分类2.15 模糊小波神经网络预测和分类2.16 时序、回归预测和分类2.17 时序、回归预测预测和分类2.18 XGBOOST集成学习时序、回归预测预测和分类2.19 Transform各类组合时序、回归预测预测和分类方向涵盖风电预测、光伏预测、电池寿命预测、辐射源识别、交通流预测、负荷预测、股价预测、PM2.5浓度预测、电池健康状态预测、用电量预测、水体光学参数反演、NLOS信号识别、地铁停车精准预测、变压器故障诊断图像处理方面图像识别、图像分割、图像检测、图像隐藏、图像配准、图像拼接、图像融合、图像增强、图像压缩感知 路径规划方面旅行商问题TSP、车辆路径问题VRP、MVRP、CVRP、VRPTW等、无人机三维路径规划、无人机协同、无人机编队、机器人路径规划、栅格地图路径规划、多式联运运输问题、 充电车辆路径规划EVRP、 双层车辆路径规划2E-VRP、 油电混合车辆路径规划、 船舶航迹规划、 全路径规划规划、 仓储巡逻 无人机应用方面无人机路径规划、无人机控制、无人机编队、无人机协同、无人机任务分配、无人机安全通信轨迹在线优化、车辆协同无人机路径规划 通信方面传感器部署优化、通信协议优化、路由优化、目标定位优化、Dv-Hop定位优化、Leach协议优化、WSN覆盖优化、组播优化、RSSI定位优化、水声通信、通信上传下载分配 信号处理方面信号识别、信号加密、信号去噪、信号增强、雷达信号处理、信号水印嵌入提取、肌电信号、脑电信号、信号配时优化、心电信号、DOA估计、编码译码、变分模态分解、管道泄漏、滤波器、数字信号处理传输分析去噪、数字信号调制、误码率、信号估计、DTMF、信号检测电力系统方面微电网优化、无功优化、配电网重构、储能配置、有序充电、MPPT优化、家庭用电 元胞自动机方面交通流 人群疏散 病毒扩散 晶体生长 金属腐蚀 雷达方面卡尔曼滤波跟踪、航迹关联、航迹融合、SOC估计、阵列优化、NLOS识别 车间调度零等待流水车间调度问题NWFSP、置换流水车间调度问题PFSP、混合流水车间调度问题HFSP、零空闲流水车间调度问题NIFSP、分布式置换流水车间调度问题 DPFSP、阻塞流水车间调度问题BFSP