基于图像-振动多模态数据融合的钢轨表面缺陷诊断

王忠美 ,  聂芃轩 ,  刘建华 ,  吴海波 ,  李泉明

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (9) :3955-3966

PDF (17054KB)
科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (9) :3955-3966 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2503239
交通运输

基于图像-振动多模态数据融合的钢轨表面缺陷诊断

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Rail Surface Defect Diagnosis Based on Image-vibration Multimodal Data Fusion

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摘要

现有方法在诊断钢轨表面缺陷时,往往难以充分挖掘多模态数据之间的协同信息,也难以有效跨越不同数据之间的语义鸿沟。提出了一种基于渐进联合表示图注意力融合网络(progressive joint representation graph attention fusion network,PJR-GAFN)的钢轨表面缺陷诊断方法。首先,通过共享自编码器和特定自编码器分别提取各模态数据的共享表示和特定表示以获取各模态特征联合表示;其次,通过挤压-激励模块进一步放大轨面缺陷特征,缩小无用特征;再次,引入渐进融合模块,使模型在特征提取阶段充分利用跨模态潜在协同信息;然后,通过源域分类器和域鉴别器进一步捕获各模态间的模态不变性;最后,利用图注意力网络的空间注意力聚合特性对多模态特征进行融合,以充分利用多模态上下文语义信息。在国内包神铁路线路实采钢轨表面数据集上对所提方法进行验证,实验结果表明所提方法达到了95%的钢轨表面缺陷诊断精度,验证了所提方法的有效性。

Abstract

To address the challenges in existing multi-sensor data fusion methods for rail surface defect diagnosis, particularly their limitations in fully exploiting potential synergistic information among multimodal data and effectively bridging the semantic gap between multi-source heterogeneous data, a diagnostic method based on a progressive joint representation graph attention fusion network (PJR-GAFN) was proposed. Firstly, shared and specific autoencoders were employed to extract joint representations of multimodal features through shared and modality-specific representations. Secondly, a squeeze-and-excitation module was implemented to amplify defect-related features while suppressing non-essential characteristics. Thirdly, a progressive fusion module was introduced to facilitate comprehensive utilization of cross-modal synergistic information during feature extraction. Then, a source domain classifier and domain discriminator were incorporated to capture modality-invariant features across different modalities. Finally, the spatial attention aggregation properties of graph attention networks were leveraged to fuse multimodal features, thereby fully exploiting contextual semantic information. Experimental validation conducted on real-world rail surface defect datasets from domestic railway lines demonstrates that the proposed method achieves 95% diagnostic accuracy, confirming its effectiveness in rail surface defect detection.

Graphical abstract

关键词

钢轨表面缺陷诊断 / 深度学习 / 多模态数据融合 / 图注意力网络

Key words

diagnosis of rail surface defects / deep learning / multimodal data fusion / graph attention neural network

引用本文

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王忠美, 聂芃轩, 刘建华, 吴海波, 李泉明. 基于图像-振动多模态数据融合的钢轨表面缺陷诊断[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(9): 3955-3966 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503239
WANG Zhong-mei, NIE Peng-xuan, LIU Jian-hua, WU Hai-bo, LI Quan-ming. Rail Surface Defect Diagnosis Based on Image-vibration Multimodal Data Fusion[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(9): 3955-3966 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503239

