可解释的深度学习用于在水分系统中检测声泄漏
Ziyang Xu1, Haixing Liu1, Guangtao Fu2
1School of Hydraulic Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, Liaoning 116024, PR China.
Water research
|January 5, 2025
概括
本研究介绍了一种多通道卷积神经网络 (MCNN),用于改善水系统的泄漏检测. 与现有方法相比,MCNN模型表现出卓越的性能和可解释性,提高了泄漏声学信号的准确性和理解性.
科学领域:
- 水资源管理水资源的管理.
- 机器学习在工程中的应用.
- 声学信号处理 声学信号处理
背景情况:
- 泄漏检测对于水系统安全和保护至关重要.
- 目前用于泄漏检测的机器学习模型缺乏可解释性,阻碍了实际采用.
- 透明度和可信度对于现实世界泄漏检测系统至关重要.
研究的目的:
- 开发和评估一个多通道卷积神经网络 (MCNN) 以提高泄漏检测.
- 将MCNN模型的性能与频率卷积神经网络 (FCNN) 的性能进行比较.
- 用可视化技术提高机器学习模型在泄漏检测中的可解释性.
主要方法:
- 实现一个多通道卷积神经网络 (MCNN) 模型.
- 使用实验和现场数据与频率卷积神经网络 (FCNN) 进行比较分析.
- 应用多通道梯度加权类激活映射 (MGrad-CAM) 来实现模型的可解释性.
- 使用集群方法来分析影响声漏信号的因素.
主要成果:
- 在实验室和现实世界数据集上,MCNN模型显著超过了FCNN.
- 在真实场景中实现了95.4%的高准确率来检测泄漏.
- MGrad-CAM成功地可视化了声信号中的关键签名,提高了模型的解释性.
- 确定了更高的压力,更近的距离和增加的泄漏流速与增加的声信号带宽相关.
- 证实了高频元件对于准确的泄漏检测的重要性.
结论:
- MCNN模型为水系统泄漏检测提供了更准确,更易于解释的解决方案.
- MGrad-CAM为漏洞检测的深度学习模型的决策过程提供了宝贵的见解.
- 了解声信号生成机制有助于开发更有效的泄漏检测策略.


