I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m pu t er   E ng ineering   ( I J E CE )   Vo l.  15 ,   No .   2 A p r il   20 25 ,   p p .   1 6 5 6 ~ 1 6 6 9   I SS N:  2 0 8 8 - 8 7 0 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijece. v 15 i 2 . p p 1 6 5 6 - 1 6 6 9          1656       J o ur na ho m ep a g e h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m   Im pro v ed conv o lutiona l neural n et wo rk - ba sed bea ri ng  f a ult  dia g no sis  using  multi - pha se  mo tor  current  sig na ls       H a i D a ng   H uu 1 ,   Ng o c - M y   B ui 2 ,   Va n - P hu H o a ng 3 ,   T ha n g   B ui Q uy 3 ,   Yen  H o a ng   T hi 4   1 I n st i t u t e   o f   E l e c t r o n i c s,   A c a d e m y   o f   M i l i t a r y   S c i e n c e   a n d   T e c h n o l o g y ,   H a n o i ,   V i e t n a m   2 D e p a r t me n t   o f   Tr a i n i n g ,   A c a d e my   o f   M i l i t a r y   S c i e n c e   a n d   Te c h n o l o g y ,   H a n o i ,   V i e t n a m   3 I n st i t u t e   o f   S y s t e m   I n t e g r a t i o n ,   L e   Q u y   D o n   T e c h n i c a l   U n i v e r si t y ,   H a n o i ,   V i e t n a m   4 F a c u l t y   o f   R a d i o - E l e c t r o n i c   En g i n e e r i n g ,   Le   Q u y   D o n   Te c h n i c a l   U n i v e r si t y ,   H a n o i ,   V i e t n a m       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Sep   1 1 ,   2 0 2 4   R ev is ed   No v   1 5 ,   2 0 2 4   Acc ep ted   No v   2 0 ,   2 0 2 4       Dia g n o si n g   b e a rin g   fa u lt o th e   in d u c ti o n   m o to is  c ru c ial   fo th e   m a in ten a n c e   o ro tati n g   e lec tri c a m a c h in e s.  Nu m e ro u m e th o d h a v e   b e e n   d e v e lo p e d   a n d   p u b li sh e d   fo m o n it o ri n g   a n d   c las sify i n g   t h e se   fa u lt u sin g   se n so d a ta   su c h   a v ib ra ti o n ,   a u d io ,   a n d   c u rre n t   sig n a ls.  I d e a ll y ,   t h e   c u rre n t   p h a se a re   b a lan c e d ;   h o we v e r,   f a u lt d isru p t h is  s y m m e try ,   c a u sin g   e a c h   p h a se   t o   re v e a l   u n iq u e   d iag n o stic   d e tails.   Co n se q u e n tl y ,   st u d ies   th a re ly   o n   a   sin g le   p h a se   o t h e   c u rre n sig n a m a y   n o c a p t u re   a ll   fa u lt - re la ted   c h a ra c teristics .   Re se a rc h   o n   m o to b e a rin g   fa u lt   d ia g n o sis  u sin g   tw o   c u rre n t   p h a se ty p ica ll y   e x trac ts  fe a tu re fro m   e a c h   p h a se   se p a ra tely ,   a p p ly i n g   m a c h in e   lea rn in g   t o   c las sify   t h e   fa u lt s.   Cu rre n tl y ,   n o   a p p r o a c h   h a b e e n   p ro p o se d   to   e x trac fe a tu re fr o m   b o th   p h a se sim u lt a n e o u sly .   F u r th e rm o re ,   th e   p ro p o se d   s o lu t io n h a v e   o n l y   b e e n   p u b l ish e d   wit h   n o ise - fre e   d a ta.  To   a d d re ss   th e se   c h a ll e n g e s,  th is  p a p e in tro d u c e a n   e n h a n c e d   s o l u ti o n   th a t   imp ro v e s   th e   a c c u ra c y   o f   m o t o b e a rin g   fa u lt   c las sifica ti o n   b a se d   o n   a n   imp ro v e d   c o n v o l u ti o n a n e u ra n e two rk   th a p ro c e ss e c u rre n sig n a ls  fro m   two   p h a se sim u lt a n e o u sly .   E x p e rime n tal  re su lt d e m o n stra te   th a t   th e   p ro p o se d   m e th o d   sig n ifi c a n tl y   o u tp e rfo rm trad it io n a a p p r o a c h e s,   p a rti c u larly   in   sc e n a rio wh e re   t h e   sa m p le  sig n a ls  a re   n o ise - a d d i n g   si g n a ls .   F a u lt   c las sifica ti o n   a c c u ra c y   o t h e   p ro p o se d   im p ro v e d   c o n v o lu t io n a n e u ra l   n e two rk   (M I - CNN a b o u t   9 5 . 1 2 %   wit h   n o ise - a d d in g   sig n a ls  a t h e   sig n a l - to - n o ise   ra ti o   o 2 0   d B.   K ey w o r d s :   B ea r in g   f au lt d iag n o s is   C las s if icatio n   ac cu r ac y   I m p r o v ed   c o n v o lu tio n al  n eu r al  n etwo r k   I n d u ctio n   m o to r   Mo to r   cu r r en t sig n al   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Van - Ph u Ho an g   I n s titu te  o f   Sy s tem   I n teg r atio n ,   L Qu y   Do n   T ec h n ical  Un iv er s ity   2 3 6   Ho a n g   Qu o Viet  R o ad ,   B ac   T u   L iem   Dis tr ict,   Han o i,  Vietn am   E m ail:  p h u ch v @ lq d tu . ed u . v n       1.   I NT RO D UCT I O N   E lectr ical  m ac h in es  in   g en e r a an d   i n d u ctio n   m o to r s   in   p ar ticu lar   ar c r u cial  in   v ar i o u s   i n d u s tr ies.  Du to   co n tin u o u s   o p er atio n ,   th ese  m o to r s   ex p er ien ce   s ig n i f ican elec tr ical  an d   m ec h a n ical  p r ess u r e,   m ak in g   th em   s u s ce p tib le  to   f ailu r e.   Failu r es  ca n   r esu lt  f r o m   th m o to r   its elf ,   o p er atin g   c o n d it io n s   o r   in s tallatio n   er r o r s ,   lea d in g   to   r ed u ce d   m o t o r   life s p an   an d   in c r ea s ed   p r o d u ctio n   lo s s es  if   n o t   d etec ted   e ar ly .   C o n s eq u en tly ,   tech n iq u es  h av b ee n   d e v elo p ed   to   id en tify   an d   ass ess   f ailu r es,  en h an cin g   th r eliab ilit y   an d   av ailab ilit y   o f   elec tr ic  m o to r s   [ 1 ] .   Mo to r   f ailu r es  co m m o n ly   o cc u r   in   co m p o n e n ts   s u ch   as  b ea r in g s ,   s t ato r s ,   r o to r s ,   am o n g   o th er s   [ 2 ] .   Am o n g   th ese  co m p o n en ts ,   b ea r i n g   f ailu r es  ar th m o s p r ev alen t,  ac co u n tin g   f o r   o v er   4 0 o f   m o to r   f ailu r es.  Acc o r d in g   to   r esear ch   b y   Sin g   an d   Al  Kaz za z   [ 3 ] ,   b ea r in g   f ailu r e   is   th e   p r im ar y   ca u s o f   m o to r   m alf u n cti o n s .   B ea r in g s   ar e   ess en tial  f o r   th d u r a b le  an d   s tab le   o p er atio n   o f   m o to r s ,   s o   wh en   th ey   ar e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         I mp r o ve d   co n vo lu tio n a l n e u r a n etw o r k - b a s ed   b ea r in g   fa u l t d ia g n o s is   u s in g     ( Ha i D a n g   Hu u )   1657   d am ag ed ,   wh eth e r   th r o u g h   b r o k e n   r o ller s   o r   ch ip p ed   i n n er   o r   o u ter   r in g s ,   it  d ir ec tly   im p ac ts   m o to r   p er f o r m an ce ,   ca u s in g   im p r o p er   o p e r atio n   an d   lo u d   n o is es.  T h v a r io u s   ty p es  o f   d am a g in   in d u ctio n   m o to r s   ar illu s tr ated   in   Fig u r 1   [ 4 ] .           