SHAP 模型可视化 + 参数搜索策略在轴承故障诊断中的应用

发布于 2024-7-17 11:10
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前言

本文基于凯斯西储大学(CWRU)轴承数据,使用特征提取机器学习方法进行故障识,然后基于XGBoos模型介绍一种参数搜索策略,并通过SHAP模型可视化技术对结果进行分析。

可视化结果图:

十分类混淆矩阵

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全局特征重要性图:

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十分类 ROC曲线和AUC值:



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标签真实值和预测值对比:

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1 数据集和特征提取

1.1 数据集导入

参考之前的文章,进行故障10分类的预处理,凯斯西储大学轴承数据10分类数据集:

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数据的读取形式以及预处理思路;

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1.2 故障信号特征提取

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选择峭度、熵值、分形值、波形指标、频谱指标、频域指标、 统计特征、振动特征等13种指标来捕捉轴承信号的多尺度特征,作为机器学习模型的训练与识别。

2 基于参数搜索策略的XGBoost故障诊断模型

2.1 参数搜索策略:大步粗略搜索,小步细致搜索

对于XGBoost模型的重要参数:树的棵树、树的深度、学习率,采取大范围粗略搜索,先锁定大概的参数范围值,然后再采用小步细致搜索来准确定位参数值。

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2.2 大步粗略搜索

采用网格搜索,确认大概的参数范围值

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2.3 小步细致搜索

第一步,搜索树的棵树

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第二步,搜索树的深度

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第三步,搜索学习率

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3 XGBoost模型评估和可视化

3.1 模型分数、准确率、精确率、召回率、F1 Score

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3.2 故障十分类混淆矩阵

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3.3 SHAP 模型可视化

SHAP(SHapley Additive exPlanations)是一种用于解释机器学习模型预测结果的方法。用于衡量每个特征对于模型输出的贡献程度。通过计算SHAP值,我们可以了解每个特征对于模型预测的影响,从而更好地理解模型的分类预测过程。这种可解释性对于提高模型的可信度和可解释性非常有帮助。能够进一步分析故障信号所提取特征对轴承故障诊断的贡献。

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平均值(SHAP值)(对模型输出大小的平均影响),可以明显的看出来13个特征对每个类别的分类贡献度!

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本文转载自 建模先锋​,作者: 小蜗爱建模

已于2024-7-17 11:11:30修改
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