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论文编号 202603-148
论文题目 LS-DDPM:一种面向小样本轴承故障诊断的振动信号生成方法
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LS-DDPM:一种面向小样本轴承故障诊断的振动信号生成方法

首发时间:2026-03-17

马文龙 1   

马文龙(2000-),男,硕士研究生,主要研究方向:信号处理与机器学习

刘晓凯 2    方可欣 2    赵成林 1    许方敏 1   

许方敏(1982-),男,副教授,主要研究方向:工业互联网关键技术

  • 1、北京邮电大学信息与通信工程学院,Beijing 100876
  • 2、北京信息科技大学机电工程学院,北京 102206

摘要:工业现场普遍面临轴承故障样本稀缺、工况分布复杂和信号跨尺度特征显著等挑战,导致数据驱动的故障诊断模型难以获得稳定可靠的性能。为克服现有生成模型长程谐波结构建模能力不足、瞬态冲击细节丢失及训练不稳定等问题,提出一种面向小样本场景的振动信号生成方法 LS-DDPM。该方法基于扩散模型的逐步去噪生成机制,引入包含大核深度感知(LKP)与小核局部聚合(SKA)的LSBlock,并构建LS-UNet作为去噪网络,使模型能够同时重建振动信号中的长程周期调制结构与瞬态冲击细节;同时结合条件注入与分类器自由引导策略,实现生成过程的类别控制,从而为稀缺故障模式定向生成高保真样本。在PU与CWRU公共轴承数据集上的实验结果表明,LS-DDPM生成的信号在时域纹理、频域谐波成分及能量分布等特征上均与真实样本高度一致,相关统计指标显著优于DDPM、DCGAN、PDA-WGANGP与CVAE-GAN等主流生成模型。在小样本故障诊断任务中,利用LS-DDPM扩增后的数据可有效提升AA-CNN、ISONet和ResNet模型的分类性能。研究表明,LS-DDPM 能够在小样本条件下有效恢复振动信号的关键工程特征,为滚动轴承故障诊断提供一种高保真、可控且适用于实际工况的数据生成方案。

关键词: 人工智能 滚动轴承 扩散模型 小样本学习 振动信号生成 故障诊断

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LS-DDPM: A Vibration Signal Generation Method for Small-Sample Bearing Fault Diagnosis

Ma Wenlong 1   

马文龙(2000-),男,硕士研究生,主要研究方向:信号处理与机器学习

Liu Xiaokai 2    Fang Kexin 2    Zhao Chenglin 1    Xv Fangmin 1   

许方敏(1982-),男,副教授,主要研究方向:工业互联网关键技术

  • 1、School of Information and Communication Engineering, Beijing University of Post and Technology, Beijing 100876
  • 2、School of Mechanical and Electrical Engineering,Beijing Information Science and Technology University, Beijing 102206

Abstract:Industrial settings commonly face challenges such as scarcity of bearing fault samples, complex distribution of working conditions, and significant cross-scale signal characteristics, making it difficult for data-driven fault diagnosis models to achieve stable and reliable performance. To overcome the shortcomings of existing generative models in modeling long-range harmonic structures, capturing transient impact details, and maintaining training stability, a vibration signal generation method named LS-DDPM is proposed for small-sample scenarios. Based on the stepwise denoising generation mechanism of diffusion models, this method introduces the LSBlock, which incorporates a Large-Kernel Perception (LKP) module and a Small-Kernel Aggregation (SKA) module. An LS-UNet is constructed as the denoising network, enabling the model to simultaneously reconstruct long-range periodic modulation structures and transient impact details in vibration signals. Furthermore, by integrating conditional injection and classifier-free guidance strategies, the method achieves category control during the generation process, thereby producing high-fidelity samples for scarce fault modes in a targeted manner. Experimental results on public bearing datasets PU and CWRU demonstrate that the signals generated by LS-DDPM exhibit high consistency with real samples in terms of time-domain textures, frequency-domain harmonic components, and energy distribution. Relevant statistical metrics significantly outperform mainstream generative models such as DDPM, DCGAN, PDA-WGANGP, and CVAE-GAN. In small-sample fault diagnosis tasks, data augmented with LS-DDPM effectively enhances the classification performance of models like AA-CNN, ISONet, and ResNet. The study indicates that LS-DDPM can effectively recover key engineering characteristics of vibration signals under small-sample conditions, providing a high-fidelity, controllable, and practically applicable data generation solution for rolling bearing fault diagnosis.

Keywords: rolling bearing diffusion model few-shot learning vibration signal generation fault diagnosis

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马文龙,刘晓凯,方可欣,等. LS-DDPM:一种面向小样本轴承故障诊断的振动信号生成方法[EB/OL]. 北京:中国科技论文在线 [2026-03-17]. https://www.paper.edu.cn/releasepaper/content/202603-148.

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