Fig u r 1 .   C lass if icatio n   o f   co m m o n   f a u lts   in   in d u ctio n   m o t o r s   [ 4 ]       Fig u r 2   d escr ib es  r o llin g - ele m en b ea r in g   s tr u ctu r an d   f a u lts ,   in   wh ich   Fig u r 2 ( a)   illu s tr ates  th e   s tr u ctu r o f   a   ty p ical   b ea r in g   an d   th e   d am a g th at   ca n   o c cu r   to   its   o u te r   a n d   i n n er   r in g s   is   illu s tr ated   in     Fig u r 2 ( b )   a n d   Fig u r 2 ( c)   r e s p ec tiv ely   [ 5 ] .   b ea r in g   co n s is ts   o f   two   r in g s ,   ca lled   th e   in n er   an d   o u ter   r in g s ,   with   s et  o f   r o llin g   b alls   p o s itio n ed   o n   r o llin g   s u r f ac es  th a r o tate  ar o u n d   th ese  r i n g s .   C o n tin u o u s   s tr ess   o n   th b ea r i n g s   ca n   lead   to   f atig u e,   ty p ically   m an i f esti n g   as  d am ag t o   th e   in n e r   o r   o u ter   r in g .   T h is   d am ag e   r esu lts   in   s m all  p iece s   b r ea k i n g   o f f   th e   b ea r i n g ,   a   p h e n o m en o n   k n o wn   as  f lak in g   o r   cr a ck in g   [ 6 ] ,   wh ich   in   tu r n   ca u s es  u n s tab le  b ea r i n g   o p er atio n .   Sev er al  f ac t o r s   ca n   c o n tr ib u te   to   b ea r in g   f ailu r e,   in clu d in g   t h q u ality   o f   th b ea r in g   its elf ,   o p er atin g   in   en v ir o n m en ts   p r o n to   o x id atio n   o r   ch em ical  co r r o s io n   an d   in s u f f icien t   p er io d ic  m ain te n an ce .   Su ch   co n d itio n s   n o o n ly   im p air   t h s m o o th   o p er atio n   b u also   in cr ea s f r ictio n ,   r ed u cin g   life tim o f   th e   b ea r in g .   T o   p r ev en t   p r o d u ctio n   in ter r u p tio n s   ca u s ed   b y   e n g i n f ailu r es,  e x ten d   o p er atin g   tim a n d   o p tim ize  in v estme n ef f icien cy ,   f au lt  d etec tio n   an d   c o n d itio n   m o n it o r in g   ar e   ess en tial.  Fau lt  d etec tio n   h elp s   p r ev e n u n ex p ec te d   in ter r u p tio n s   an d   m itig ates  th r is k   o f   s er io u s   d am ag to   th e   en tire   p o wer tr ain ,   wh ile  c o n d itio n   m o n ito r in g   r ed u ce s   m ain ten an ce   co s ts   an d   en h an ce s   en g in r eliab ilit y .             ( a)   ( b )   ( c)     Fig u r 2 .   R o llin g - elem e n t b ea r in g   s tr u ctu r e   an d   f au lts   ( a)   s tr u ctu r o f   r o llin g - elem en b e ar in g ,     ( b )   o u ter   r ac f au lt,  an d   ( c)   i n n er   r ac f a u lt  [ 5 ]       Up   to   n o w,   v ar i o u s   m eth o d s   h av b ee n   d ev elo p e d   an d   a p p lied   f o r   d etec tin g   a n d   d iag n o s in g   m o to r   b ea r in g   f au lts ,   in clu d i n g   s o u n d   an d   v ib r atio n   an aly s is   [ 7 ] ,   elec tr o m ag n etic  f ield   m o n it o r in g   [ 8 ]   an d   m o to r   cu r r en s ig n al  an aly s is   ( MCS A)   [ 9 ] .   R esear ch er s   h av also   in v esti g ated   f au lt  d iag n o s is   t ec h n iq u es  b ased   o n   o th er   m o t o r   p h y s ical  q u a n titi es,  in clu d in g   r o t o r   p o s itio n ,   r o to r   s p ee d ,   to r q u e,   p o wer   ca p ac ity ,   an d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   2 Ap r il   20 25 1 6 5 6 - 1 6 6 9   1658   tem p er atu r e,   in   ad d itio n   to   t h ese  s ig n al - b ased   ap p r o ac h es  [ 1 0 ] .   Am o n g   th ese,   v ib r atio n   an d   s o u n d   s ig n al  an aly s is   ar wid ely   u s ed   f o r   d etec tin g   m o to r   b ea r in g   f a u lts .   Ho wev er ,   th ese  m eth o d s   r eq u ir th u s o f   ex p en s iv s en s o r s   an d   th p r o p er   p lace m e n an d   in s tallatio n   o f   th ese  s en s o r s   ca n   b c h allen g in g   d u to   lim ited   co n s tr u ctio n   s p ac e.   Ad d itio n ally ,   th p r esen ce   o f   n o is f r o m   s u r r o u n d in g   d ev ice s   ca n   in ter f er with   th ac cu r ac y   o f   s o u n d   m ea s u r em en ts ,   lead in g   to   p o ten tial  m is d iag n o s es  wh en   u s in g   s o u n d   s en s o r s   to   d etec t   b ea r in g   f au lts .   C o m p ar e d   to   v ib r atio n   a n d   s o u n d   m o n ito r in g ,   MCS m eth o d   h as  g ain ed   s ig n if ican atten tio n   d u to   s ev er al   k ey   ad v an tag es .   Firstl y ,   MCS d o es  n o r eq u ir ad d itio n al  s en s o r s ,   as  it  u tili ze s   th ex is tin g   cu r r en s ig n al  f r o m   th m o to r   co n tr o ller ,   wh ic h   r ed u ce s   b o th   co s ts   an d   s y s tem   co m p lex ity .   Ad d itio n ally ,   th is   m eth o d   allo ws  f o r   th r em o te   m o n ito r in g   o f   m u ltip le  m o to r s   f r o m   s in g le  lo ca tio n   b y   an aly zin g   th cu r r e n s ig n al  s u p p lied   to   ea c h   m o t o r   [ 1 1 ] .   Fu r th er m o r e,   MCS is   less   af f ec ted   b y   am b ien n o is s in ce   it  r elies  o n   cu r r en t sig n als f o r   d iag n o s in g   b ea r in g   f au lts ,   m ak in g   it a   m o r r eliab le  o p tio n   in   n o is y   en v i r o n m en ts .   T y p ically ,   b ea r in g   f a u lt  d iag n o s is   u s in g   cu r r en t   d ata  with   tr ad itio n al   m eth o d s   in v o l v es  two   m ain   s tep s f au lt  f ea tu r ex tr ac tio n   an d   f au lt  class if icatio n .   f ast  Fo u r ier   tr an s f o r m   ( FF T )   [ 1 2 ] ,   d is cr ete  wav elet  tr an s f o r m   ( DW T )   [ 1 2 ] ,   em p ir ical  m o d e   d ec o m p o s itio n   ( E MD )   [ 1 3 ] ,   l o ca m ea n   d ec o m p o s itio n   ( L MD )   [ 1 4 ]   an d   v ar iatio n al  m o d d ec o m p o s itio n   ( VM D)   [ 1 5 ]   ar c o m m o n ly   u s ed   f ea tu r ex tr ac tio n   te ch n iq u es.  Fo r   f a u lt   class if icatio n ,   p o p u lar   m ac h i n lear n in g   alg o r ith m s   in clu d s u p p o r v ec to r   m ac h in e   ( SVM)   [ 1 6 ] b ac k - p r o p a g atio n   n e u r al  n etwo r k   [ 1 7 ] ,   B ay esian   class if ier   [ 1 8 ] ,   k - n ea r est  n eig h b o r   ( k - NN)   [ 1 9 ] ,   r an d o m   f o r est  ( R F)  [ 2 0 ]   an d   class if icatio n   an d   r eg r ess io n   tr ee   ( C AR T )   [ 2 1 ] .   T h e   ac cu r ac y   o f   b ea r in g   f au lt  d iag n o s is   u s in g   th ab o v a p p r o ac h es  d ep e n d s   o n   th m a n u al  s elec tio n   o f   ex tr ac ted   s ig n al  f ea tu r es  an d   tr ain in g   o f   t h m ac h in lear n in g   class if ier .   