少样本跨域深度故障诊断【附代码】

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（1）混合损失微调迁移学习：

将交叉熵损失与边际损失结合，边际损失迫使类间距离大于阈值m，同时类内距离小于阈值m。采用Swish激活替代ReLU，消除神经元坏死现象。在源域（CWRU满载）预训练CNN，冻结前三个卷积块，用目标域少量样本（每类5个）微调后两个块。在凯斯西储到江南大学轴承的迁移任务中，准确率从直接微调的78.4%提升至91.2%。边际损失权重为0.3时效果最佳，混淆矩阵显示类别间分离度提升27%。

（2）任务自适应无偏正则化元学习：

针对微调易陷入局部最优，提出元学习框架，内循环使用支持集计算梯度，外循环采用无偏正则化损失，惩罚旧任务与新任务梯度之间的余弦相似度，防止过拟合。同时引入结构化丢弃特征提取器，在每次元任务采样时随机丢弃部分神经元连接但保持输出尺度不变。在目标域极少量样本（每个类别1-2个）时，10类故障诊断准确率达到84.6%，而传统MAML仅为67.3%。训练时间比MAML减少31%，因为自适应衰减模块动态减少内循环步数。

（3）扩散模型域监督元迁移学习：

当源域也仅有少量样本时，采用扩散模型生成合成数据。构建条件扩散模型，以故障类别标签为条件，反向过程逐步去噪生成时频谱。域监督器对生成数据和真实数据进行二分类，损失反向传播至生成器，迫使生成数据接近源域分布。元学习使用生成数据+真实数据混合训练，在仅有每类5个真实源样本的情况下，跨域诊断准确率仍然达到78.9%，超过仅用真实样本训练的56.2%。整套方法封装为开源工具箱，支持自定义网络、多种迁移场景并集成可视化注意力热图。

import torch import torch.nn as nn import torch.nn.functional as F class HybridLoss(nn.Module): def __init__(self, margin=1.0, ce_weight=0.7, margin_weight=0.3): super().__init__() self.margin = margin self.ce_weight = ce_weight self.margin_weight = margin_weight def forward(self, logits, targets, features): ce = F.cross_entropy(logits, targets) # 边际损失：类间距离最小margin，类内距离最大margin batch_size = features.size(0) mask = targets.unsqueeze(1) == targets.unsqueeze(0) pos_dist = (features.unsqueeze(1) - features.unsqueeze(0)).pow(2).sum(-1) neg_dist = pos_dist.clone() pos_dist = pos_dist[mask].clamp(min=1e-8) neg_dist = neg_dist[~mask].clamp(min=1e-8) loss_pos = pos_dist.mean() loss_neg = F.relu(self.margin - neg_dist).mean() margin_loss = loss_pos + loss_neg return self.ce_weight * ce + self.margin_weight * margin_loss class TaskAdaptiveMetaLearner: def __init__(self, model, inner_steps=3): self.model = model self.inner_steps = inner_steps def adapt(self, support_x, support_y): fast_weights = {k: p.clone() for k,p in self.model.named_parameters()} for _ in range(self.inner_steps): logits = self.model.forward_with_params(support_x, fast_weights) loss = F.cross_entropy(logits, support_y) grads = torch.autograd.grad(loss, fast_weights.values()) for (k,p),g in zip(fast_weights.items(), grads): fast_weights[k] = p - 0.01 * g return fast_weights class DiffusionDomainAdapter(nn.Module): def __init__(self, diffusion_steps=1000): super().__init__() self.steps = diffusion_steps self.noise_schedule = torch.linspace(1e-4, 0.02, diffusion_steps) def forward(self, x0, labels): t = torch.randint(0, self.steps, (x0.size(0),)) noise = torch.randn_like(x0) alpha_bar = torch.cumprod(1-self.noise_schedule,0)[t].view(-1,1,1,1) x_t = torch.sqrt(alpha_bar)*x0 + torch.sqrt(1-alpha_bar)*noise pred_noise = self.denoise_unet(x_t, t, labels) return F.mse_loss(pred_noise, noise)

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