机器学习与Tensorflow（6）——LSTM的Tensorflow实现、Tensorboard简单实现、CNN应用

最近写的一些程序以及做的一个关于轴承故障诊断的程序

最近学习进度有些慢

而且马上假期

要去补习班

去赚下学期生活费

额。。。。

抓紧时间再多学习点

1.RNN递归神经网络Tensorflow实现程序

import os
os.environ['TF_CPP_MIN_LOG_LEVEL'] = '2'
import tensorflow as tf
from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data
#载入数据集
mnist = input_data.read_data_sets("MNIST_data/",one_hot=True)

# 输入图片是28*28
n_inputs = 28 #输入一行，一行有28个数据
max_time = 28 #一共28行
lstm_size = 100 #隐层单元
n_classes = 10 # 10个分类
batch_size = 50 #每批次50个样本
n_batch = mnist.train.num_examples // batch_size #计算一共有多少个批次

#这里的none表示第一个维度可以是任意的长度
x = tf.placeholder(tf.float32,[None,784])
#正确的标签
y = tf.placeholder(tf.float32,[None,10])

#初始化权值
weights = tf.Variable(tf.truncated_normal([lstm_size, n_classes], stddev=0.1))
#初始化偏置值
biases = tf.Variable(tf.constant(0.1, shape=[n_classes]))


#定义RNN网络
def RNN(X,weights,biases):
    # inputs=[batch_size, max_time, n_inputs]
    inputs = tf.reshape(X,[-1,max_time,n_inputs])
    #定义LSTM基本CELL
    lstm_cell = tf.contrib.rnn.core_rnn_cell.BasicLSTMCell(lstm_size)
    # final_state[0]是cell state
    # final_state[1]是hidden_state
    outputs,final_state = tf.nn.dynamic_rnn(lstm_cell,inputs,dtype=tf.float32)
    results = tf.nn.softmax(tf.matmul(final_state[1],weights) + biases)
    return results
    
    
#计算RNN的返回结果
prediction= RNN(x, weights, biases)  
#损失函数
cross_entropy = tf.reduce_mean(tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(logits=prediction,labels=y))
#使用AdamOptimizer进行优化
train_step = tf.train.AdamOptimizer(1e-4).minimize(cross_entropy)
#结果存放在一个布尔型列表中
correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(y,1),tf.argmax(prediction,1))#argmax返回一维张量中最大的值所在的位置
#求准确率
accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction,tf.float32))#把correct_prediction变为float32类型
#初始化
init = tf.global_variables_initializer()

with tf.Session() as sess:
    sess.run(init)
    for epoch in range(6):
        for batch in range(n_batch):
            batch_xs,batch_ys =  mnist.train.next_batch(batch_size)
            sess.run(train_step,feed_dict={x:batch_xs,y:batch_ys})
        
        acc = sess.run(accuracy,feed_dict={x:mnist.test.images,y:mnist.test.labels})
        print ("Iter " + str(epoch) + ", Testing Accuracy= " + str(acc))