T o   o v e r co m e   th is ,   d ee p   lear n i n g - b ased   m o to r   b ea r in g   f a u lt  d iag n o s is   m eth o d s ,   ty p ically   co n v o l u tio n al  n eu r a n etwo r k   ( C NN )   m o d els,  ar wid ely   ap p lied   [ 2 2 ] [ 2 4 ] .   T h ese  ar p u b lis h ed   wo r k s   o n   m o to r   b ea r in g   f au lt  d iag n o s is   b ased   o n   s in g le  p h ase  o f   m o to r   cu r r e n t sig n al.     I n   th eo r y ,   wh en   two - p h ase   elec tr ic  m o to r   ex p er ien ce s   f au lt,  th cu r r en in   th t wo   p h ases   b ec o m es  asy m m etr ical,   m ea n i n g   th ey   ea ch   ca r r y   d is tin ct  in f o r m atio n   a b o u th s y s tem   f au lt.  T h er ef o r e,   th e   ac cu r ac y   o f   th ab o v s o lu tio n s   is   n o h ig h   d u to   m is s in g   s y m p to m s   o f   b ea r in g   f ailu r e.   B o th   p h ases   o f   th e   cu r r en t   s ig n al  m u s b e   u s ed   f o r   b ea r i n g   f au lt   d iag n o s is   in   o r d er   to   im p r o v e   d iag n o s tic  ac c u r ac y   an d   d ec r ea s e   m is s ed   d etec tio n s .   T o   d ate,   th er ar e   o n ly   a   f ew  s tu d ies  e x p lo r in g   t h u s o f   two - p h ase  m o to r   c u r r en t   s ig n als  f o r   d iag n o s in g   b ea r in g   f au lts .   Pu b lis h ed   wo r k s   o n   d iag n o s in g   m o to r   b ea r in g   f a u lts   b ased   o n   two   p h ases   o f   cu r r en s ig n als  o n ly   ex tr ac f e atu r es  o f   ea ch   p h ase  in d iv id u ally   [ 5 ] [ 2 5 ] .   T h is   is   n o s u itab le  f o r   d ia g n o s in g   m o to r   b ea r in g   f au lts   u s in g   m u ltip le  p h ases   o f   cu r r en t sig n als   s im u ltan eo u s ly .   T h u s ,   th is   p ap er   p r o p o s es a   n ew   s o lu tio n ,   ter m ed   m u lti - in p u t   C NN   ( MI - C NN) ,   to   o v er co m th cu r r en d is ad v a n tag es  o f   th p r ev i o u s   m eth o d s   f o r   d etec tin g   b ea r in g   f ailu r es  in   a   m u lti - p h ase  m o t o r .   I n   th is   m eth o d ,   f ea tu r e   m a p s   f r o m   b o t h   p h ases   o f   th e   cu r r en s ig n al  ar e   ex tr a cted   co n c u r r e n tly   th r o u g h   two   b r an c h es  o f   th e   p r o p o s ed   MI - C NN  m o d el.   T h es e   ex tr ac ted   f ea tu r es  ar th en   i n teg r ated   d u r in g   th f u s io n   s tag an d   s u b s eq u e n tly   class if ied   b y   a   s o f tm ax   class if ier .   Simu latio n s   co n d u cted   in   v ar io u s   n o is y   en v ir o n m en ts   d em o n s tr ate  th at  th p r o p o s ed   m eth o d   ac h iev es  s u p er io r   d iag n o s tic  ac cu r ac y   co m p a r ed   to   ex is tin g   s o lu tio n s ,   in clu d in g   th o s b ased   o n   d ee p   lear n in g   an d   m ac h in lear n in g   with   m u lti - s en s o r   s ig n als.  T h s u b s e q u en s ec tio n s   o f   th is   ar ticle  p r o v id th o r o u g h   ex p lan atio n   o f   th r ec o m m e n d ed   b e ar in g   f au lt   d iag n o s is   m eth o d ,   th e x p er im e n tal  d at aset,  v alid atio n ,   a n d   d is cu s s io n .       2.   P RO P O SE M E T H O D   2 . 1 .     B a s ic  CNN  m o del st ruct ure  f o dia g no s ing   elec t ric  mo t o bea ring   da m a g e   T h b asic  C NN  m o d el  s tr u ctu r f o r   d ia g n o s in g   elec tr ic  m o to r   b ea r in g   f au lts   is   d ep icted   in   Fig u r 3 .   I co m p r is es  s ev er al  k ey   co m p o n en ts an   i n p u lay e r   ( g r a y s ca le  im ag b lo ck   o f   d im en s io n s   L 1 × L 2 ) ,   f iv e   co n v o l u tio n al  b lo ck s ,   th r ee   p air s   o f   n o n lin ea r   an d   f u lly   c o n n ec ted   lay er s ,   s o f tm ax   la y er ,   an d   an   o u tp u t   lay er .   T h e   f ir s f o u r   co n v o lu ti o n al  b lo c k s   ea ch   co n s is o f   f o u r   lay er s a   co n v o lu tio n al  lay er ,   n o r m aliza tio n   lay er ,   n o n lin ea r   ac tiv atio n   lay er ,   an d   p o o lin g   lay er .   T h f if th   co n v o l u tio n al  b lo ck   in cl u d es a   co n v o lu tio n al   lay er   an d   n o r m aliza tio n   lay e r .   Pad d in g   is   ap p lied   at  th co n v o lu tio n al  lay er s   with   s tr id o f   1 × 1   af ter   ea ch   m u ltip licatio n ,   en s u r in g   th at  n o   in f o r m atio n   is   lo s t a n d   t h at  th im ag d im e n s io n s   r em ain   u n ch an g e d .   T h f ir s f u lly   co n n ec ted   lay er   in   th e   b asic  C NN  m o d el   co n tain s   2 0 0   n eu r o n s ,   f o llo w ed   b y   th e   s ec o n d   f u lly   c o n n ec te d   lay er   with   1 0 0   n e u r o n s   an d   th f in al   f u lly   co n n ec ted   lay e r   with   3   n eu r o n s .   T h ese  th r ee   n eu r o n s   co r r esp o n d   to   th b ea r in g   c o n d itio n   lab els:   0 ,   1 ,   an d   2 ,   r ep r esen tin g   n o - f a u lt  b e ar in g ,   a n   in n er   r ac e   b r ea k   b ea r in g ,   a n d   an   o u ter   r a ce   f ailu r e   b ea r in g ,   r esp ec tiv el y .   T h is   b asic  C NN  m o d el,   as d ep icted   in   Fig u r e   3 ,   o f f er s   ad v an ta g es  s u ch   as  lo m o d el  co m p lex ity ,   r ap i d   tr ain in g   tim e,   an d   ef f icien i m ag class if icatio n .   Ho wev er ,   it  is   lim i ted   b y   its   ab ilit y   to   d iag n o s m o to r   b ea r in g   f au lts   u s in g   o n ly   o n p h ase  o f   th cu r r en s ig n al,   lead in g   to   lo wer   ac cu r ac y   an d   r e q u ir in g   h u g a m o u n o f   iter atio n s   f o r   th m o d el  to   co n v er g e,   p ar ticu lar ly   in   n o is y   en v ir o n m en ts .   T o   d iag n o s m o to r   b e ar in g   f au lts   u s in g   b o th   p h ases   o f   th m o to r   cu r r en t   s im u ltan eo u s ly ,   en h a n ce m en ts   to   th b asic CNN m o d el  ar n ec ess ar y .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         I mp r o ve d   co n vo lu tio n a l n e u r a n etw o r k - b a s ed   b ea r in g   fa u l t d ia g n o s is   u s in g     ( Ha i D a n g   Hu u )   1659   2 . 2 .     Str uct ure  o f   t he  pro po s ed  M I - CNN  m o del f o elec t ric  mo t o bea ring   f a ult  dia g no s is   T h p r o p o s ed   MI - C NN  m o d e l,  illu s tr ated   in   Fig u r e   4 ,   is   c o m p o s ed   o f   f o u r   s tag es:  d ata  co llectio n ,   f ea tu r ex tr ac tio n ,   f ea tu r f u s io n ,   an d   class if icatio n .   