Semi-supervised gearbox fault diagnosis under variable working conditions based on masked contrastive learning

ZHANG Huiyun; ZUO Fangjun; LI Hang; YU Xi

doi:DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.06.009

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Semi-supervised gearbox fault diagnosis under variable working conditions based on masked contrastive learning

·Vibration·Noise·Monitoring·Diagnosis· | 更新时间：2025-06-09

- Semi-supervised gearbox fault diagnosis under variable working conditions based on masked contrastive learning
- Journal of Mechanical Strength Vol. 47, Issue 6, Pages: 72-81(2025)
- 作者机构：
  
  1.成都工业学院智能制造学院，成都 610031
  2.四川大学机械工程学院，成都 610065
- 作者简介：
  
  ZUO Fangjun, E-mail: 448613724@qq.com
- 基金信息：
  
  Sichuan Provincial Natural Science Foundation(24NSFSC1295)
- DOI：DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.06.009
  CLC： TH165⁺.3;TP18
- Received：24 July 2024，
  
  Revised：04 November 2024，
  
  Published：15 June 2025
- 稿件说明：
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张慧云，左芳君，李航，等. 基于掩码对比学习的半监督齿轮箱变工况故障诊断［J］. 机械强度，2025，47（6）：72-81.

ZHANG Huiyun，ZUO Fangjun，LI Hang，et al. Semi-supervised gearbox fault diagnosis under variable working conditions based on masked contrastive learning［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（6）：72-81.
张慧云，左芳君，李航，等. 基于掩码对比学习的半监督齿轮箱变工况故障诊断［J］. 机械强度，2025，47（6）：72-81. DOI： DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.06.009.

ZHANG Huiyun，ZUO Fangjun，LI Hang，et al. Semi-supervised gearbox fault diagnosis under variable working conditions based on masked contrastive learning［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（6）：72-81. DOI： DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.06.009.

摘要

针对实际工程中变工况齿轮箱故障样本标注困难且数据分布差异显著，导致故障诊断模型精度降低的问题，提出了一种基于掩码对比学习的半监督齿轮箱变工况故障诊断方法。首先，利用随机掩码隐藏无标签数据集中部分信息，为每个无标签样本生成两个不同掩码实例；其次，采用动态卷积神经网络对掩码实例动态加权聚合，实现对不同掩码实例判别性特征建模；然后，构建对比学习框架，以最大化不同掩码实例特征间的相似性为优化目标，通过增强掩码视角实例对的特征表示一致性，降低模型对标签的依赖；最后，在微调阶段引入域条件特征校正策略生成目标域特征修正量，并根据最小化域间特征分布差异性度量对齐源域特征和目标域修正特征，显式地减少由于工况变化引起的域间分布差异。通过齿轮箱变工况故障数据集进行验证，证明了所提方法的有效性。

Abstract

To address the problem that it is difficult to label variable working condition gearbox fault samples and the significant data distribution discrepancies in practical engineering

which result in reduced accuracy of fault diagnosis models

a semi-supervised gearbox fault diagnosis method based on masked contrastive learning is proposed. Firstly

a random mask was used to hide part of the information in the unlabeled dataset

generating two different masked instances for each unlabeled sample. Secondly

a dynamic convolutional neural network was employed to dynamically weight and aggregate the masked instances

enabling discriminative feature modeling of different masked instances. Then

a contrastive learning framework was constructed with the optimization goal of maximizing the similarity between features of different masked instances. By enhancing the consistency of feature representations of masked instance pairs

the model's dependency on labels was reduced. Finally

during the fine-tuning phase

a domain-conditioned feature correction strategy was introduced to generate target domain feature corrections. By aligning source domain features and target domain corrected features according to the metric of minimizing domain feature distribution discrepancies

the method explicitly reduces the domain distribution differences caused by varying working conditions. Validation on a variable working condition gearbox fault dataset demonstrates the effectiveness of the proposed method.

关键词

Keywords

references

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