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Python基于交互注意力的深度时空网络融合多源信息的剩余寿命预测方法

article 2025/3/5 3:10:03

基于交互注意力的深度时空网络融合多源信息的剩余寿命预测方法

一、方法框架设计

本方法的核心思想是通过交互注意力机制动态捕捉多源数据间的跨模态关联，并结合深度时空网络建模序列的时空退化特征。

1. 多源特征编码器

输入：传感器数据、工况参数、历史维护记录等多源异构数据
处理方式：
- 数值型数据：1D卷积+时间池化提取局部时序特征
- 类别型数据：Embedding层映射为低维向量
- 文本数据：BiLSTM提取语义特征
数学表达：
$H_i = \text{Encoder}_i(X_i), \quad i=1,2,...,N$

其中 $X_i \in \mathbb{R}^{T \times d_i}$ 表示第i个数据源的时序输入， $H_i \in \mathbb{R}^{T \times h}$ 为统一维度编码结果。

2. 交互注意力融合模块

采用双向交叉注意力实现多源信息交互：
python
class CrossAttention(nn.Module):
def init(self, dim):
super().init()
self.query = nn.Linear(dim, dim)
self.key = nn.Linear(dim, dim)
self.value = nn.Linear(dim, dim)

def forward(self, x1, x2):
    Q = self.query(x1)  # [B,T,D]
    K = self.key(x2)    # [B,T,D]
    V = self.value(x2)
    attn = torch.softmax(Q @ K.transpose(1,2) / np.sqrt(D), dim=-1)
    return attn @ V

3. 深度时空网络

结合空洞因果卷积与图卷积的混合结构
$Z_t = \text{ReLU}(\text{GraphConv}(H_t) + \text{DilatedConv}(Z_{t-1}))$

其中图卷积捕捉设备组件间的拓扑关系，空洞卷积建模长程时序依赖。

二、关键技术实现

1. 交互注意力计算

采用改进的多头交叉注意力：
$\text{MultiHead}(Q,K,V) = \text{Concat}(\text{head}_1,...,\text{head}_h)W^O$

每个注意力头的计算：
$\text{head}_i = \text{Attention}(QW_i^Q, KW_i^K, VW_i^V)$

2. 时空特征融合

设计门控融合机制动态调整时空权重：
$\sigma(W_g [Z_{spa}; Z_{temp}])$

$Z_{fusion} = g \odot Z_{spa} + (1-g) \odot Z_{temp}$

其中 $Z_{spa}$ 为空间特征， $Z_{temp}$ 为时间特征， $\sigma$ 为sigmoid函数。

三、Python代码框架

python
import torch
import torch.nn as nn

class MultiSourceEncoder(nn.Module):
def init(self, input_dims, hidden_dim):
super().init()
self.encoders = nn.ModuleList([
nn.Sequential(
nn.Conv1d(dim, hidden_dim, 3, padding=1),
nn.ReLU(),
nn.MaxPool1d(2)
) for dim in input_dims
])

def forward(self, x_list):
    return [enc(x) for enc, x in zip(self.encoders, x_list)]

class InteractiveAttention(nn.Module):
def init(self, dim, num_heads=4):
super().init()
self.mha = nn.MultiheadAttention(dim, num_heads)

def forward(self, src_features, tgt_features):
    attn_output, _ = self.mha(
        query=src_features, 
        key=tgt_features,
        value=tgt_features
    )
    return attn_output

class SpatioTemporalNet(nn.Module):
def init(self, input_dim, num_nodes):
super().init()
self.graph_conv = GraphConv(input_dim, 64, num_nodes)
self.temporal_conv = nn.Sequential(
nn.Conv1d(64, 64, 3, dilation=2, padding=2),
nn.ReLU(),
nn.BatchNorm1d(64)
)

def forward(self, x):
    x_spa = self.graph_conv(x)  # [B,T,N,D]
    x_temp = self.temporal_conv(x) 
    return x_spa + x_temp

class RULPredictor(nn.Module):
def init(self, input_dims, output_dim):
super().init()
self.encoder = MultiSourceEncoder(input_dims, 64)
self.cross_attn = InteractiveAttention(64)
self.st_net = SpatioTemporalNet(64, num_nodes=8)
self.regressor = nn.Sequential(
nn.Linear(64*8, 32),
nn.ReLU(),
nn.Linear(32, output_dim)
)

def forward(self, x_list):
    encoded = self.encoder(x_list)
    fused = self.cross_attn(encoded[0], encoded[1])
    st_feat = self.st_net(fused)
    return self.regressor(st_feat.view(st_feat.size(0), -1))

四、实验设置建议

数据集：推荐使用NASA C-MAPSS数据集（包含4个子集，不同工况组合）
评估指标：
- RMSE: $\sqrt{\frac{1}{N}\sum_{i=1}^N (y_i - \hat{y}_i)^2}$
- Scoring Function: $\sum_{i=1}^N (e^{\alpha |y_i - \hat{y}_i|} - 1)$ , 其中α=1/13当预测过早，α=1/10当预测过晚
训练策略：
- 优化器：AdamW (lr=1e-3, weight_decay=1e-4)
- 正则化：Dropout=0.2, Label Smoothing=0.1
- 早停策略：验证集损失连续5个epoch不下降时终止