T h d a ta  co llectio n   an d   f ea tu r ex tr a ctio n   s tag co n s is o f   two   b r an ch es:  th lef a n d   r ig h b r an c h es,  wh ich   ar u s ed   to   co llect  an d   e x tr ac f ea tu r es  u s in g   s ig n als  f r o m   Ph ase  1   an d   Ph ase  2   o f   th m o to r   cu r r en t,  r esp ec tiv ely .   E ac h   b r an ch   f o llo ws  an   id en tical  s tr u ctu r e.   Sig n als  f r o m   Ph ase  1   a n d   Ph ase  2   a r f ir s co n v er te d   in to   g r ay s ca le  im ag es  o f   d im e n s io n s   L 1 × L 2 .   T h ese  im ag es  s er v as  th i n p u t   to   th e   C NN  m o d el,   wh ich   co m p r is es  f iv e   co n v o lu tio n al   n o r m aliza tio n   r ec tifie d   lin ea r   u n it   m ax - p o o lin g   ( C NR M )   b lo ck s   an d   f u lly   co n n ec ted   lay er   ( F C 1 ) .   T h f ir s f o u r   C NR b lo ck s   s h ar th s am e   s tr u ctu r as  th co n v o lu tio n al   b lo ck s   o f   th b asic  C N m o d el  d escr ib ed   in   s ec tio n   2 . 1 .   T h f if th   C NR M   b lo ck   i n clu d es  a   co n v o lu tio n a lay er ,   n o r m aliza tio n   lay er ,   an d   a   n o n lin ea r   ac tiv atio n   lay er .   T h e   o u tp u t   f r o m   th f ir s f u lly   co n n ec ted   la y er   ( FC 1 )   is   th e n   f ed   in to   th e   f ea tu r f u s io n   b lo ck ,   wh er e   f ea t u r es  ex tr ac ted   f r o m   th two   p h ases   o f   th cu r r en t   s ig n al  ar co m b in ed ,   allo win g   th MI - C NN  m o d el  to   s im u ltan eo u s ly   ex tr ac t   f ea tu r es  f r o m   two   p h ases .   T h e   n u m b er   o f   n e u r o n s   o f   th is   lay er   is   co n ca ten ated   b y   n e u r o n s   o f   th e   FC 1   lay e r   o f   th two   b r an ch es.  T h f ea tu r class if icatio n   s tag co n s is t s   o f   two   p air s   o f   r ec tifie d   lin e ar   u n it   ( R eL U )   an d   f u lly   co n n ec te d   lay er s ,   f o llo w ed   b y   s o f tm ax   lay er   an d   an   o u tp u lay er .   T h is   s tag clas s i f ies  th in p u im ag in to   o n o f   th r ee   ca teg o r ies,  lab eled   0 ,   1 ,   o r   2 ,   co r r esp o n d i n g   to   d if f er en b ea r in g   f au lt  c o n d itio n s ,   b ased   o n   th p r o b a b ilit ies  ca lcu lated   b y   th s o f tm ax   lay er ,   s im ilar   to   th b asic  C NN  m o d el.   T h e   n ex s ec tio n   o f   th e   p ap er   will  p r esen th e   d ataset  f o r   e x p er im e n tal  v er if icatio n   o f   th e   p r o p o s ed   m o d el   ef f ec ti v en ess ,   th s ce n ar io ,   an d   ex p er im en tal  m eth o d .               Fig u r 3 .   B asic CNN m o d el  s tr u ctu r f o r   d iag n o s in g   elec tr ic  m o to r   b ea r in g   d am a g e     Fig u r 4 .   Diag r a m   o f   th p r o p o s ed   MI - C NN  m o d el    s tr u ctu r f o r   d iag n o s in g   elec tr ic  m o to r   b ea r in g   f au lts   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   2 Ap r il   20 25 1 6 5 6 - 1 6 6 9   1660   3.   E XP E R I M E N T A L   DAT A ND  M E T H O D   3 . 1 .     E x perim ent a l da t a   W u s th b ea r in g   d ataset  p r o v id e d   b y   Pad e r b o r n   Un iv er s ity   [ 2 6 ]   to   s im u late  th e   p r o p o s ed     MI - C NN  m o d el,   wh ich   is   lab o r ato r y - m ea s u r e d   d ataset  an d   h as  b ee n   u s ed   b y   m a n y   r ese ar ch   g r o u p s   to   test   th p r o p o s ed   b ea r in g   f a u lt  d iag n o s is   s o lu tio n   ( [ 5 ] [ 2 2 ] [ 2 3 ] [ 2 5 ] ) .   T h p u b lis h ed   d ataset  in clu d es  m ea s u r em en ts   o f   v ar io u s   m o to r   p ar am eter s   co r r esp o n d i n g   to   3 2   b ea r in g   co d es  o f   ty p 6 2 0 3 ,   with   s p ec if icatio n s   as  d escr ib ed   i n   T ab le  1 .   T h ese  b ea r in g s   ar e   ca teg o r ized   in to   n atu r ally   d a m ag ed ,   a r tific ially   d am ag ed ,   a n d   u n d am ag e d   g r o u p s ,   co n s is tin g   o f   6   u n d am a g ed   b ea r in g s   ( K0 0 1 - K0 0 6 ) ,   1 2   b ea r in g s   with   o u ter   r in g   f a u lts   ( KA0 1 ,   KA0 3 - K A0 9 ,   KA1 5 ,   KA1 6 ,   KA2 2 ,   KA3 0 ) ,   1 1   b ea r in g s   with   in n er   r in g   f au lts   ( KI 0 1 ,   KI 0 3 - KI 0 5 ,   K I 0 7 ,   KI 0 8 ,   KI 1 4 ,   KI 1 6 - KI 1 8 ,   KI 2 1 ) ,   a n d   3   b ea r in g s   with   b o t h   in n er   an d   o u ter   r in g   f au lts   ( KB 2 3 ,   KB 2 4 ,   KB 2 7 ) .           T ab le  1 .   B ea r in g   p ar am eter s   o f   ty p 6 2 0 3   P a r a me t e r s   V a l u e   B e a r i n g   t y p e   D e e p   g r o o v e   b a l l   B e a r i n g   d e s i g n a t i o n   6 2 0 3   D i a me t e r   o f   i n n e r   r a c e   2 4 . 0 0   m m   D i a me t e r   o f   o u t e r   r a c e   3 3 . 1 0   m m   P i t c h   c i r c l e   d i a m e t e r   2 9 . 0 5   m m   R o l l i n g   e l e me n t   d i a m e t e r   6 . 7 5   mm   N u mb e r   o f   r o l l i n g   e l e me n t s   8   N o mi n a l   p r e ss u r e   a n g l e   0 0       Fig u r 5   d is p lay s   th s ch em atic  d iag r am   o f   th test   s tan d   th a m ea s u r es  th p ar am eter s   o f   th s ig n als  th at  d escr ib e   th m o to r ' s   p h y s ical  q u an titi es.  I is   m ad u p   o f   th f o llo win g   p ar ts an   elec tr ic  m o to r   ( 1 ) ,   to r q u m ea s u r in g   s h af ( 2 ) ,   b ea r in g   test   m o d u le  ( 3 ) ,   f l y wh ee ( 4 ) ,   an d   lo ad   m o t o r   ( 5 ) .   B ea r in g s   with   d if f er en t   f ailu r e   m o d es  a r m o u n ted   in   th e   b ea r in g   test   m o d u le  to   g e n er ate  s im u latio n   d ata.   T h m o to r   ( 1 )   is   a   4 2 5   W   p er m an en m ag n et  s y n ch r o n o u s   m o to r   ( PMSM)   with   r ated   to r q u o f   T = 1 . 3 5   Nm ,   a   r ated   r o to r   s h af s p ee d   o f   n = 3 0 0 0   r p m ,   r ate d   cu r r en o f   I = 2 . 3   an d   th n u m b er   o f   p o le  p air s   o f   p = 4 .   I is   o p er ated   b y   f r eq u e n cy   c o n v e r ter   ( KE B   C o m b iv er 0 7 F5 E   1 D - 2 B 0 A)   wit h   c u t - o f f   f r e q u en c y   o f   1 6   k Hz.   T h is   m o to r   h as  4   o p er atin g   s tates  co r r esp o n d i n g   to   d if f e r en v alu es  o f   r o to r   s h af r o tatio n   s p ee d   ( S),   lo ad   to r q u ( M) ,   r ad ial   f o r ce   ac tin g   o n   b ea r in g s   ( F).   T ab le  2   in d icate s   f o u r   wo r k in g   co n d itio n s   o f   th m o to r .   