2.关于Tensorboard的简单学习（以MNIST手写数据集程序为例）

import os
os.environ['TF_CPP_MIN_LOG_LEVEL'] = '2'
import tensorflow as tf
from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data
#载入数据集
mnist = input_data.read_data_sets('MNIST_data', one_hot=True)
#每个批次的大小（即每次训练的图片数量）
batch_size = 100
#计算一共有多少个批次
n_bitch = mnist.train.num_examples // batch_size
#参数概要
def variable_summaries(var):
    with tf.name_scope('summaries'):
        mean = tf.reduce_mean(var)
        tf.summary.scalar('mean', mean)  #平均值
        with tf.name_scope('stddev'):
            stddev = tf.sqrt(tf.reduce_mean(tf.square(var - mean)))
        tf.summary.scalar('stddev', stddev) #标准差
        tf.summary.scalar('max', tf.reduce_max(var))
        tf.summary.scalar('min', tf.reduce_min(var))
        tf.summary.histogram('histogram', var)#直方图
#定义一个命名空间
with tf.name_scope('input'):
    #定义两个placeholder
    x = tf.placeholder(tf.float32, [None, 784], name='x_input')
    y = tf.placeholder(tf.float32, [None, 10], name='y_input')
with tf.name_scope('layer'):
    #创建一个只有输入层（784个神经元）和输出层（10个神经元）的简单神经网络
    with tf.name_scope('weights'):
        Weights = tf.Variable(tf.zeros([784, 10]), name='w')
        variable_summaries(Weights)
    with tf.name_scope('biases'):
        Biases = tf.Variable(tf.zeros([10]), name='b')
        variable_summaries(Biases)
    with tf.name_scope('Wx_plus_B'):
        Wx_plus_B = tf.matmul(x, Weights) + Biases
    with tf.name_scope('softmax'):
        prediction = tf.nn.softmax(Wx_plus_B)
#二次代价函数
with tf.name_scope('loss'):
    loss = tf.reduce_mean(tf.square(y - prediction))
    tf.summary.scalar('loss', loss)
#使用梯度下降法
with tf.name_scope('train'):
    train_step = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.2).minimize(loss)
#初始化变量
init = tf.global_variables_initializer()
#结果存放在一个布尔型列表中
with tf.name_scope('accuracy'):
    with tf.name_scope('correct_prediction'):
        correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(y, 1), tf.argmax(prediction, 1)) #argmax返回一维张量中最大的值所在的位置，标签值和预测值相同，返回为True
#求准确率
    with tf.name_scope('correct_prediction'):
        accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, tf.float32)) #cast函数将correct_prediction的布尔型转换为浮点型，然后计算平均值即为准确率

#合并所有的summary
merged = tf.summary.merge_all()

#定义会话
with tf.Session() as sess:
    sess.run(init)
    writer = tf.summary.FileWriter('logs/', sess.graph)
    #将测试集循环训练50次
    for epoch in range(51):
        #将测试集中所有数据循环一次
        for batch in range(n_bitch):
            batch_xs, batch_ys = mnist.train.next_batch(batch_size)   #取测试集中batch_size数量的图片及对应的标签值
            summary,_= sess.run([merged, train_step], feed_dict={x:batch_xs, y:batch_ys})  #将上一行代码取到的数据进行训练
        writer.add_summary(summary, epoch)
        acc = sess.run(accuracy, feed_dict={x:mnist.test.images, y:mnist.test.labels})  #准确率的计算
        print('Iter : ' + str(epoch) + ',Testing Accuracy = ' + str(acc))

3. CNN应用——简单的轴承故障诊断模型

3.1数据来源及介绍

轴承、轴、齿轮是旋转机械重要组成部分，为了验证深度学习在旋转装备故障分类识别的有效性，

选取凯斯西储大学轴承数据库(Case Western Reserve University, CWRU)为验证数据。

轴承通过电火花加工设置成四种尺寸的故障直径，分别为0.007、0.014、0.021、0.028英寸。

实验中使用加速度传感器采集振动信号，传感器分别被放置在电机驱动端与风扇端。

由于驱动端采集到的振动信号数据全面，并且收到其他部件和环境噪声的干扰较少，选取驱动端采集的振动信号作为实验数据。

实验数据包括4种轴承状态下采集到的振动信号，分别为正常状态（Normal，N）、滚珠故障状态（Ball Fault，BF）、外圈故障状态（Outer Race Fault，ORF）以及内圈故障状态（Inner Race Fault，IRF），

每种状态下采集到的信号又按照故障直径与负载的大小进行分类，其中故障直径分别为0.007、0.014、0.021、0.028英寸，负载大小从0Hp-3Hp（1Hp=746W），对应转速为1797rpm、1772rpm、1750rpm、1730rpm。

选取CWRU数据集中采样频率为12k Hz的各个状态的样本，通过深度学习建立故障诊断模型，对电机轴承的四种故障进行分类识别。

由于负载的不同，转速不恒定，但采集的转速都在1800rpm左右，采样频率为12kHz，转轴转一圈，约采集400（60/1800*12000 = 400）个数据点。

由于采用原始数据切分方式，通常取稍微大于一个周期的点数比较合适，为了便于多层CNN网络的输入，以24*24=576点作为输入长度。

 