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铁路运输是最重要的陆路运输方式之一。随着中国铁路建设的稳步发展,列车的行车密度、行驶里程及承载重量正在不断增加[1]。钢轨作为铁路基础设施中的关键支撑部件,承担着确保列车安全行使的重大使命,由于钢轨表面与列车轮对相接触,直接承受着列车行驶过程中所产生的冲击力,同时长期受到外部环境影响,钢轨表面很容易受损并形成缺陷,如果没能及时发现缺陷并进行维护,必然会引发重大安全事故[2-3],因此亟须探索智能且高效的钢轨表面缺陷诊断方法。随着工业大数据的快速发展,基于多模态数据融合的钢轨表面缺陷诊断方法愈发受到人们的重视与认可,但是这些多模态数据所具有的多源异构性给多模态数据融合工作带来了困难[4-5],如何突破多源异构数据间的语义鸿沟,充分捕获多模态数据间的冗余性及互补性成为了多模态数据融合钢轨表面缺陷诊断任务的关键所在。
近年来,深度学习技术蓬勃发展,已成为人工智能领域的核心研究方向。深度神经网络具备强大的自主学习能力,能够基于大量的原始输入数据通过调整网络中神经元之间的连接权重来自主捕捉数据间的内在模式和规律[6-7]。正是基于这种显著优势,基于深度学习的多模态数据融合钢轨表面缺陷诊断方法在近几年获得了飞速的发展。Chen等[5]提出了一种多源异构数据融合网络,用于在基于相机的钢轨图像和超声B显图像中进行钢轨表面缺陷诊断。Ge等[8]提出了一种基于视觉-激光雷达决策融合的钢轨表面缺陷诊断方法,在决策融合阶段利用预检测和复检测高效提升了诊断精度。Yang等[9]提出了一种具有双向特征对齐的轨面缺陷轮廓和语义特征对齐融合网络,该网络从轮廓和语义两个角度探索了多模态信息的内部一致性,从而提高了多模态信息的融合质量,用于钢轨表面缺陷诊断任务。Wang等[10]引入用于钢轨表面缺陷诊断的RGB-D(RGB-depth)方法,使用深度图像为RGB图像提供空间互补信息,用于无服务钢轨表面缺陷诊断任务,同时提出了一种多模态注意力模块,以一种新的跨模态融合策略突出复杂的轨面缺陷特征。Piao等[11]提出了一种基于RGB图像和深度图像的深度诱导多尺度循环注意力网络用于钢轨表面缺陷诊断,该网络设计了一个有效的深度细化模块,创新性地将具有丰富空间信息的深度线索与多尺度上下文特征相结合。赵宏伟等[12]提出了一种双模态诊断网络,将钢轨表面的二维和三维信息进行有机融合,用于钢轨顶面擦伤伤损诊断。Liu等[13]通过融合自注意力机制和其余注意力机制,将RGB和深度信息获得的注意力融合在一起,从而传播长距离的语义依赖,有效结合多模态信息以高效完成钢轨表面缺陷诊断任务。Yang等[14]提出了一种基于一维振动信号和二维图像相融合的钢轨表面缺陷诊断方法,该方法通过稀疏自编码器提取振动信号的特征,利用支持向量分类器进行钢轨表面缺陷诊断。Shen等[4]提出了一种利用振动和图像数据识别钢轨表面缺陷的新模型,该模型利用注意力机制来强调不同尺度的特征,从而在振动和图像多尺度特征的融合过程中实现动态加权表征。尽管上述基于深度学习的多模态数据融合钢轨表面缺陷诊断方法收获了较为可观的成效,但是以上方法在多模态特征提取阶段均采用独立的特征提取器对各模态数据进行相应特征提取,并未直接构建原始输入多模态数据之间的有效关联,致使多模态数据之间的潜在协同信息无法得到充分挖掘与利用,为达成更高效的数据融合目标埋下了隐患。
为了直接构建原始输入多模态数据之间的有效关联,充分挖掘多模态数据之间的潜在协同信息,有效突破多源异构数据之间的语义鸿沟,进而实现高效的数据融合目标,现设计一种渐进联合表示图注意力融合网络用于多模态数据融合钢轨表面缺陷诊断任务。在域对抗训练模式下结合联合域分离表示模块进行多模态特征提取,直接构建原始输入多模态数据之间的有效关联,有效突破多源异构数据之间的语义鸿沟;在多模态特征提取阶段引入渐进融合模块,使得模型在特征提取阶段充分利用跨模态潜在协同信息;将图注意力网络引入多模态特征融合模块中,使得模型在融合阶段充分利用多模态特征相近时间步间的内在依赖关系,以实现前后时间步语义信息的高效融合。最后在国内包神铁路线路实采钢轨表面数据集(包含图像、振动数据)上进行实验验证所提方法的有效性。

1 模型要点

为有效突破多源异构数据之间的语义鸿沟,在域对抗训练模式下基于卷积自编码器(convolutional autoencoder,CAE)和挤压-激励模块(squeeze-and-excitation block,SE block)设计了一个联合域分离表示特征提取网络;其次,为充分挖掘并利用多模态数据之间的潜在协同信息,引入渐进融合模块(progressive fusion module,PFM);再次,通过源域分类器和域鉴别器进一步捕获各模态间的模态不变性;然后,将提取出的多模态特征转换成无向图数据结构传入图注意力网络(graph attention networks,GAT),得到多模态融合表示;最后,将多模态融合表示传入决策网络中进行轨面缺陷诊断。

1.1 模型结构

渐进联合表示图注意力融合网络(progressive joint representation graph attention fusion network,PJR-GAFN)由共享自编码器、特定自编码器、挤压-激励模块、渐进融合模块、源域分类器、域鉴别器以及图注意力网络组成,其网络结构如图1所示,具体表征过程如下。

1.1.1 联合域分离表征

采用由共享自编码器和特定自编码器组成的联合域分离表示网络来学习多模态数据在特征子空间中模态共享表示和模态特定表示的联合表示。模态共享表示旨在缩短多模态特征之间的语义距离,从而有效减小后续数据融合工作的负担。模态特定表示旨在从每个模态中提取出特定的表示作为补充信息。两种表示的结合可以充分利用多模态数据间的互补信息,进而突破多源异构数据间的语义鸿沟。

