Original Title: Bearing fault diagnosis based on Gramian angular field and DenseNet
Source: doi.org/10.3934/mbe.2022656
Disclaimer: Summary generated by AI based on the provided document. Please refer to the original paper for full scientific accuracy.

ការវិនិច្ឆ័យកំហុសនៃប៊ីរ៉ូឡូដោយផ្អែកលើ Gramian Angular Field និង DenseNet

ចំណងជើងដើម៖ Bearing fault diagnosis based on Gramian angular field and DenseNet

អ្នកនិពន្ធ៖ Yajing Zhou (Nankai University), Xinyu Long (Nankai University), Mingwei Sun (Nankai University), Zengqiang Chen (Nankai University)

ឆ្នាំបោះពុម្ព៖ 2022, Mathematical Biosciences and Engineering

វិស័យសិក្សា៖ Mechanical Engineering & Artificial Intelligence

១. សេចក្តីសង្ខេបប្រតិបត្តិ (Executive Summary)

បញ្ហា (The Problem)៖ ការសិក្សានេះដោះស្រាយបញ្ហានៃការលំបាកក្នុងការវិនិច្ឆ័យកំហុសរបស់ប៊ីរ៉ូឡូ (Rolling Bearings) ដោយសារតែភាពស្មុគស្មាញនៃទិន្នន័យរំញ័រ និងបញ្ហាកង្វះទិន្នន័យគំរូ (Insufficient samples) នៅក្នុងប្រព័ន្ធអគ្គិសនីមេកានិច។

វិធីសាស្ត្រ (The Methodology)៖ អ្នកស្រាវជ្រាវបានស្នើវិធីសាស្ត្រថ្មីមួយដោយរួមបញ្ចូលគ្នានូវបច្ចេកទេសបំប្លែងទិន្នន័យ និងបណ្តាញសរសៃប្រសាទសិប្បនិម្មិតកម្រិតខ្ពស់ ដើម្បីបង្កើនប្រសិទ្ធភាពនៃការវិភាគ។

លទ្ធផលសំខាន់ៗ (The Verdict)៖

២. ការវិភាគលើប្រសិទ្ធភាព និងដែនកំណត់ (Performance & Constraints)

វិធីសាស្ត្រ (Method) គុណសម្បត្តិ (Pros) គុណវិបត្តិ (Cons) លទ្ធផលគន្លឹះ (Key Result)
Standard CNN (Basic Convolutional Neural Network)
បណ្តាញសរសៃប្រសាទ CNN ធម្មតា ដោយគ្មានការបំប្លែងទិន្នន័យកម្រិតខ្ពស់
ងាយស្រួលក្នុងការបង្កើត និងមិនត្រូវការធនធានកុំព្យូទ័រខ្លាំងពេក។ មានភាពត្រឹមត្រូវទាប (ប្រហែល ៨៣-៨៦%) នៅពេលមានទិន្នន័យគំរូតិចតួច និងងាយរងផលប៉ះពាល់ដោយសំឡេងរំខាន។ ទទួលបានភាពត្រឹមត្រូវត្រឹមតែ ៨៦.៤៤% ជាមួយនឹងទំហំ Batch ស្មើ ២។
ResNet18 + Transfer Learning
ការប្រើប្រាស់បណ្តាញ ResNet18 រួមជាមួយបច្ចេកទេសរៀនផ្ទេរ (Transfer Learning)
មានសមត្ថភាពខ្ពស់ក្នុងការរៀនលក្ខណៈពិសេសជ្រៅ (Deep features) និងផ្តល់លទ្ធផលល្អប្រសើរជាង CNN ធម្មតា។ នៅមានកម្រិតការបាត់បង់ (Loss value) ខ្ពស់ជាង DenseNet បន្តិច។ ទទួលបានភាពត្រឹមត្រូវ ៩៩.៦៩% និងតម្លៃបាត់បង់ ០.០១៣។
DenseNet121 + Transfer Learning (Proposed Method)
វិធីសាស្ត្រដែលស្នើឡើង៖ ការប្រើប្រាស់ DenseNet121 ជាមួយរូបភាព GADF និងការរៀនផ្ទេរ
អាចប្រើប្រាស់ទិន្នន័យឡើងវិញបានល្អ (Feature reuse) កាត់បន្ថយបញ្ហា Gradient vanishing និងដំណើរការបានល្អបំផុតទោះបីទិន្នន័យតិច។ ត្រូវការធនធានកុំព្យូទ័រខ្លាំង (GPU) សម្រាប់ការបណ្តុះបណ្តាលដោយសាររចនាសម្ព័ន្ធបណ្តាញស្មុគស្មាញ។ ទទួលបានភាពត្រឹមត្រូវខ្ពស់បំផុត ៩៩.៨៣% និងតម្លៃបាត់បង់ទាបបំផុត ០.០០៥។