3.2 Matlab数据处理程序

clear all;
clc;
load DataSet;
[iType, iCondition] = size(A);
iExtSize = 24*24;
iSampleRate = 12000;
iTime = 10;
iOverlap = floor(iExtSize * 0.9);
iUCover = iExtSize - iOverlap;
iGetDataLen = iSampleRate*iTime + iExtSize;
iLen2 = floor((iGetDataLen-iExtSize)/iUCover) + 1;
iLen1 =  floor(iLen2/100)*100;
iGetDataLen = iLen1*iUCover + iExtSize;
fExtSamp = zeros(iType, iGetDataLen);
 
tmp = 0;
for jCnt = 1: iType
    str1 = sprintf('%03d',A(jCnt,1));
    szValName = strcat('X', str1, '_DE_time');
    eval(strcat('tmp=',szValName,';'));
    fExtSamp(jCnt,:) = tmp(1:iGetDataLen);
end
iLen = iLen1;
iSampSize = iLen * iType;
fData = zeros(iSampSize, iExtSize);
fLabel = zeros(iSampSize, 4);
 
for iCnt = 1:1:iLen
    iInterval = (iCnt -1)*iUCover + (1:1:iExtSize);
    for jCnt =1:1:iType
        fData((iCnt - 1)*iType + jCnt,:) = fExtSamp(jCnt, iInterval);
        if (jCnt ==1)
            fLabel((iCnt - 1)*iType + jCnt,:) = [1 0 0 0];
        end
        if (jCnt >=2 && jCnt<=5)
            fLabel((iCnt - 1)*iType + jCnt,:) = [0 1 0 0];
        end
        if (jCnt >=6 && jCnt<=9)
            fLabel((iCnt - 1)*iType + jCnt,:) = [0 0 1 0];
        end
        if (jCnt >=10)
            fLabel((iCnt - 1)*iType + jCnt,:) = [0 0 0 1];
        end
    end
end
save('DL_Data90.mat','fData', 'fLabel');  

3.3 CNN轴承故障诊断模型

import os
os.environ['TF_CPP_MIN_LOG_LEVEL'] = '2'
import numpy as np
import tensorflow as tf
from tensorflow.contrib import rnn
import matplotlib.pyplot as plt
 
nSampleSize = 20000     # 总样本数
nSig_dim = 576          # 单个样本维度
nLab_dim = 4            # 类别维度
 
learning_rate = 1e-3
batch_size = tf.placeholder(tf.int32, [])   # 在训练和测试，用不同的 batch_size
input_size = 24     # 每个时刻的输入维数为 24
timestep_size = 24  # 时序长度为24
hidden_size = 128   # 每个隐含层的节点数
layer_num = 3       # LSTM layer 的层数
class_num = nLab_dim       # 类别维数
 
def getdata(nSampSize=20000):
    # 读取float型二进制数据
    signal = np.fromfile('DLdata90singal.raw', dtype=np.float64)
    labels = np.fromfile('DLdata90labels.raw', dtype=np.float64)
    #由于matlab 矩阵写入文件是按照【列】优先, 需要按行读取
    mat_sig = np.reshape(signal,[-1, nSampSize])
    mat_lab = np.reshape(labels,[-1, nSampSize])
    mat_sig = mat_sig.T # 转换成正常样式 【样本序号，样本维度】
    mat_lab = mat_lab.T
    return mat_sig, mat_lab
 
def zscore(xx):
    # 样本归一化到【-1，1】，逐条对每个样本进行自归一化处理
    max1 = np.max(xx,axis=1)    #按行或者每个样本，并求出单个样本的最大值
    max1 = np.reshape(max1,[-1,1])  # 行向量 ->> 列向量
    min1 = np.min(xx,axis=1)    #按行或者每个样本，并求出单个样本的最小值
    min1 = np.reshape(min1,[-1,1])  # 行向量 ->> 列向量
    xx = (xx-min1)/(max1-min1)*2-1
    return xx
 
def NextBatch(iLen, n_batchsize):
    # iLen: 样本总数
    # n_batchsize: 批处理大小
    # 返回n_batchsize个随机样本（序号）
    ar = np.arange(iLen)    # 生成0到iLen-1，步长为1的序列
    np.random.shuffle(ar)   # 打乱顺序
    return ar[0:n_batchsize]
 
xs = tf.placeholder(tf.float32, [None, nSig_dim])
ys = tf.placeholder(tf.float32, [None, class_num])
keep_prob = tf.placeholder(tf.float32)
 
x_input = tf.reshape(xs, [-1, 24, 24])
 