首先,对原始图像数据(xp)、振动数据(xv)进行图像增强、标准化等相应预处理,将处理后的图像、振动数据分别输入共享自编码器CAEs中,得到各模态对应的共享表示,其相应过程如下。

${h}_{\mathrm{s}}^{m}=\mathrm{C}\mathrm{A}{\mathrm{E}}_{\mathrm{s}}({x}_{m};{\theta }_{\mathrm{s}}),m\in \{\mathrm{p},\mathrm{v}\}$
${Y}_{\mathrm{s}}^{m}=\mathrm{C}\mathrm{A}{\mathrm{E}}_{\mathrm{s}}({h}_{\mathrm{s}}^{m};{\theta }_{\mathrm{s}}),m\in \{\mathrm{p},\mathrm{v}\}$

式中:${h}_{\mathrm{s}}^{m}$、${Y}_{\mathrm{s}}^{m}$和θs分别为m模态共享自编码器的共享表征、重构表征和网络参数。

其次,将处理后的图像、振动数据分别送入特定自编码器CAEmp中,得到各模态对应的特定表示,其相应过程如下。

${h}_{\mathrm{p}}^{m}=CA{E}_{\mathrm{p}}^{m}({x}_{m};{\theta }_{p}^{m}),m\in \{\mathrm{p},\mathrm{v}\}$
${Y}_{\mathrm{p}}^{m}=CA{E}_{\mathrm{p}}^{m}({h}_{\mathrm{p}}^{m};{\theta }_{\mathrm{p}}^{m}),m\in \{\mathrm{p},\mathrm{v}\}$

式中:${h}_{\mathrm{p}}^{m}$、${Y}_{\mathrm{p}}^{m}$和${\theta }_{\mathrm{p}}^{m}$分别为m模态特定自编码器的特定表征、重构表征和网络参数。

再次,由于轨面状态监测数据在缺陷时刻周围相较于正常轨面数据有着明显的差异,关注集中的异常时段数据有助于精确把握缺陷相关特征,提升后续诊断精度。SE block能够自适应地重新校准通道特征响应,使网络更聚焦于对后续任务有重要贡献的特征[15]。因此采用SE block放大轨面缺陷相关特征,缩小无用特征,其表征过程如下。

${h}_{\mathrm{s}\mathrm{s}\mathrm{e}}^{m}=S{E}_{m}({h}_{\mathrm{s}}^{m};{\theta }_{\mathrm{m}\mathrm{s}\mathrm{e}}),m\in \{\mathrm{p},\mathrm{v}\}$
${h}_{\mathrm{p}\mathrm{s}\mathrm{e}}^{m}=S{E}_{m}({h}_{\mathrm{p}}^{m};{\theta }_{\mathrm{m}\mathrm{s}\mathrm{e}}),m\in \{\mathrm{p},\mathrm{v}\}$

式中:${h}_{\mathrm{s}\mathrm{s}\mathrm{e}}^{m}$、${h}_{\mathrm{p}\mathrm{s}\mathrm{e}}^{m}$和θmse分别为m模态SE block的加权共享表征、加权特定表征和网络参数。

综上所述,图像特征联合表示hp和振动特征联合表示hv分别为

${h}^{\mathrm{p}}={{h}^{\mathrm{p}}}_{\mathrm{s}\mathrm{s}\mathrm{e}}+{{h}^{\mathrm{p}}}_{\mathrm{p}\mathrm{s}\mathrm{e}}$
${h}^{\mathrm{v}}={{h}^{\mathrm{v}}}_{\mathrm{s}\mathrm{s}\mathrm{e}}+{{h}^{\mathrm{v}}}_{\mathrm{p}\mathrm{s}\mathrm{e}}$

1.1.2 域对抗学习表征

域对抗学习的本质是通过源域分类器和域鉴别器缩小源域和目标域数据之间的分布差异,进而捕获多模态数据之间的模态不变性,其具体表征过程如下。

步骤1 将经SE block加权后的图像共享表示${h}_{\mathrm{s}\mathrm{s}\mathrm{e}}^{\mathrm{p}}$输入源域分类器C中,得到源域分类损失函数输入p,即

$p=C({h}_{\mathrm{s}\mathrm{s}\mathrm{e}}^{\mathrm{p}};{\theta }_{c})$

式(9)中:C(·)为源域分类器;θc为源域分类器网络参数。

步骤2 将经SE block加权后的m模态共享表示${h}_{\mathrm{s}\mathrm{s}\mathrm{e}}^{m}$输入梯度反转层GRL中,得到m模态梯度反转表示qm,即