ការចំណាយលើធនធាន (Resource Cost)៖ ការអនុវត្តវិធីសាស្ត្រនេះតម្រូវឱ្យមានធនធានផ្នែករឹងកម្រិតខ្ពស់ដើម្បីគណនាទិន្នន័យរូបភាព និងបណ្តុះបណ្តាលបណ្តាញសរសៃប្រសាទ។

៣. ការពិនិត្យសម្រាប់បរិបទកម្ពុជា/អាស៊ីអាគ្នេយ៍

ភាពលំអៀងនៃទិន្នន័យ (Data Bias)៖

ការសិក្សានេះប្រើប្រាស់ទិន្នន័យពី CWRU (Case Western Reserve University) ដែលជាទិន្នន័យប្រមូលក្នុងបន្ទប់ពិសោធន៍ដែលមានការគ្រប់គ្រងបរិស្ថានបានល្អ។ នេះអាចជាបញ្ហាសម្រាប់កម្ពុជា ដែលម៉ាស៊ីនក្នុងរោងចក្រជាក់ស្តែងមានសំឡេងរំខានបរិស្ថាន (Environmental Noise) ខ្ពស់ កំដៅ និងធូលី ដែលអាចធ្វើឱ្យទិន្នន័យមានភាពស្មុគស្មាញជាងទិន្នន័យពិសោធន៍។

លទ្ធភាពនៃការអនុវត្ត (Applicability)៖

វិធីសាស្ត្រនេះមានប្រយោជន៍ខ្លាំងសម្រាប់វិស័យឧស្សាហកម្មនៅកម្ពុជាដែលកំពុងវិវឌ្ឍទៅរកស្វ័យប្រវត្តិកម្ម។

បច្ចេកវិទ្យានេះអាចជួយកាត់បន្ថយការចំណាយលើការថែទាំ និងបង្កើនប្រសិទ្ធភាពផលិតកម្ម ប៉ុន្តែត្រូវការការកែសម្រួលម៉ូដែលជាមួយទិន្នន័យជាក់ស្តែងក្នុងស្រុកបន្ថែមទៀត។

៤. ផែនការសកម្មភាពសម្រាប់និស្សិត (Actionable Roadmap)

ដើម្បីអនុវត្តតាមការសិក្សានេះ និស្សិតគួរអនុវត្តតាមជំហានខាងក្រោម៖

  1. សិក្សាមូលដ្ឋានគ្រឹះនៃ Signal Processing: និស្សិតគួរចាប់ផ្តើមពីការយល់ដឹងអំពីការវិភាគរំញ័រ និងរបៀបបំប្លែងសញ្ញា Time-series ទៅជារូបភាពដោយប្រើវិធីសាស្ត្រ GAF (Gramian Angular Field) ដោយប្រើបណ្ណាល័យ Python ដូចជា pyts។
  2. ការរៀបចំទិន្នន័យ CWRU: ទាញយកទិន្នន័យ CWRU Bearing Data និងអនុវត្តការបែងចែកទិន្នន័យ (Data Preprocessing) ដោយប្រើ Sliding Window ដូចបានរៀបរាប់ក្នុងឯកសារ ដើម្បីទទួលបានរូបភាព GADF។
  3. ការកសាងម៉ូដែល Deep Learning: រៀនបង្កើតរចនាសម្ព័ន្ធ DenseNet ដោយប្រើ PyTorch ឬ TensorFlow។ ផ្តោតលើការយល់ដឹងអំពី Dense Block និង Transition Layer។
  4. ការអនុវត្ត Transfer Learning: សាកល្បងប្រើប្រាស់ Pre-trained weights (ដូចជា ImageNet) មកបណ្តុះបណ្តាលលើទិន្នន័យ CWRU ដើម្បីមើលពីប្រសិទ្ធភាពនៃការកាត់បន្ថយពេលវេលា Training។
  5. ការពិសោធន៍ជាមួយទិន្នន័យក្នុងស្រុក: ព្យាយាមកត់ត្រាសំឡេង ឬរំញ័រពីម៉ូទ័រតូចៗ (ដូចជាកង្ហារ ឬម៉ាស៊ីនបូមទឹក) ដែលមានកំហុស និងគ្មានកំហុស ហើយប្រើប្រាស់ម៉ូដែលដែលបានបង្កើតដើម្បីធ្វើការសាកល្បង (Test) ជាក់ស្តែង។

៥. វាក្យសព្ទបច្ចេកទេស (Technical Glossary)

