基于改进YOLOv5 的煤矸识别研究

时间：2024-07-28

张释如，黄综浏，2，张袁浩，章鳌，2，季亮

（1. 西安科技大学通信工程学院，陕西西安 710600；2. 中煤科工集团常州研究院有限公司,江苏常州 213015；3. 天地（常州）自动化股份有限公司，江苏常州 213015）

0 引言

煤炭是我国的重要能源，国内原煤中矸石占15%～20%[1-2]，严重影响了煤的品质。应急管理部和国家矿山安全监察局在《“十四五”矿山安全生产规划》中要求重点突破复杂条件下的智能综采，建设无人、少人智能化示范矿山。而目前大部分煤矿利用人工筛选矸石，不能满足煤矿智能化发展要求，亟需一种自动化程度高、检测效果好的煤矸识别方法。

深度学习是一种对数据进行表征学习的机器学习算法，深度学习框架包括卷积神经网络（Convolutional Neural Network，CNN）、深度置信网络、递归神经网络等，已被应用在计算机视觉、语音识别等领域。深度学习在煤矸识别中的应用研究也取得了一定成果。曹现刚等[3]采用inception 模型有效提高了煤矸识别准确率，但利用softmax 分类需要大量数据样本。Pu Yuanyuan 等[4]通过迁移VGG16网络构建煤矸识别模型，极大减少了训练时间，但检测精度不高。杜京义等[5]利用K-means 聚类提高对前景区域的关注度，提高了煤矸检测精度，但检测稳定性有待检验。汝洪芳等[6]通过优化YOLOv5 网络交并比损失并增强极大值抑制效果，提高了煤矸识别精度，但模型含有大量参数，很难保证识别速度。桂方俊等[7]在YOLOv5 中串联空间注意力模块和通道注意力模块，有效避免了漏检和误检现象，但未解决小目标检测问题。沈科等[8]在YOLOv5s 中嵌入SCConv 作为特征提取网络，缓解了多尺度特征提取不充分问题，同时大幅提高了煤矸检测速度，但删除了模型中颈部网络和预测模块的部分区域，降低了特征提取能力，对检测精度影响较大，很难保证检测的鲁棒性。

现有方法基于深度学习实现了煤矸目标检测，但应用于井下复杂环境中时易出现误检和漏检情况，且对小目标煤矸识别缺少有效的解决方案。针对该问题，本文在YOLOv5s 的基础上，采用AdaBelief算法优化训练参数，提高收敛速度；在主干网络中引入空洞卷积和残差块，提取多尺度图像特征，在不增加模型复杂度的前提下增大感受野，提高图像特征提取能力，解决了小目标煤矸识别问题。

1 YOLOv5 模型

YOLOv5 包括4 种模型，规模从小到大分别为YOLOv5s，YOLOv5m，YOLOv5l 和YOLOv5x。随着模型参数增加，检测速度会降低[9]。煤矿现场大多是算力较低的嵌入式设备，无法部署较大规模的检测模型，检测速度和模型大小是完成实时检测的关键。为保证实用性，本文选择最小的YOLOv5s 作为基础模型。

1.1 YOLOv5s 模型框架

YOLOv5s 主要包括输入端、主干网络、颈部网络和头部输出端4 个部分。输入端对数据进行预处理，如数据增强[10]、图像填充等。主干网络主要通过空间金字塔池化（Spatial Pyramid Pooling，SPP）[11]对特征图进行不同尺度的特征提取，提高检测精度。颈部网络通过特征金字塔网络（Feature Pyramid Networks，FPN）自上而下传递语义信息，通过路径聚合网络（Path Aggregation Network, PAN）自下而上传递定位信息，两者互补，提高模型特征提取能力。头部输出端用于输出网络预测结果。

1.2 SPP 模块

SPP 模块通过3 种不同尺度的池化将特征向量固定为相同长度并传递给下一层，如图1 所示。输入特征图经过1 个卷积模块（Conv）后，通道数减半，然后经过3 个不同尺度的池化层（Maxpool）进行采样，将3 种池化结果与输入特征图进行拼接（Concat），再通过卷积操作恢复图像。