${q}_{m}=\mathrm{G}\mathrm{R}\mathrm{L}({h}_{\mathrm{s}\mathrm{s}\mathrm{e}}^{m};{\theta }_{\mathrm{g}\mathrm{r}\mathrm{l}}),m\in \{\mathrm{p},\mathrm{v}\}$

式(10)中:GRL(·)为梯度反转层,其输出与输入恒等,梯度方向相反;θgrl为梯度反转层网络参数。

步骤3 将梯度反转表示qm输入域鉴别器D中,得到域鉴别损失函数输入d,即

$d=\left\{D\right({q}_{\mathrm{p}};{\theta }_{d}),D({q}_{\mathrm{v}};{\theta }_{d}\left)\right\}$

式(11)中:D为域鉴别器;θd为域鉴别器网络参数。

1.1.3 渐进融合表征

考虑到特征提取器在结构上往往表现出层次深、参数多等特性,所提渐进融合模块的核心思想是将模型特征提取器上一轮训练过程中产生的特征联合表示伴随下一轮原始输入数据一同输入至特征提取器,从而在特征提取早期为特征提取器提供跨模态信息,使得模型在特征提取阶段充分利用跨模态潜在协同信息。假设当前是模型训练过程中的第i轮,则具体表征过程如下。

${h}_{\mathrm{s}\left(i\right)}^{m}=\mathrm{C}\mathrm{A}{\mathrm{E}}_{\mathrm{s}}[{x}_{m},{h}_{\mathrm{s}\mathrm{s}\mathrm{e}(i-1)}^{m},{h}_{\mathrm{p}\mathrm{s}\mathrm{e}(i-1)}^{m};{\theta }_{\mathrm{s}}],m\in \{\mathrm{p},\mathrm{v}\}$
${h}_{\mathrm{p}\left(i\right)}^{m}=\mathrm{C}\mathrm{A}{\mathrm{E}}_{\mathrm{p}}^{m}[{x}_{m},{h}_{\mathrm{s}\mathrm{s}\mathrm{e}(i-1)}^{m},{h}_{\mathrm{p}\mathrm{s}\mathrm{e}(i-1)}^{m};{\theta }_{\mathrm{p}}^{m}],m\in \{\mathrm{p},\mathrm{v}\}$

式中:${h}_{\mathrm{s}\left(i\right)}^{m}$为m模态共享自编码器第i轮训练过程中产生的共享表示;${h}_{\mathrm{s}\mathrm{s}\mathrm{e}(i-1)}^{m}$为m模态共享自编码器第(i-1)轮训练过程中产生的SE block加权共享表示;${h}_{\mathrm{p}\left(i\right)}^{m}$为m模态特定自编码器第i轮训练过程中产生的特定表示;${h}_{\mathrm{p}\mathrm{s}\mathrm{e}(i-1)}^{m}$为m模态特定自编码器第(i-1)轮训练过程中产生的SE block加权特定表示;应当注意的是,如果当前是训练的第1轮,则${h}_{\mathrm{s}\mathrm{s}\mathrm{e}(i-1)}^{m}$和${h}_{\mathrm{p}\mathrm{s}\mathrm{e}(i-1)}^{m}$视为0。

渐进融合模块的设计弥补了现有多模态融合方法中“早期独立提取-后期简单拼接”的缺陷,传统方法往往在特征提取阶段忽略模态间的潜在联系,导致跨模态协同信息被延迟甚至丢失。而渐进融合模块通过在第i轮训练时引入上一轮的共享和特定表示,使特征提取器能够在训练早期就接触到跨模态信息。这种“跨迭代信息传递”机制与逐层特征精炼思想相一致,类似于记忆增强机制,可以看作是在特征学习过程中引入“跨模态残差连接”。因此,渐进融合模块实现了模态间潜在协同特征的逐步渗透与累积,从理论上提升了多模态特征的互补性利用。

1.1.4 图注意力融合表征

传统图神经网络在聚合邻居节点信息时往往采用固定的权重或规则,不利于模型寻得最优解,图注意力网络的核心思想是将注意力机制融入图神经网络中,为每个节点自适应地动态计算其邻居节点的重要性权重,并完成信息聚合[16],其聚合效果如图2所示,具体表征过程如下。

${z}_{i}=W{h}_{i},{h}_{i}\in {\mathrm{R}}^{F},W\in {\mathrm{R}}^{\mathrm{F}\text{'}\times \mathrm{F}}$
${e}_{ij}=\mathrm{L}\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{k}\mathrm{y}\mathrm{R}\mathrm{e}\mathrm{L}\mathrm{U}\left({a}^{\mathrm{T}}\right[{z}_{i}\Vert {z}_{j}\left]\right),a\in {\mathrm{R}}^{2\mathrm{F}\text{'}}$
${\alpha }_{ij}=\frac{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left({e}_{ij}\right)}{\sum _{k\in {N}_{i}}\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left({e}_{ik}\right)}$
${h\text{'}}_{i}=\sigma \left(\sum _{j\in {N}_{i}}{\alpha }_{ij}{z}_{j}\right)$