# 搭建LSTM 模型
def unit_LSTM():
    # 定义一层 LSTM_cell，只需要说明 hidden_size
    lstm_cell = rnn.BasicLSTMCell(num_units=hidden_size, forget_bias=1.0, state_is_tuple=True)
    #添加 dropout layer, 一般只设置 output_keep_prob
    lstm_cell = rnn.DropoutWrapper(cell=lstm_cell, input_keep_prob=1.0, output_keep_prob=keep_prob)
    return lstm_cell
 
#调用 MultiRNNCell 来实现多层 LSTM
mLSTM_cell = rnn.MultiRNNCell([unit_LSTM() for icnt in range(layer_num)], state_is_tuple=True)
 
#用全零来初始化state
init_state = mLSTM_cell.zero_state(batch_size, dtype=tf.float32)
outputs, state = tf.nn.dynamic_rnn(mLSTM_cell, inputs=x_input,initial_state=init_state, time_major=False)
h_state = outputs[:, -1, :]  # 或者 h_state = state[-1][1]
 
#设置 loss function 和 优化器
W = tf.Variable(tf.truncated_normal([hidden_size, class_num], stddev=0.1), dtype=tf.float32)
bias = tf.Variable(tf.constant(0.1,shape=[class_num]), dtype=tf.float32)
y_pre = tf.nn.softmax(tf.matmul(h_state, W) + bias)

#损失和评估函数
cross_entropy = tf.reduce_mean(tf.reduce_sum(-ys*tf.log(y_pre),reduction_indices=[1]))
train_op = tf.train.AdamOptimizer(learning_rate).minimize(cross_entropy)
correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(y_pre,1), tf.argmax(ys,1))
accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, tf.float32))
 
 
mydata = getdata()
iTrainSetSize =  np.floor(nSampleSize*3/4).astype(int) # 训练样本个数
iIndex = np.arange(nSampleSize) # 按照顺序，然后划分训练样本、测试样本
train_index = iIndex[0:iTrainSetSize]
test_index = iIndex[iTrainSetSize:nSampleSize]
 
train_data = mydata[0][train_index]     # 训练数据
train_y = mydata[1][train_index]        # 训练标签
test_data = mydata[0][test_index]       # 测试数据
test_y = mydata[1][test_index]          # 测试标签
 
train_x = zscore(train_data)        # 对训练数据进行归一化
test_x = zscore(test_data)          # 对测试数据进行归一化
 
init = tf.global_variables_initializer()

with tf.Session() as sess:
    sess.run(init)
    for icnt in range(1000):
        _batch_size = 100
        intervals = NextBatch(iTrainSetSize, _batch_size) # 每次从所有样本中随机取100个样本（序号）
        xx = train_x[intervals]
        yy = train_y[intervals]   
        if (icnt+1)%100 == 0:
            train_accuracy = sess.run(accuracy, feed_dict={
                xs:xx, ys: yy, keep_prob: 1.0, batch_size: _batch_size})
            print("step: " + "{0:4d}".format(icnt+1) + ",  train acc:" + "{:.4f}".format(train_accuracy))
        sess.run(train_op, feed_dict={ xs:xx, ys: yy, keep_prob: 0.9, batch_size: _batch_size})
    bsize = test_x.shape[0]
    test_acc = sess.run(accuracy,feed_dict={xs:test_x, ys:test_y, keep_prob: 1.0, batch_size:bsize})
    print("test acc:" + "{:.4f}".format(test_acc))

#写在后面

新的一年了

感觉开始的一塌糊涂

不过这两天好像调整过来了

让自己成为一个有计划的人

坚持健身、坚持减肥、学习理财、学习穿搭、学BEC中级、学机器学习、学Java、学Python、学深度学习框架、准备实习、积极准备找工作！

坚持早点睡觉、坚持早点起床

坚持不拖延

坚持放下手机

坚持不去抱怨生活、不去抱怨别人

坚持！做一个自律、自信的小伙郭

忙碌起来

为最好的那个自己而不断努力

不要患得患失的去迷茫明天

而是在每一个今天，都活出最精彩的一天

羡慕那些活的精致的人

我也要好好加油才好！