T h lo ad   m o to r   ( 5 )   is   Siem en s - Mo to r   1 FT7 0 6 2 - 1 AF 7 0 - 1 DG1 .   I n   th is   p ap er ,   we  u s two   p h ases   o f   th cu r r en s ig n als  o f   1 5   b ea r in g   co d es  ar d ep icted   in   T a b le  3 ,   co r r esp o n d in g   to   th e   wo r k in g   s tate  B   o f   th m o to r   in   T a b le  2   to   d o   e x p er im e n t.  Giv en   s am p lin g   f r eq u en cy   o f   6 4   k Hz  an d   m ea s u r e m en d u r atio n   o f   4   s ec o n d s ,   ea ch   cu r r en s ig n al  m ea s u r em en c o m p r is es  2 5 6 . 0 0 0   d ata  p o in ts   ( 6 4 . 0 0 0   s am p le s /s ec o n d ×4   s ec o n d s ) .   Fo r   ea c h   b ea r i n g   co d e,   2 0   m ea s u r em en ts   ar c o n d u cted ,   r esu ltin g   in   to tal   o f   5 . 1 2 0 . 0 0 0   d ata  p o in ts   p er   b ea r in g   c o d ( 2 5 6 . 0 0 0 × 2 0 ) .   Sin ce   ea ch   b ea r in g   lab el  in   T a b le  3   co n tain s   5   b ea r in g   co d es ,   th to tal  n u m b er   o f   d ata  p o in ts   p er   b ea r in g   lab el   am o u n ts   to   2 5 . 6 0 0 . 0 0 0   ( 5 . 1 2 0 . 0 0 0 ×5 ) .           Fig u r 5 .   T est s tan d   f o r   m ea s u r in g   en g in p a r am eter s   [ 2 4 ]       T ab le  2 .   E n g in wo r k in g   co n d itio n s   O p e r a t i n g   st a t e   S   ( R P M )   M   ( N m)   F   ( N )   A   1 5 0 0   0 . 1   1 0 0 0   B   9 0 0   0 . 7   1 0 0 0   C   1 5 0 0   0 . 7   4 0 0   D   1 5 0 0   0 . 7   1 0 0 0   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         I mp r o ve d   co n vo lu tio n a l n e u r a n etw o r k - b a s ed   b ea r in g   fa u l t d ia g n o s is   u s in g     ( Ha i D a n g   Hu u )   1661   T ab le  3 .   T h b ea r in g   co d es u s ed   f o r   ex p er im e n t   B e a r i n g   c o n d i t i o n   C l a s s   La b e l   B e a r i n g   c o d e   N o n - f a u l t y   ( N )   0   K0   K 0 0 1 ,   K 0 0 2 ,   K 0 0 3 ,   K 0 0 4 ,   K 0 0 5   O u t e r   r a c e   d a m a g e   ( O )   1   KA   K A 0 4 ,   K A 1 5 ,   K A 1 6 ,   K A 2 2 ,   K A 3 0   I n n e r   r a c e   d a m a g e   ( I )   2   KI   K I 0 4 ,   K I 1 4 ,   K I 1 6 ,   K I 1 8 ,   K I 2 1       3 . 2 .     E x perim ent a l m et ho d   T h e   d a t a   p o i n t s   o f   b o t h   p h a s e s   o f   t h e   m o t o r   c u r r e n t   s i g n a l   w h e n   o p e r a t i n g   w i t h   l a b e l s   K 0 ,   KA ,   a n d   K I   i n   T a b l e   3   a r e   d i v i d e d   i n t o   g r a y s c a l e   i m a g es ,   e a c h   wi t h   a   s iz o f   L 1   L 2   p i x e l s .   T h e r e f o r e ,   t h e   n u m b e r   o f   i m a g e s   c o r r e s p o n d i n g   t o   t h e   l a b e l s   K0 ,   K A   a n d   K I   i n   T a b l e   3   i s   2 5 . 6 0 0 . 0 0 0 / ( L 1   L 2 )   i m a g e s .   T h e   a l l o c a ti o n   o f   i n p u t   i m a g e s   t o   t h M I - C N m o d e i s   p e r f o r m e d   r a n d o m l y   a s   f o l lo w s :   8 0 %   o f   t h e   i m a g es   a r e   as s i g n e d   f o r   t r a i n i n g   a n d   t h e   r e m a i n i n g   2 0 %   a r e   r e s e r v e d   f o r   t e s t i n g   a n d   e v a l u a t io n .   T h e   p a r a m e t e r s   o f   t h e   M I - C N N   m o d e l   f o r   t h e   e x p e r i m e n t   a r l is t e d   i n   T a b l e   4 .   T h e   m i n i - b a tc h   s i z e   i s   c h o s e n   t o   b e   1 2 8 .   I f   t h e   v al u e   o f   t h e   m i n i - b a t c h   s i z e   is   t o o   s m a l l ,   t h e   n u m b e r   o f   i t e r a t i o n s   wi l l   i n c r e a s e ,   l e a d i n g   to   t h e   s t a te   o f   t h e   m o d e l   g r a d u a l l y   m o v i n g   f r o m   u n d e r f i t t i n g   t o   o p t i m al   a n d   t h en   o v e r f i t t i n g .   O n   t h c o n t r a r y ,   if   t h e   m i n i - b a t c h   s i ze   is   t o o   l a r g e ,   b u f f e r   m e m o r y   i s   n e e d e d   t o   s t o r e   t h e   t r a i n i n g   d a t a .   F u r t h e r m o r e ,   t o   v e r i f y   t h e f f e c t i v e n e s s   a n d   r e l i a b il i t y   o f   t h e   r e c o m m e n d e d   m o d e l ,   G a u s s i a n   n o is e   w as   a d d e d   t o   t h e   s i g n a ls   u s e d   f o r   t e s t i n g .   I n   t h i s   p a p e r ,   t h e   p r o p o s e d   m e t h o d   i s   t es te d     b y   c h a n g i n g   t h e   c o e f f i ci e n t s   L 1 ,   L 2   ( L 1   L 2 = 4 0   4 0 ,   6 0   6 0 ,   8 0   8 0 ,   a n d   1 0 0   1 0 0 ) ;   K   ( 1 ,   5 ,   1 0 ,   2 0 ,   a n d   3 0 ) ,     F   ( 3   3 ,   5   5 ,   7   7 ,   9   9 ,   a n d   1 1   1 1 ) ;   a n d   v a r y i n g   t h v a l u e   o f   =   0 . 0 0 1 ,   0 . 0 1 ,   a n d   0 . 1   o n   m a n y   s i g n a l s   w i t h   d i f f e r e n s i g n a l - to - n o is e   r at i o s ,   i n c l u d i n g   s i g n a l - to - n o is e   r at i o   ( S NR ) = - 1 0 ,   - 5 ,   0 ,   5 ,   1 0 ,   1 5 ,   a n d   2 0   d B   t o   s e le c t   t h o p t i m a l   p a r a m et e r   s e o f   t h e   m o d e l   b a s e d   o n   t h e   c r i t e r ia   o f   f au l t   c l ass i f i ca t i o n   ac c u r a c y   a n d   c l a s s i f ic a t i o n   t i m o f   a n   i m a g e   u s e d   f o r   m o d e l   t es t i n g .   A f t e r   s e l e ct i n g   t h e   o p tim a l   p a r a m e t e r   s et ,   w c o m p a r e   t h e   e le c t r i m o t o r   b e a r i n g   f a u l t   cl a s s i f ic a t i o n   a c cu r a c y   o f   t h e   p r o p o s e d   s o l u t i o n   u s i n g   t h e   p r o p o s e d   M I - C N N   m o d e l   w i t h   t h e   b as i C N m o d e l   a n d   c o m p a r e   t h e   r e s u l ts   o f   t h e   p r o p o s e d   s o l u ti o n   w i t h   o t h e r   w o r k s   u s i n g   2 - p h a s e   d at a   s u c h   as   [ 5 ]   a n d   [ 2 5 ]   u s i n g   t h e   s a m e   d a t a s e t ,   e x e c u t e d   o n   t h e   s a m e   h a r d w a r e   p l a t f o r m   ( I n t e l   ( R )   C o r i 7   2 . 9   G H z   C P U;     8   G B   R A M )   u s i n g   M A T L AB   s o f t w a r e   t o   h i g h l i g h t   t h e   e f f e ct iv e n e s s   o f   t h e   p r o p o s e d   m et h o d .       T ab le  4 .   Par am eter s   o f   th p r o p o s ed   MI - C NN   P a r a me t e r   V a l u e   I n p u t   i m a g e   s i z e   L1 × L2   M i n i b a t c h   S i z e   1 2 8   I n i t i a l Le a r n R a t e     Le a r n R a t e D r o p F a c t o r   0 . 1   V a l i d a t i o n P a t i e n c e   5   L2 R e g u l a r i z a t i o n   1e - 10   Ep o c h   10   Th e   n u m b e r   o f   k e r n e l s/ t h e   k e r n e l   si z e   p e r   c o n v o l u t i o n a l   l a y e r s   K / F   O p t i mi z e r   A d a m       4.   