式中:hi为节点i维度为F的初始特征向量;W为维度为F'×F的参数矩阵;zi为hi经线性变换后的特征向量;eij为节点i对邻居节点j的注意力系数;a为一个可学习的权重向量;‖为向量拼接操作;LeakyReLU(·)为激活函数;Ni为节点i的邻居节点集合;αij为归一化后的节点i对邻居节点j的注意力系数;σ(·)为激活函数;h'i为经注意力加权后的节点i的特征向量。

轨面缺陷监测数据的前后时间步存在着较强的关联性与依赖性,重点关注缺陷发生时刻前后的相关信息有助于后续精确诊断缺陷类型。本文将特征提取器提取出的多模态特征转换成无向图数据结构,利用图注意力网络的空间注意力聚合特性捕获多模态特征相近时间步间的关联性与依赖性,旨在充分利用多模态数据上下文语义信息,获取更全面的轨面状态信息,实现多模态特征的高效融合,其具体表征过程如下。

步骤1 对图像、振动数据的特征联合表示进行向量拼接操作,得到多模态特征拼接表示h,即

$h={h}^{\mathrm{p}}\Vert {h}^{\mathrm{v}}$

式(18)中:hp和hv分别为图像、振动数据的特征联合表示;‖表示向量拼接操作。

步骤2 将多模态特征拼接表示h映射为一个有50个节点、49条边依次连接的无向图数据结构G,图G中第i个节点的特征对应于拼接表示h的第i行,映射关系如图3所示。具体来说,以图G中的5号节点为例,经过2层图注意力网络空间注意力聚合后,将包含其前后3~7号所有节点的信息,捕获多模态特征相近时间步间的关联性与依赖性。

步骤3 将图G输入图注意力网络中得到图注意力融合表示F,即

$F=\mathrm{G}\mathrm{A}\mathrm{T}(G;A;{\theta }_{\mathrm{g}\mathrm{a}\mathrm{t}})$

式(19)中:GAT(·)为图注意力网络;A为图G的邻接列表;θgat为GAT网络参数。

步骤4 将图注意力融合表示F输入多层感知器Inf中进行轨面缺陷诊断,即

$O=\mathrm{I}\mathrm{n}\mathrm{f}(F;{\theta }_{\mathrm{I}\mathrm{n}\mathrm{f}})$

式(20)中:O为轨面缺陷诊断结果;θInf(·)为多层感知器网络参数。

1.2 学习策略

针对多模态数据融合钢轨表面缺陷诊断任务设计了一个新的联合损失函数,模型将以最小化该损失函数为目标进行训练。

1.2.1 重构损失

重构损失是一种用于衡量重构样本与原始输入样本之间差异的损失函数,通过最小化重构损失,卷积自编码器能够最大化地学习到数据的有效特征。选用均方误差损失作为重构损失,其计算公式为

${L}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}}^{m}=={x}_{m}-{U}_{m}{=}_{2}^{2},m\in \{\mathrm{c},\mathrm{v}\}$

式(21)中:xm和Um分别为m模态原始输入数据和重构数据;$=·{=}_{2}^{2}$表示平方L2范数。

所提重构损失Lrecon表示为

${L}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}}={L}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}}^{\mathrm{p}}+{L}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}}^{\mathrm{v}}$

1.2.2 联合域分离表示损失

联合域分离表示损失由相似性损失和差异性损失两部分组成。相似性损失旨在约束源域与目标域的共享特征分布尽可能相似,进而捕获多模态特征子空间中的模态共享表示。差异性损失旨在约束源域与目标域的特定特征分布尽可能不同,进而捕获多模态特征子空间中的模态特定表示。考虑到模型训练过程中的稳定性问题,选用易于计算的CMD损失作为相似性损失,选用子空间正交性约束损失作为差异性损失。相似性损失Lsim、差异性损失Ldiff和联合域分离表示损失Lj分别表示为

${L}_{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{m}}=\mathrm{C}\mathrm{M}\mathrm{D}({h}_{sse}^{\mathrm{p}},{h}_{sse}^{\mathrm{v}})$
${L}_{\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{f}\mathrm{f}}=={{h}_{sse}^{\mathrm{p}}}^{\mathrm{T}}{h}_{pse}^{\mathrm{p}}{=}_{\mathrm{F}}^{2}+={{h}_{sse}^{\mathrm{v}}}^{\mathrm{T}}{h}_{pse}^{\mathrm{v}}{=}_{\mathrm{F}}^{2}$
${L}_{\mathrm{j}}={L}_{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{m}}+{L}_{\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{f}\mathrm{f}}$