图 1 SPP 模块Fig. 1 Module of spatial pyramid pooling

SPP 不仅增大了感受野，能够分离出上下文的重要特征，而且对推理速度几乎没有影响[12]，可以处理不同尺寸、不同分辨率的图像，极大地降低了训练门槛，但也损失了图像的大量原始特征，降低了空间分辨率。选煤厂环境复杂，受光照条件制约及煤尘干扰，获取的图像质量较差，大幅降低了煤矸识别准确率。

2 YOLOv5s 模型改进

2.1 SPP 模块结构改进

YOLOv5s 模型中，图像通过常规卷积进入池化层时尺寸减小，通过上采样恢复图像时丢失了部分数据。对于分辨率较低的图像，内部信息损失对图像识别的影响尤为严重。空洞卷积可在不增加计算量、不损失特征图分辨率的情况下增大感受野，获得更丰富的图像特征。基于空洞卷积的空间金字塔池化（Atrous Spatial Pyramid Pooling，ASPP）[13]模块如图2 所示。利用3 种空洞率r不同的空洞卷积（Dilated Conv）并行采样，可获得多个不同尺寸的感受野，实现不同目标的分类。

图 2 ASPP 模块Fig. 2 Module of atrous spatial pyramid pooling

ASPP 通过组合空洞率不同的空洞卷积，一定程度上弥补了遗失的信息，但固定的空洞率仍会导致特征提取时遗失部分重要信息。采用大空洞率时对大目标有较好效果，但会遗失小目标的有效信息；采用小空洞率时可获得更多小目标语义位置信息，但会遗失大目标轮廓信息。因此，选择合适的空洞率组合对检测效果至关重要。

针对ASPP 存在的问题，考虑煤矸目标的特点，对ASPP 模块结构进行改进，提出一种残差ASPP 模块，如图3 所示。残差ASPP 模块在ASPP 的基础上增加了残差块，通过残差块可在提取图像特征时实现恒等映射，补充目标在经过空洞卷积后所遗漏的信息。残差块在普通卷积的基础上增加了快捷连接组合，可匹配特征图的空间维度。

图 3 残差ASPP 模块Fig. 3 Module of atrous spatial pyramid pooling with residual blocks

在煤矸数据集中，每张图像中至少存在1 个目标煤矸，针对多目标、多尺寸的情况，通过残差ASPP 模块可提取到不同尺寸的感受野，利于多目标共存情况下的图像分割。

2.2 优化算法改进

YOLOv5 模型采用自适应矩估计（Adaptive Moment Estimation，Adam）算法[14]，与前几代YOLO模型使用的带动量梯度下降法（Stochastic Gradient Descent Momentum，SGDM）[15]相比有一定改进，但仍存在收敛能力差、检测精度不稳定等问题。本文在YOLOv5 中引入AdaBelief 优化算法。

AdaBelief 优化算法基于反向传播算法，通过参数迭代更新优化网络，通过参数梯度的一阶和二阶矩估计动态调整学习率，并在模型的每次迭代中分配1 个自适应学习率，以快速获得预测结果，同时达到收敛速度快、泛化性能好、训练稳定3 个目标。根据当前梯度方向上的“belief ”调整步长，将噪声梯度的指数移动平均值作为下一时刻步长梯度的预测值。如果观测到的梯度与预测值偏差较大，说明当前预测值不够准确，步长应减小；如果观测到的梯度与预测值接近，说明预测精度较高，步长应该增大。基于AdaBelief 优化算法的YOLOv5 模型训练过程如图4 所示。

[5]This conduct threatens our national interests,undermines the value of U.S.investments and technology,weakens the global competitiveness of our firms,and harms American workers.（2018.3.23）

3 实验分析

3.1 数据采集及预处理

在某煤炭仿真实验室进行实验，通过矿用防爆相机采集964 张分辨率为1 280×960 的图像，为了模拟真实场景，部分煤矸有重叠和遮挡情况，总计有近4 000 个煤矸目标。为了丰富数据集，提高数据利用率，采用Mosaic 数据增强技术对原始数据集进行处理，以提升模型的鲁棒性和泛化能力。对4 张图像进行随机缩放、裁减、翻转、加噪声等处理，拼接成1 张含丰富信息的图像，结果如图5 所示。

图 4 基于AdaBelief 优化算法的YOLOv5 模型训练过程Fig. 4 YOLOv5 model training process based on AdaBelief optimization algorithm