E XP E R I M E N T A L   RE SUL T S AN D I SC USS I O N   4 . 1 .     E v a lua t io n o f   t he  f a ult  identif ica t io n a cc ura cy   o f   t he  pro po s ed  M I - CN m o del w hen c ha ng ing   t he  ini t ia l t ra ini ng   ra t   I n   th is   ex p er im en t,  we  s elec ted   th p r o p o s ed   MI - C NN  m o d el  with   r an d o m   s et  o f   v alu es:  L 1 L 2   ( 4 0 × 4 0 ) ,   K   ( 5 ) ,   ( 7 × 7 )   an d   v ar ied   th lear n in g   r ate    ( 0 . 0 0 1 ,   0 . 0 1 ,   an d   0 . 1 ) .   T h e   in p u t   d at co n s is ted   o f   two - p h ase  m o to r   cu r r en s ig n als  with   ad d ed   Gau s s ian   n o is at  d if f er en SNR   v alu es.  Fi g u r 6   s h o ws  th e   class if icatio n   ac cu r ac y   o f   m o to r   b ea r in g   f a u lts   u s in g   th p r o p o s ed   MI - C NN  m o d el  with   two - p h ase  m o to r   cu r r en t   s ig n als  at  a n   SNR   o f   2 0   d B ,   test ed   at  th r ee   d if f er e n in itial  lear n in g   r ates  with   =   0 . 1   i n   Fig u r e   6 ( a) ,   =   0 . 0 1   in   Fig u r e   6 ( b ) ,   an d   =   0 . 0 0 1   in   Fig u r e   6 ( c ) .   T h e   ex p er i m en was  r e p ea ted   u s in g   d if f er en SNR   v alu es a n d   th r esu lts   o f   th b ea r in g   b r ea k d o wn   d iag n o s is   ac cu r ac y   an d   t h tim to   class if y   s in g le  im ag f o r   v ar y in g   in itial lea r n in g   r ates a r p r esen ted   in   T ab le  5   an d   T a b le  6 ,   r esp ec tiv ely .   T ab le  5   d em o n s tr ates  th at  with   th p r o p o s ed   MI - C NN,   th m o r th tr ain in g   r ate  is   r ed u ce d ,   th e   m o r th e   f a u lt  class if icatio n   ac cu r ac y   i n cr ea s es,  an d   th e   h ig h est  ac cu r ac y   is   ac h iev e d   a th r ate   o f   0 . 0 0 1   am o n g   th e   th r ee   r ate  v alu es  u s ed   f o r   ex p er im en ts   at  all  ex p er im en tal  s ig n als  with   d if f er e n SNR   v alu es.  T h is   alig n s   with   th eo r etica ex p ec tatio n s ,   wh er lear n in g   r ate  t h at  is   to o   h ig h   m ay   ca u s th m o d el  to   co n v er g e   to o   q u ick ly   to   s u b o p tim al  s o lu tio n ,   wh ile  lear n in g   r ate  th at  is   to o   lo ca n   ca u s th tr ain in g   p r o ce s s   to   s tall.  H o wev er ,   ac co r d in g   to   T ab le  6 ,   d ec r ea s in g   th tr ain i n g   r ate  will   r esu lt  in   th lo n g er   tim n ee d ed   t o   class if y   s in g le  in p u t   im ag e   d u r in g   test in g   a n d   m o d el  e v alu atio n .   T o   b alan ce   b etwe en   f au lt  class if icatio n   ac cu r ac y   an d   ex ec u tio n   tim e,   we  ch o o s =   0 . 0 0 1   f o r   t h p r o p o s ed   MI - C NN  m o d el.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   2 Ap r il   20 25 1 6 5 6 - 1 6 6 9   1662   T ab le  5 .   Fau lt c lass if icatio n   ac cu r ac y   with   d i f f er en t i n itial lea r n in g   r ates   Th e   i n i t i a l   l e a r n i n g   r a t e s   Th e   f a u l t   c l a ss i f i c a t i o n   a c c u r a c y   ( %)  w i t h   t h e   n o i se - a d d i n g   si g n a l   a t   t h e   d i f f e r e n t   S N R   2 0   d B   1 5   d B   1 0   d B   5   d B   0   d B   - 5   d B   - 1 0   d B   0 . 1   3 3 . 6 0   3 3 . 5 5   3 3 . 5 0   3 3 . 5 0   3 3 . 5 0   3 3 . 4 5   3 3 . 3 0   0 . 0 1   8 0 . 6 0   7 6 . 8 3   6 7 . 7 3   5 4 . 6 0   4 4 . 6 8   3 8 . 3 0   3 3 . 5 0   0 . 0 0 1   9 1 . 5 0   8 4 . 4 0   7 1 . 3 0   5 9 . 4 4   5 0 . 2 0   4 6 . 8 0   4 6 . 7 0       T ab le  6 .   C lass if icatio n   tim p er   im ag with   d if f er en t in itial l ea r n in g   r ates   Th e   i n i t i a l     l e a r n i n g   r a t e s   N u mb e r   o f   i m a g e s     t o   b e   c l a ss i f i e d   Th e   t o t a l   w e i g h t   ( w i t h   L 1 × L2 = 40 × 4 0 ,   K = 5 ,   F = 7 × 7)   Ti me   t o   c l a s si f y     1   i ma g e   ( ms)   0 . 1   9 6 0 0   5 9 2 4 3   3 . 1 1 ± 0 . 3   0 . 0 1   9 6 0 0   5 9 2 4 3   3 . 1 5 ± 0 . 3   0 . 0 0 1   9 6 0 0   5 9 2 4 3   3 . 1 9 ± 0 . 3             ( a)   ( b )   ( c)     Fig u r 6 .   T h f au lt c lass if icatio n   ac cu r ac y   o f   th p r o p o s ed   MI - C NN  m o d el  with   d if f er e n t   in itial tr ain in g   r ates,  ex p er im en t w ith   th e   2 0   d B   SNR   s ig n al   ( a)   =   0 . 1 ,   ( b )   =   0 . 0 1 ,   an d   ( c)   =   0 . 0 0 1       4 . 2 .     E v a lua t io o f   t he  f a ult  ide ntif ica t io a cc ura cy   o f   t he  pro po s ed  M I - CNN   m o del  when  v a ry ing   nu m bers o f   k er nels   I n   th is   ex p er im en t,  we  s elec ted   th p r o p o s ed   MI - C NN  m o d el  with   r an d o m   s et  o f   v alu e s L 1 × L 2   ( 6 0 × 6 0 ) ,   ( 5 × 5 ) ,     ( 0 . 0 0 1 )   an d   v ar ied   th v al u es  o f   1 ,   5 ,   1 0 ,   2 0 ,   an d   3 0 .   T h in p u d at co n s is ted   o f     two - p h ase  m o to r   cu r r e n s ig n als  with   ad d ed   Gau s s ian   n o is at  d if f er en t   SNR   v alu es.  Fig u r 7   illu s tr ates  th e   class if icatio n   ac cu r ac y   o f   m o to r   b ea r in g   f a u lts   f o r   f iv d if f er en k er n el  q u an titi es  p er   co n v o lu ti o n al  lay er   u s in g   th e   p r o p o s ed   MI - C NN  m o d el  u s in g   two - p h ase  m o to r   cu r r e n s ig n als  at   an   SNR   o f   1 5   d B   with   K = 1 ,   5 ,   1 0 ,   2 0 ,   3 0   in   Fig u r es  7 ( a)   to   7 ( e)   r esp ec tiv ely .   T h e x p er im en was  r ep ea ted   u s in g   o th er   SNR   v alu es  an d   th r esu lts   o f   class if icatio n   ac cu r a cy   an d   th tim ta k en   t o   class if y   s in g le  im a g with   v ar y in g   k er n el  q u a n titi es  ar p r esen ted   in   T ab les 7   an d   8 ,   r esp ec tiv ely .   Acc o r d in g   to   T a b le  7 ,   th p r o p o s ed   MI - C NN  m o d el  with   1   k er n el  p er   co n v o lu tio n al  la y er   h as  th e   lo west  clas s if icatio n   ac cu r ac y .   T h ac cu r ac y   is   s ig n if ican tly   im p r o v ed   if   we  u s lar g er   k er n el  n u m b er   p er   co n v o l u tio n al  la y er   s u c h   as  5 ,   1 0 ,   2 0   an d   th e   ac cu r ac y   is   m ax im ized   with   a   k er n el  n u m b er   o f   3 0   in   al l   ex p er im en tal  s ig n als.  