式中:$=·{=}_{\mathrm{F}}^{2}$为平方Frobenius范数。其中CMD损失表示为

$\mathrm{C}\mathrm{M}\mathrm{D}(p,q)=\stackrel{M}{\sum _{m=1}}{w}_{m}={\mu }_{\mathrm{p},\mathrm{m}}-{\mu }_{\mathrm{q},\mathrm{m}}{=}^{2}$

式中:p和q分别为源域和目标域的特征分布;μp,m和μq,m分别为源域和目标域特征分布的m阶中心矩;M为所考虑的中心矩的最高阶数;wm为对应于m阶中心矩的权重系数;=·=2表示平方范数。

1.2.3 域对抗损失

域对抗损失由源域分类损失和域鉴别损失两部分组成,由于两者实质为分类任务,选用交叉熵损失作为源域分类损失和域鉴别损失。假设包含N个图像样本和N个振动样本,则源域分类损失Lc、域鉴别损失Ld和域对抗损失Ladv分别表示为

${L}_{\mathrm{c}}=-\stackrel{N}{\sum _{i=0}}{p}_{i}\mathrm{l}\mathrm{n}{P}_{i}$
${L}_{\mathrm{d}}=-\stackrel{2N}{\sum _{i=0}}{d}_{i}\mathrm{l}\mathrm{n}{D}_{i}$
${L}_{\mathrm{a}\mathrm{d}\mathrm{v}}={L}_{\mathrm{c}}+{L}_{\mathrm{d}}$

式中:pi为图像样本真实标签;Pi为源域分类器对于图像样本的决策结果;di为图像和振动数据的真实模态标签;Di为模态鉴别器对于图像和振动数据的模态决策结果。

1.2.4 任务损失

钢轨表面缺陷诊断任务的实质为多分类任务。因此,选用交叉熵损失作为任务损失,其计算公式为

${L}_{\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{s}\mathrm{k}}=-\stackrel{N}{\sum _{i=0}}{y}_{i}\mathrm{l}\mathrm{n}{Y}_{i}$

式(30)中:yi为样本i的真实标签;Yi为决策网络对于样本i的决策结果。

1.2.5 总目标损失

综上所述,所设计的联合损失函数Ltotal表示为

${L}_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{l}}={L}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}}+{L}_{\mathrm{j}}+{L}_{\mathrm{a}\mathrm{d}\mathrm{v}}+{L}_{\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{s}\mathrm{k}}$

首先,引入重构损失Lrecon,使模型最大化地学习到原始输入多模态数据的有效表征以提取初步特征;其次,通过联合域分离表示损失Lj捕获多模态特征子空间中的模态共享表示和模态特定表示,进而有效突破多源异构数据间的语义鸿沟;随后,通过域对抗损失Ladv进一步捕获各模态数据间的模态不变性,充分挖掘各模态数据间的冗余性及互补性;最后,引入交叉熵损失作为钢轨表面缺陷诊断任务损失Ltask以评估所提模型的诊断性能。

2 实验分析

2.1 数据集介绍

采用国内包神铁路线路实采钢轨表面监测数据来评估所提PJR-GAFN的有效性。该实采钢轨表面监测数据共包含4种不同的轨面健康状态,即正常轨面、顶面擦伤、剥落掉块以及波浪磨耗,其具体轨面健康状态如图4所示。应当注意的是,综合考虑了轨检车的运行速率和加速度传感器的采样频率,利用里程信息进行多模态数据对齐,将一张巡检图像与1 000个振动信号数据点组成的数据段匹配成一组多模态轨面监测数据,图像模态和振动模态之间的对应关系如图5所示。最终得到的实采钢轨表面数据集包含2种里程对齐后的监测数据,即图像数据和振动数据,其中共包含800张轨面巡检图像(每种健康状态各200张)和与之一一对应的800段振动监测数据(每种健康状态各200段)。鉴于实采钢轨表面图像数据的光照条件不复杂,噪声不明显,并且实际列车行使过程中会偶发性地和轨道接缝撞击而使车体上的振动信号监测传感器产生瞬时冲击噪声,实验在数据预处理阶段对图像数据进行了直方图均衡化处理,对振动数据进行了标准差标准化处理,并以3∶1的比例划分出了训练集和测试集。