ពាក្យបច្ចេកទេស ការពន្យល់ជាខេមរភាសា (Khmer Explanation) និយមន័យសាមញ្ញ (Simple Definition)
Gramian Angular Field (GAF) គឺជាបច្ចេកទេសគណិតវិទ្យាសម្រាប់បំប្លែងទិន្នន័យស៊េរីពេលវេលា (Time Series) ដូចជាសញ្ញារំញ័រ ឱ្យទៅជារូបភាព ២វិមាត្រ ដើម្បីរក្សានូវទំនាក់ទំនងនៃពេលវេលា និងធ្វើឱ្យប្រព័ន្ធកុំព្យូទ័រងាយស្រួលវិភាគលក្ខណៈពិសេសតាមរយៈការមើលឃើញ។ ប្រៀបដូចជាការបំប្លែងសំឡេងតន្ត្រី (ដែលឮតាមលំដាប់) ឱ្យទៅជាក្រដាសណោតភ្លេង (ជារូបភាព) ដើម្បីឱ្យយើងអាចមើលឃើញលំនាំបទចម្រៀងទាំងមូលបានក្នុងពេលតែមួយ។
DenseNet (Densely Connected Convolutional Networks) ជារចនាសម្ព័ន្ធនៃបណ្តាញសរសៃប្រសាទសិប្បនិម្មិត (Deep Learning) ដែលស្រទាប់នីមួយៗ (Layer) ត្រូវបានតភ្ជាប់ទៅគ្រប់ស្រទាប់ផ្សេងទៀតដែលនៅខាងក្រោយវា ដើម្បីធានាថាព័ត៌មានសំខាន់ៗត្រូវបានប្រើប្រាស់ឡើងវិញ និងមិនបាត់បង់កំឡុងពេលបណ្តុះបណ្តាល។ ដូចជាការប្រជុំក្រុមដែលសមាជិកម្នាក់ៗបានស្តាប់ឮយោបល់របស់អ្នកមុនៗទាំងអស់គ្នាមុននឹងនិយាយ មិនមែនស្តាប់តែពីអ្នកដែលអង្គុយក្បែរខ្លួននោះទេ ដែលធ្វើឱ្យការសន្និដ្ឋានមានប្រសិទ្ធភាពខ្ពស់។
Transfer Learning (TL) ជាវិធីសាស្ត្រក្នុងការយកចំណេះដឹងដែលម៉ូដែលកុំព្យូទ័របានរៀនពីទិន្នន័យដ៏ធំមួយ (Source) មកអនុវត្តបន្តលើបញ្ហាថ្មីដែលមានទិន្នន័យតិចតួច (Target) ដើម្បីកាត់បន្ថយពេលវេលា និងតម្រូវការទិន្នន័យ។ ប្រៀបដូចជាអ្នកដែលចេះលេងហ្គីតាស្រាប់ ហើយទៅរៀនលេងឧបករណ៍តន្ត្រីថ្មី (ដូចជា Ukulele) គាត់នឹងរៀនឆាប់ចេះជាងអ្នកមិនដែលចេះសោះ ព្រោះគាត់មានមូលដ្ឋានតន្ត្រីរួចហើយ។
Convolutional Neural Network (CNN) ជាប្រភេទនៃបណ្តាញសរសៃប្រសាទសិប្បនិម្មិតដែលត្រូវបានរចនាឡើងយ៉ាងពិសេសសម្រាប់វិភាគទិន្នន័យជារូបភាព ដោយវាមានសមត្ថភាពក្នុងការស្កេនរកលក្ខណៈពិសេស (ដូចជា ខ្សែ គែម ឬទ្រង់ទ្រាយ) ដោយស្វ័យប្រវត្តិ។ ដូចជាការប្រើវ៉ែនតាពិនិត្យមើលរូបភាពមួយចំណែកម្តងៗ ដើម្បីស្វែងរកកំហុស ឬលក្ខណៈពិសេស រួចយកមកផ្គុំគ្នាដើម្បីស្គាល់ថាជារូបអ្វី។
Time Series ជាសំណុំទិន្នន័យដែលត្រូវបានកត់ត្រាជាបន្តបន្ទាប់តាមលំដាប់ពេលវេលាជាក់លាក់មួយ។ ក្នុងឯកសារនេះ វាសំដៅលើទិន្នន័យរំញ័ររបស់ប៊ីរ៉ូឡូដែលប្រែប្រួលរាល់វិនាទី។ ដូចជាខ្សែក្រាហ្វវាស់ចង្វាក់បេះដូងនៅលើម៉ាស៊ីនពេទ្យ ដែលគូសជាខ្សែឡើងចុះបន្តបន្ទាប់តាមពេលវេលា។

៦. ប្រធានបទពាក់ព័ន្ធ (Further Reading)

អត្ថបទដែលបានបោះពុម្ពនៅលើ KhmerResearch ដែលទាក់ទងនឹងប្រធានបទនេះ៖

ប្រធានបទ និងសំណួរស្រាវជ្រាវដែលទាក់ទងនឹងឯកសារនេះ ដែលអ្នកអាចស្វែងរកបន្ថែម៖