T h is   alig n s   with   th eo r y ,   wh ich   s u g g e s ts   th at  in cr ea s in g   th n u m b er   o f   k er n els  allo ws  th C NN  m o d el  t o   lear n   d ee p er   s ig n al   f ea tu r es.  T h er ef o r e ,   th f au lt  class if icatio n   ac cu r ac y   is   s ig n if ican tly   in cr ea s ed .   Ho wev er ,   as  s h o w n   in   T a b le  8 ,   in cr ea s in g   t h n u m b er   o f   k er n els  in   ea ch   c o n v o lu tio n al  la y er   also   lead s   to   lar g er   n u m b er   o f   weig h ts   ( 4 4 6 8 3   f o r   t h m o d el   with   1   k er n el  v er s u s   5 2 3 2 0 3   f o r   th m o d el  with     3 0   k er n els),   r esu ltin g   in   lo n g er   class if icatio n   tim p er   im a g ( 2 . 5 8   ±   0 . 2   m s   v er s u s   6 . 7 9   ±   0 . 6   m s ) .   T ab les  7   an d   8   s h o th at  u s in g   5   k er n els  p er   lay er   y ield ed   o n ly   s lig h tly   lo wer   class if icatio n   ac c u r ac y   co m p ar ed   to   u s in g   3 0   k er n els ( 8 7 . 5 % v e r s u s   8 9 . 9 % with   an   SNR   o f   1 5   d B ) .   Ho wev er ,   th class if icatio n   tim p er   im a g f o r   th m o d el  with   5   k er n els  p er   co n v o l u tio n al  lay er   was  s ig n if ican tly   r ed u ce d   co m p ar e d   to   th m o d el  with   3 0   k er n els,  d u to   th m u ch   lo w er   to tal  n u m b er   o f   weig h ts   ( 6 4 2 0 3   v er s u s   5 2 3 2 0 3 ) .   T o   b al an ce   b etwe en   f au lt  class if icatio n   ac cu r ac y   an d   ex ec u tio n   tim e,   we   s elec K = 5   am o n g   th f iv k er n el  v alu es  u s ed   f o r   ex p er im en tatio n   f o r   th p r o p o s ed   MI - C NN  m o d el.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         I mp r o ve d   co n vo lu tio n a l n e u r a n etw o r k - b a s ed   b ea r in g   fa u l t d ia g n o s is   u s in g     ( Ha i D a n g   Hu u )   1663         ( a)   ( b )   ( c)             ( d )   ( e)     Fig u r 7 .   Fau lt c lass if icatio n   a cc u r ac y   o f   th MI - C NN  m o d e l w ith   v ar y in g   n u m b er s   o f   k er n els,  ex p er im en with   th 1 5   d B   SNR   s ig n al  ( a)   K= 1 ,   ( b )   K= 5 ,   ( c )   K= 1 0 ,   ( d )   K= 2 0 ,   an d   ( e)   K= 3 0       T ab le  7 .   Fau lt c lass if icatio n   ac cu r ac y   with   v a r y in g   n u m b er s   o f   k er n els   N u mb e r   o f   k e r n e l s   F a u l t   c l a ssi f i c a t i o n   a c c u r a c y   ( %) w i t h   t h e   n o i se - a d d i n g   s i g n a l   a t   t h e   d i f f e r e n t   S N R   2 0   d B   1 5   d B   1 0   d B   5   d B   0   d B   - 5   d B   - 1 0   d B   1   7 0 . 3 0   6 5 . 2 0   5 9 . 6 9   5 1 . 2 4   4 6 . 6 8   4 4 . 2 7   4 3 . 6 6   5   9 1 . 7 9   8 7 . 5 0   7 5 . 4 1   7 1 . 3 0   5 0 . 9 1   4 8 . 2 4   4 6 . 4 0   10   9 2 . 3 2   8 9 . 5 9   8 1 . 0 0   7 7 . 2 4   5 3 . 3 5   4 8 . 8 8   4 7 . 5 0   20   9 2 . 8 5   8 9 . 8 0   8 3 . 3 5   8 0 . 1 6   5 4 . 6 8   4 9 . 5 2   4 8 . 4 0   30   9 3 . 5 9   8 9 . 9 0   8 5 . 8 6   8 2 . 5 4   5 8 . 6 2   5 0 . 3 3   4 9 . 6 0       T ab le  8 .   C lass if icatio n   tim p er   im ag with   v a r y in g   n u m b er s   o f   k er n els   N u mb e r   o f   k e r n e l s / c o n v o l u t i o n a l   l a y e r s   N u mb e r   o f   i m a g e   t o   b e   c l a ss i f i e d   To t a l   w e i g h t     ( L1 × L2 = 6 0 × 6 0 ,   F = 5 × 5)   Ti me   t o   c l a s si f y     o n e   i ma g e   ( ms)   1   4 2 6 7   4 4 6 8 3   2 . 5 8 ± 0 . 2   5   4 2 6 7   6 4 2 0 3   3 . 3 5 ± 0 . 3   10   4 2 6 7   9 7 6 0 3   3 . 6 8 ± 0 . 3   20   4 2 6 7   3 2 2 4 0 3   5 . 8 2 ± 0 . 5   30   4 2 6 7   5 2 3 2 0 3   6 . 7 9 ± 0 . 6       4 . 3 .     E v a lua t io n o f   t he  f a ult  identif ica t io n a cc ura cy   o f   t he  M I - CNN  m o del w hen v a ry ing   kernel  s izes   I n   th is   ex p e r im en t,  we  s elec te d   th p r o p o s ed   MI - C NN  m o d el  with   th f o llo win g   p a r am et er s L 1 × L 2   ( 8 0 × 8 0 ) ,   ( 1 0 ) ,     ( 0 . 0 0 1 )   an d   v ar ied   th k er n el  s izes  o f   3 3 ,   5 × 5 ,   7 × 7 ,   9 × 9 ,   an d   1 1 × 1 1 .   T h in p u d at a   im ag co n s is ted   o f   two - p h as m o to r   cu r r en s ig n als  with   ad d ed   Gau s s ian   n o is at   d if f er en SNR   v alu es.  Fig u r 8   illu s tr ates  th cla s s if icatio n   ac cu r ac y   o f   m o to r   b ea r in g   f au lts   u s in g   th en h an ce d   C NN  m o d el  with   f iv d if f er en t   k er n el   s izes  p er   co n v o l u tio n al  lay e r ,   u s in g   two - p h ase  m o t o r   c u r r e n s ig n als  a an   SNR   o f   1 0   d B   with   F = 3 × 3 ,   5 × 5 ,   7 × 7 , 9 × 9 ,   an d   1 1 × 1 1   in   Fig u r es  8 ( a)   to   8 ( e)   r es p ec tiv ely .   T h e   ex p e r im en wa s   r ep ea t e d   with   o th er   SNR   v alu es,  an d   th r esu lts   f o r   class if icatio n   ac c u r ac y   an d   th tim to   class if y   s in g le  im ag with   d if f er en k er n el  s izes a r p r ese n ted   in   T ab les 9   an d   1 0 ,   r esp e ctiv ely .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   2 Ap r il   20 25 1 6 5 6 - 1 6 6 9   1664   T ab les  9   an d   1 0   d em o n s tr ate   th at,   with   th e   p r o p o s ed   m o d el,   in cr ea s in g   th e   k er n el  s ize  n o o n ly   r ed u ce s   th m alf u n ctio n   id e n tific atio n   ac cu r ac y   b u also   in cr ea s es  th to tal  weig h o f   th m o d el,   lead in g   to   a n   in cr ea s in   th tim r eq u ir ed   to   class if y   an   im ag in   all  ex p er im en tal  s ig n als.  Acc o r d in g   to   T ab les  9   an d   1 0 ,   we  ch o s t h k er n el   s ize  in   e ac h   co n v o l u tio n al  la y er   as   3 × 3   f o r   th e   s u g g ested   MI - C NN  m o d el  t o   r ea c h   t h e   h ig h est  ac cu r ac y   an d   en s u r e   th f astes im ag class if icatio n   tim co m p ar ed   to   th e   r em a in in g   k e r n el  s izes.  T h is   alig n s   with   th eo r y ,   wh ich   s u g g ests   th at  ch o o s in g   s m all  k er n el  s ize  will  ex tr ac h ig h ly   lo ca f ea tu r es,   d etec t sm all  f ea tu r es,  ex tr ac t d iv er s f ea tu r es,  b u s ef u l f o r   t h f o llo win g   lay er s ,   an d   s h ar weig h ts   well.       T ab le  9 .   Fau lt c lass if icatio n   ac cu r ac y   with   v a r y in g   k er n el  s izes   K e r n e l   si z e /   c o n v o l u t i o n a l   l a y e r s   F a u l t   c l a ssi f i c a t i o n   a c c u r a c y   ( %) w i t h   n o i s e - a d d i n g   s i g n a l   a t   d i f f e r e n t   S N R   v a l u e s   2 0   d B   1 5   d B   1 0   d B   5   d B   0   d B   - 5   d B   - 1 0   d B   3 × 3   9 5 . 