2.2 实验细节

实验在Pytorch深度学习框架下进行,实验环境配置如下:处理器(AMD Ryzen 9 7940HS w,4.00 GHz);显卡(NVIDIA GeForce RTX 3080 Laptop GPU,12.0 GB);内存(16.0 GB);代码运行环境(Pytorch = 1.12.0,Python = 3.10.10)。在模型迭代训练过程中,采用Epoch为600、Batch_size为50、学习率为0.5×10-3的Adam优化器训练策略。

所提PJR-GAFN的具体网络结构及参数设置如图6所示。首先,图像与振动数据分别输入共享自编码器和特定自编码器,得到模态共享表示与特定表示,并通过SE进行特征加权,以突出缺陷相关特征。随后,在PFM中,将上一轮训练产生的共享/特定表示与当前输入特征联合输入,实现跨模态协同信息的逐步渗透。接着,经过源域分类器与域鉴别器的域对抗学习,进一步约束模态不变性,缩小模态间分布差异。最后,将多模态特征转换为图结构,并输入GAT完成跨模态特征的动态加权融合,最终通过多层感知器实现轨面缺陷的分类决策。应当注意的是,在振动数据端的卷积自编码器输入部分存在数据升维操作,将原始一维振动数据升至二维以便后续操作。

2.3 对比实验

为了验证PJR-GAFN的有效性,设计了6组对比模型,包括针对单模态数据(图像数据)依据文献[17]设计的基于Fast R-CNN的轨面缺陷诊断模型,依据文献[18]设计的基于MRC-CSN的轨面缺陷诊断模型,针对多模态数据(图像数据+振动数据)依据文献[14]设计的基于ISAE-LDA-SVC的轨面缺陷诊断模型,依据文献[4]设计的基于MFDF-Net的轨面缺陷诊断模型,依据文献[19]设计的基于CNN-LSTM-SW的轨面缺陷诊断模型以及依据文献[20]设计的基于ECARRNet的轨面缺陷诊断模型。为了避免模型训练随机性对实验结果的影响,选取10次实验结果的平均值作为最终评估依据,对比实验结果如表1所示。

由表1可以看出,5种多模态融合模型的钢轨表面缺陷诊断精度都明显优于单模态非融合模型的最佳精度,这验证了多模态数据融合方法对于钢轨表面缺陷诊断任务的有效性。然而,这些方法在特征建模上仍存在一定不足:ISAE-LDA-SVC仅在浅层实现模态特征拼接,无法充分挖掘深层跨模态关系;MFDF-NET偏重于特征层的动态融合,未能在早期特征提取阶段实现模态共享表示建模;CNN-LSTM-SW对时序依赖的建模较强,但缺乏跨模态信息的交互机制;ECARRNET利用LSTM集成捕获时序特征,但对跨模态潜在协同信息的利用有限。相比之下,所提PJR-GAFN在域对抗训练模式下结合联合域分离表示模块,实现了跨模态共享表示与特定表示的同时建模,有效突破了多源异构数据之间的语义鸿沟;同时,通过渐进融合模块在特征提取早期逐步引入跨模态信息,使模型能够深度挖掘协同特征;最后,借助图注意力网络的空间注意力聚合特性动态捕获相邻时间步的上下文依赖,进一步提升了融合效果。最终以95%的轨面缺陷诊断精度明显优于其他方法。

除诊断精度指标外,还引入了受试者工作特征(receiver operating characteristic,ROC)曲线对以上5种多模态融合模型进行更进一步的性能评估。ROC曲线的纵轴为真正例率(true positive rate,TPR),横轴为假正例率(false positive rate,FPR),ROC曲线与坐标轴围成的面积称为AUC(area under curve),其中,AUC越大,模型分类性能越好。以上5种多模态融合模型的ROC曲线如图7所示。

图7中,观察micro-average和macro-average曲线,本文模型PJR-GAFN具有最大的AUC,这表明本文模型具有最好的钢轨表面缺陷诊断性能。

2.4 消融实验

为了验证所提PJR-GAFN每个模块的有效性,从网络结构和损失函数两个角度进行定量评估消融研究,共包含以下5个实验:①缺少挤压-激励模块的钢轨表面缺陷诊断;②缺少渐进融合模块的钢轨表面缺陷诊断;③缺少图注意力融合模块的钢轨表面缺陷诊断;④缺少域对抗损失Ladv的钢轨表面缺陷诊断;⑤缺少联合域分离表示损失Lj的钢轨表面缺陷诊断。具体消融实验结果如表2所示。