图 5 数据增强效果Fig. 5 Effect of data enhancement

将数据集以9∶1 的比例划分训练集和测试集，选取增强处理后的867 张图像作为训练集。利用原始图像作为测试集更能模拟井下真实检测环境，增强模型的鲁棒性，因此选取未经数据增强的97 张图像作为测试集。

实验采用Pytorch 深度学习框架，训练平台为深度学习专用服务器，使用Tesla P100 16 GB 显卡。利用YOLOv5s 预训练模型进行迁移学习。输入图像尺寸为608×608，通道数为3，初始学习率为0.01，批处理大小为16，动因子为0.937，最大迭代次数为1 000。

3.2 模型性能验证

3.2.1 优化算法性能

以原始YOLOv5 模型为基准模型，分别使用SGDM，AdaBelief 和Adam 优化算法进行训练。设置训练周期为300，SGDM 的动量为0.9，Adam 权重衰减参数为0.000 5，AdaBelief 的指数衰减率为0.9 和0.999。

采用平均精度均值（mean Average Precision,mAP）、精确率、召回率和帧率4 个指标对采用不同算法的目标检测模型进行评价，结果见表1。与Adam算法相比，采用AdaBelief 优化算法时YOLOv5 模型的精确率提高了0.33%，召回率提高了1.05%，mAP提高了0.39%，帧率降低了0.02 帧/s，表明AdaBelief优化算法可以提高模型的拟合能力和泛化能力。

表 1 优化算法对比实验结果Table 1 Comparison of experimental results of optimization algorithms

3.2.2 残差ASPP 性能

虽然空洞卷积能够有效增大感受野，但存在网格问题，叠加使用不合适的空洞卷积时网格问题更加严重，因此要选择合适的空洞率。空洞卷积中，一个组内的卷积不应该有一个固定的变换因子，即空洞率不要有大于1 的公约数，否则无法减小网格效应[16]。在原始YOLOv5 模型基础上，分别设计正常卷积及空洞率组合为[6，12，18，24]，[1，3，5，7]，[2，3，7，13]，[1，2，5，9]的空洞卷积进行实验，其中[6，12，18，24]为ASPP 使用的空洞率组合。采用不同空洞率组合时的实验结果见表2。与正常卷积相比，采用空洞率组合为[1，2，5，9]时的空洞卷积时，模型精确率提高了1.75%，召回率提高了2.52%，mAP 提高了1.61%，性能最优。

同样以原始YOLOv5 模型为基准，分别使用SPP，ASPP 和残差ASPP 进行对比实验，结果见表3。相较于原始模型，采用残差ASPP 模块后，精确率提高了1.81%，召回率提高了1.76%，mAP 提高了1.36%。

3.3 主流目标检测模型性能对比

将改进YOLOv5 模型与目前主流的目标检测模型进行对比，包括SSD，Faster R-CNN，YOLOv3，YOLOv4 和原始YOLOv5 模型。采用本文获取的数据集对上述模型进行训练，训练周期为1 000。各模型实验结果见表4。可见，原始YOLOv5 及其改进模型的性能优于其他模型，改进YOLOv5 模型的mAP 达到94.43%，比原始YOLOv5 模型提高了2.27%，帧率降低了0.03 帧/s。

表 3 特征提取模块对比实验结果Table 3 Comparison of experimental results of feature extraction modules

表 4 主流目标检测模型性能对比Table 4 Performance comparison of mainstream target detection models

3.4 同类改进模型性能对比

文献[6]以YOLOv5 为基本模型，将损失函数替换为CIoU，同时将极大值抑制替换成soft NMS（Non Maximum Suppression，非极大值抑制），得到mAP 为91.3%。文献[8]采用的训练集与本文相同，得到mAP 为89.2%，但帧率达到28.4 帧/s，检测速度较快。本文模型的mAP 为94.43%，较上述文献中的2 种模型均有提高。

在井下黑暗环境中的检测结果如图6 所示。图6（a）为文献[6]和文献[8]中2 种模型的检测结果，图中共有4 个煤矸目标，总计出现1 个矸石漏检情况和2 个背景误检情况，将背景判定为目标的概率最高达到了60%，说明检测模型存在明显缺陷。图6（b）为本文模型的检测结果，可见即使在极端黑暗的环境中，本文模型也能准确划定目标边界，鲁棒性强。

图 6 井下黑暗环境中的检测效果Fig. 6 Detection effect in underground dark environment