7 2   9 1 . 1 2   8 7 . 6 0   7 3 . 3 4   6 2 . 3 5   5 7 . 9 2   5 2 . 1 6   5 × 5   9 4 . 7 2   8 8 . 8 9   8 6 . 7 0   7 2 . 2 8   6 0 . 2 3   5 6 . 2 8   5 1 . 2 1   7 × 7   9 3 . 5 1   8 5 . 3 0   8 0 . 8 0   7 0 . 1 0   5 9 . 2 0   5 5 . 7 8   5 0 . 8 7   9 × 9   9 1 . 1 4   8 4 . 4 8   7 9 . 1 0   6 8 . 8 2   5 8 . 9 0   5 4 . 3 2   5 0 . 3 3   11 × 11   8 9 . 3 5   8 2 . 2 3   7 5 . 9 0   6 6 . 4 7   5 7 . 5 7   5 3 . 6 6   4 8 . 9 0       T ab le  1 0 .   C lass if icatio n   tim p er   im ag with   v ar y in g   k er n el   s izes   K e r n e l   si z e / c o n v o l u t i o n a l   l a y e r s   N u mb e r   o f   i m a g e s     t o   b e   c l a ss i f i e d   To t a l   w e i g h t   ( w i t h   L 1 × L2 = 80 × 8 0 ,   K = 1 0 )   T i me   t o   c l a s si f y     o n e   i ma g e   ( ms)   3 3   2 4 0 0   1 4 8 4 8 3   3 . 6 4   ±   0 . 3   5 5   2 4 0 0   1 6 1 6 0 3   3 . 7 5   ±   0 . 3   7 7   2 4 0 0   1 8 1 2 8 3   3 . 9 2   ±   0 . 3   9 9   2 4 0 0   2 0 7 5 2 3   3 . 9 6   ±   0 . 5   11 11   2 4 0 0   2 4 0 3 2 3   3 . 9 9   ±   0 . 6             ( a)   ( b )   ( c)             (d )   (e )     Fig u r 8 .   Fau lt c lass if icatio n   a cc u r ac y   o f   th p r o p o s ed   MI - C NN  m o d el  with   v ar y in g   k er n el   s izes,  ev alu atio n   with   th 1 0   d B   SNR   s ig n al   ( a)   F=3 ×3 ,   ( b )   5 ×5 ,   ( c)   F=7 × 7 ,   ( d )   9 ×9 ,   an d   ( e)   F= 11 × 11   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         I mp r o ve d   co n vo lu tio n a l n e u r a n etw o r k - b a s ed   b ea r in g   fa u l t d ia g n o s is   u s in g     ( Ha i D a n g   Hu u )   1665   4 . 4 .     E v a l u a t i o n   o f   t h e   f a ul t   i de n t if i c a t i o n   a c c ur a c y   o f   t h e   M I - C N N   mo d e l   w h en   v a r y in g   i np u t   d a t a   s i z es   I n   th is   ex p er im e n t,  we  s elec ted   th C NN  m o d el  with   F = 11 × 1 1 ,   K = 1 ,   =0 . 0 0 1   an d   v ar y in g   th e   L1 × L 2   v alu es o f   4 0 × 4 0 ,   6 0 × 6 0 ,   8 0 × 8 0 ,   an d   1 0 0 × 1 0 0   with   in p u t d a ta  co n s is tin g   o f   two - p h ase  m o to r   cu r r e n t   s ig n als  with   ad d ed   Gau s s ian   n o is at  d if f er en SNR   v alu e s .   Fig u r 9   s h o ws  th cla s s if i ca tio n   ac cu r ac y   o f   m o to r   b ea r in g   f au lts   f o r   f iv d if f er en in p u d ata  s izes  u s in g   th p r o p o s ed   MI - C NN  m o d el  u s in g   two - p h ase  m o to r   cu r r en s ig n als  at  an   SNR   o f   0   d B   with   L 1 × L2 = 40 × 4 0 ,   6 0 × 6 0 ,   8 0 × 8 0 ,   an d   1 0 0 × 1 0 0   i n     Fig u r es  9 ( a)   to   9 ( d )   r esp ec tiv ely .   T h e   ex p er im en t   was  r ep ea ted   with   o t h er   SNR   v alu es   an d   th e   r esu lts   f o r   class if icatio n   ac cu r ac y   an d   th tim to   class if y   s in g le  im a g with   d if f e r en in p u d ata  s i ze s   ar p r esen ted   in   T ab les 1 1   an d   1 2 ,   r esp ec tiv ely .     4 . 5 .     F a ult  c la s s if ica t io n a cc ura cy   co m pa riso n o f   pro po s ed  M I - CNN  m o del a nd   ba s ic  CNN   m o del   I n   th is   e x p er im e n t,  we   u s ed   t h p r o p o s ed   MI - C NN  m o d el  w ith   two - p h ase  m o to r   c u r r en t   s ig n als  an d   th b asic  C NN  m o d el   with   s ig n als  f r o m   p h ase  1   o r   p h ase  2 .   T h e   p ar am eter s   f o r   th C NN  m o d el   ar d etailed   in   T ab le  1 3 .   W ith   an   in p u i m ag s ize  o f   8 0 × 8 0 ,   ea ch   b ea r in g   co d i n   T ab le  3   h as  2 5 . 6 0 0 . 0 0 0 /6 4 0 0 =4 0 0 0   im ag es,  with   3 2 0 0   im ag es   u s ed   f o r   tr ai n in g   an d   8 0 0   im ag es  u s ed   f o r   test in g .   E x p e r i m e n ts   w er e   c o n d u cte d   wit h   b o th   m o d e ls   u s i n g   d at w ith   a n d   w it h o u t   Ga u s s i a n   n o is e ,   a SNR   le v els o f   2 0 ,   1 5 ,   1 0 ,   5 ,   0 ,   - 5 ,   a n d   - 1 0   d B   an d   c o m p a r ed   t h e   a cc u r ac y   a n d   class if ica ti o n   t im o f   t h t wo   m o d els .                   Fig u r 9 .   Fau lt c lass if icatio n   a cc u r ac y   o f   th p r o p o s ed   MI - C NN  m o d el  with   d if f e r en t in p u t   im ag s izes,  ex p er im en t w ith   th e   0   d B   SN R   s ig n al   ( a)   L 1 ×L 2 = 4 0 ×4 0 ,   ( b )   ( b )   L 1 ×L 2 = 6 0 ×6 0 ,   ( c)   L 1 ×L 2 =8 0 ×8 0 ,   an d     ( d )   L 1 × L 2 =1 0 0 ×1 0 0       T ab le  1 1 .   Fau lt c lass if icatio n   ac cu r ac y   with   v a r y in g   in p u t im ag s izes   I n p u t   i m a g e   s i z e   F a u l t   c l a ssi f i c a t i o n   a c c u r a c y   ( %) w i t h   n o i s e - a d d i n g   s i g n a l   a t   d i f f e r e n t   S N R   v a l u e s   2 0   d B   1 5   d B   1 0   d B   5   d B   0   d B   - 5   d B   - 1 0   d B   40 40   8 1 . 2 2   7 2 . 3 8   6 6 . 2 2   6 0 . 9 4   5 4 . 3 0   4 8 . 4 0   4 4 . 8 0   60 60   7 2 . 0 5   6 6 . 8 2   5 9 . 1 9   5 2 . 4 8   4 8 . 6 0   4 6 . 3 7   4 2 . 8 5   80 80   8 1 . 9 6   8 0 . 2 0   7 4 . 4 0   6 4 . 6 7   5 5 . 9 0   4 9 . 7 9   4 7 . 8 2   1 0 0 1 0 0   7 9 . 8 0   7 6 . 4 4   6 2 . 0 8   5 6 . 3 4   5 1 . 5 0   4 7 . 1 8   4 4 . 6 8       T ab le  1 2 .   C lass if icatio n   tim p er   im ag with   v ar y in g   in p u t i m ag s izes   I n p u t   i m a g e   s i z e   N u mb e r   o f   i m a g e t o   b e   c l a ss i f i e d   To t a l   w e i g h t   ( w i t h   F = 1 1 1 1 ,   K = 1 )   Ti me   t o   c l a s si f y   o n e   i m a g e   ( ms)   40 40   9 6 0 0   4 3 6 4 3   1 . 2 3   ±   0 . 1   60 60   4 2 6 7   4 5 6 4 3   2 . 5 0   ±   0 . 2   80 80   2 4 0 0   5 2 0 4 3   3 . 4 0   ±   0 . 3   1 0 0 1 0 0   1 5 3 6   5 6 4 4 3   6 . 3 9   ±   0 . 6       T ab le  1 3 .   Par a m eter s   o f   p r o p o s ed   MI - C NN  m o d el   P a r a me t e r   V a l u e   P a r a me t e r   V a l u e   I n p u t   i m a g e   s i z e   80 80   L2 R e g u l a r i z a t i o n   1e - 10   M i n i b a t c h   s i z e   1 2 8   Ep o c h   10   I n i t i a l Le a r n R a t e   0 . 0 0 1   N u mb e r   o f   k e r n e l s / K e r n e l   si z e   i n   c o n v o l u t i o n a l   l a y e r s   5 / 3 3   Le a r n R a t e D r o p F a c t o r   0 . 1   O p t i mi z e r   A d a m   V a l i d a t i o n P a t i e n c e   5   N u mb e r   o f   c o n v o l u t i o n a l   l a y e r s   5       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.