从表2中可以看出,缺少挤压-激励模块和渐进融合模块均使钢轨表面缺陷诊断精度下降1.5%,这表明通过挤压-激励模块自适应地放大轨面缺陷相关特征,缩小无用特征对于轨面缺陷诊断任务是有效的,同时通过渐进融合模块在特征提取早期为特征提取器提供跨模态信息对于轨面缺陷诊断任务也是有效的。此外,缺少图注意力融合模块使诊断精度下降10%,这表明通过图注意力网络的空间注意力聚合特性捕获多模态特征相近时间步间的关联性与依赖性对于轨面缺陷诊断任务有着显著作用。最后,域对抗损失Ladv和联合域分离表示损失Lj的缺失分别使诊断精度下降2%和3%,这表明通过Ladv和Lj约束多模态特征在特征子空间中的分布对于轨面缺陷诊断任务同样是有效的。

2.5 模型可解释性分析

为进一步验证所提PJR-GAFN的有效性,引入t-分布随机邻域嵌入算法(t-SNE)对模型联合域分离表示层、SE block层、GAT融合层以及决策层的输出进行降维可视化,结果如图8所示。

图8中,4种形状的点(圆形、五角星形、三角形、正方形)分别表示轨面4种不同的状态,即正常轨面、顶面擦伤、剥落掉块以及波浪磨耗。观察联合域分离表示层输出,4种轨面状态的特征分布相对集中,表明通过联合域分离表示层有效突破了多源异构数据间的语义鸿沟。观察SE block层输出,相比联合域分离表示层输出,4种轨面状态的特征分布更加集中,表明SE block层的通道注意力加权特性对于约束轨面特征分布是有效的。观察GAT融合层输出,剥落掉块样本已能被较好的分类出,而其余轨面状态样本仅存在少量混叠,表明通过GAT的空间注意力聚合特性捕获多模态特征相近时间步间的关联性与依赖性同样是有效的。观察决策层输出,正常轨面、顶面擦伤和波浪磨耗样本存在极个别混叠,剥落掉块样本已被准确分类出,验证了所提模型的有效性。

2.6 泛化实验

为了验证本文模型PJR-GAFN的泛化能力,引入德国帕德伯恩大学公开轴承损伤电流、振动数据集[23]对模型进行测试。该数据集包含正常、内圈、外圈、内外圈复合共4种类别的轴承故障,选取了设备在转速N=1 500 r/min、负载扭矩T=0.7 N·m、径向力F=1 000 N运行工况下的1组健康轴承数据和4组真实损伤轴承数据进行实验,数据具体参数如表3所示。在数据预处理阶段,从这5组数据集中分别提取了160 000个数据点用于实验,并以步长400分别将这160 000个数据点划分为400个相互独立的数据段,按照3∶1的比例划分训练集和测试集。实验结果如表4所示。

从表4中可以看出,本文模型PJR-GAFN在德国帕德伯恩大学公开轴承损伤电流、振动数据集上以99.8%的轴承故障诊断精度明显优于其他多模态融合模型,这也证明了本文模型具有高效的多模态数据融合性能,具有良好的泛化能力。

除了运用常规的诊断精度指标来衡量所提模型的泛化性能以外,同样引入了ROC曲线对表4中的多模态融合模型进行进一步性能评估。5种多模态融合模型的ROC曲线如图9所示。

由图9可知,本文模型PJR-GAFN具有最大的AUC,这表明了所提模型具有最好的轴承故障诊断性能,同样具有良好的泛化性能。

3 结论

提出了一种渐进联合表示图注意力融合网络用于钢轨表面缺陷诊断任务。该网络由渐进联合域分离表示模块和图注意力融合推断模块两部分组成。渐进联合域分离表示模块首先通过共享自编码器和特定自编码器分别提取各模态数据的共享表示和特定表示以获取特征联合表示,其次通过挤压-激励模块进一步放大轨面缺陷特征,缩小无用特征,再次采用渐进融合策略使得模型在特征提取阶段充分利用跨模态潜在协同信息,最后通过源域分类器和域鉴别器进一步捕获各模态数据间的模态不变性。图注意力融合推断模块首先利用图注意力网络的空间注意力聚合特性对图像、振动模态特征进行融合以充分利用多模态上下文语义信息,获取更全面的轨面状态信息,再通过多层感知器执行最终故障决策。最后,设计了对比、消融、泛化等实验,验证了所提渐进联合表示图注意力融合网络的有效性。然而,所采用的钢轨表面监测数据经过了仔细的人工筛选,去除掉了含有明显噪声的部分,表现出数据量充足、数据质量相对较高的特点。然而,在实际铁路线路中,诸如鱼鳞裂纹、横纵向裂纹等伤损的数量往往少于剥落掉块、剥落磨耗等伤损。因此,如何在小样本与噪声场景下开展基于多模态数据融合的钢轨表面缺陷诊断任务是非常值得考虑的问题,在未来工作中,将对此类问题开展进一步研究。

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基金资助

国家重点研发计划(2021YFF05011)

国家自然科学基金(62106074)

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