圖 1 漏磁內(nèi)檢測(cè)原理示意
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隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,全球?qū)τ谔烊粴?、石油等能源的需求與日俱增。管道輸送是與鐵路、公路、水運(yùn)和航空并列的五大運(yùn)輸方式之一,具有一次性投資少、運(yùn)輸成本低、安全性高、利于環(huán)保等獨(dú)特優(yōu)勢(shì),在經(jīng)濟(jì)發(fā)展及能源安全中有著舉足輕重的地位[1-2]。2021年底,中國(guó)大陸已建成的油氣長(zhǎng)輸管道里程累計(jì)達(dá)到150 000 km,其中天然氣管道里程約89 000 km,原油管道里程約31 000 km,成品油管道里程約30 000 km[3]。
隨著管網(wǎng)運(yùn)輸體系的不斷發(fā)展,老齡期長(zhǎng)時(shí)間服役的管道會(huì)出現(xiàn)腐蝕、材料失效、外部干擾等問題,進(jìn)而造成泄漏、爆炸以及人員傷亡等重大事故[4-7]。因此,對(duì)管道實(shí)施完整性管理[8-9],精準(zhǔn)評(píng)估油氣管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),是降低事故發(fā)生率的有效手段[10]。漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)是一種高效的無損檢測(cè)方法,具有無需耦合劑,對(duì)環(huán)境要求低,自動(dòng)化程度高,缺陷識(shí)別能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),從而成為應(yīng)用最廣泛的油氣管道檢測(cè)技術(shù)[11-13]。
近年來,國(guó)內(nèi)已發(fā)生數(shù)起長(zhǎng)輸管道環(huán)焊縫開裂事故,造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。環(huán)焊縫開裂已成為影響長(zhǎng)輸管道服役安全的主要風(fēng)險(xiǎn)因素。目前的各種檢測(cè)技術(shù)手段可獲取海量的管道環(huán)焊縫缺陷數(shù)據(jù),以漏磁內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)為例,其對(duì)于環(huán)焊縫異常信號(hào)的判讀主要依賴人工,檢測(cè)結(jié)果易受到檢測(cè)人員的主觀影響,并且人工判讀需要花費(fèi)大量的精力和時(shí)間,容易造成人員疲勞進(jìn)而導(dǎo)致漏檢或誤檢[14-16]。隨著大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、人工智能和深度學(xué)習(xí)的發(fā)展,通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方式建立模型并對(duì)批量數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)漏磁內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)的批量處理和自動(dòng)識(shí)別[17-19]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了將目標(biāo)檢測(cè)方法應(yīng)用于漏磁內(nèi)檢測(cè)方面的研究。FENG等[20]使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)漏磁圖像進(jìn)行分類,有效識(shí)別有害性和無害性缺陷,顯著提高了檢測(cè)精度。YANG等[21]通過優(yōu)化卷積核的方法,提升了管道焊縫漏磁圖像的分類準(zhǔn)確性,增強(qiáng)了模型的魯棒性。CHEN等[22]提出了級(jí)聯(lián)深度學(xué)習(xí)方法,實(shí)現(xiàn)了高效的管道缺陷檢測(cè),減少了漏檢率和誤檢率。XU等[23]通過引入注意力模塊的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法,進(jìn)一步提高了環(huán)焊縫缺陷識(shí)別的精度和效率,該方法能夠自動(dòng)聚焦圖像中的重要區(qū)域,顯著減少漏檢率和誤檢率。上述研究成果均不同程度地提高了漏磁內(nèi)檢測(cè)信號(hào)的后期人工判讀效率和準(zhǔn)確性,對(duì)于提升數(shù)據(jù)分析質(zhì)量、保障管道安全運(yùn)行具有重要的工程意義。
文章將YOLOv5目標(biāo)檢測(cè)算法應(yīng)用于漏磁內(nèi)檢測(cè)環(huán)焊縫異常缺陷數(shù)據(jù)處理,對(duì)數(shù)據(jù)集使用圖像增強(qiáng)算法并添加小目標(biāo)檢測(cè)層改進(jìn)深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),以獲得更好的檢測(cè)效果,最終應(yīng)用于實(shí)際檢測(cè)線路的漏磁信號(hào)識(shí)別,實(shí)現(xiàn)了管道環(huán)焊縫異常缺陷識(shí)別準(zhǔn)確率的有效提升。
1. 管道漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)
1.1 漏磁內(nèi)檢測(cè)原理
作為漏磁內(nèi)檢測(cè)的勵(lì)磁源,永磁鐵產(chǎn)生磁感線,磁感線經(jīng)銜鐵、管道等傳播形成閉合回路。當(dāng)被測(cè)管道被磁化至飽和或近飽和時(shí),若管道存在缺陷,缺陷處的磁導(dǎo)率會(huì)非常小,磁阻增大,磁感線就會(huì)溢出管道,被傳感器接收形成漏磁信號(hào),依據(jù)漏磁信號(hào)可實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的分析[24],具體原理如圖1所示[25-27]。
1.2 管道漏磁內(nèi)檢測(cè)圖像
管道漏磁內(nèi)檢測(cè)設(shè)備通過管道后,位于檢測(cè)設(shè)備上的磁敏原件輸出電壓信號(hào),對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后繪制出漏磁信號(hào)曲線,曲線的數(shù)目與檢測(cè)設(shè)備的磁敏原件通道數(shù)相互對(duì)應(yīng),漏磁信號(hào)曲線經(jīng)過后期數(shù)據(jù)處理可形成對(duì)比圖、偽彩圖、偽彩增強(qiáng)圖等管道漏磁內(nèi)檢測(cè)圖像。偽彩圖是基于信號(hào)的原始灰度圖進(jìn)行色彩映射轉(zhuǎn)換而成的；偽彩增強(qiáng)圖是在偽彩圖的基礎(chǔ)上,將圖片中大面積的綠色通道無信號(hào)特征圖進(jìn)行色彩轉(zhuǎn)換得到的。某實(shí)際管道環(huán)焊縫缺陷漏磁信號(hào)徑向分量的對(duì)比圖、偽彩圖、偽彩增強(qiáng)圖如圖2所示。仿真模擬計(jì)算得到的環(huán)焊縫缺陷漏磁信號(hào)徑向分量云圖如圖3所示。
圖 2 實(shí)際環(huán)焊縫缺陷漏磁信號(hào)徑向分量
圖 3 仿真模擬的無缺陷、含缺陷環(huán)焊縫漏磁信號(hào)徑向分量云圖
由圖2可知,管道環(huán)焊縫異常（圖中“girthWelder”標(biāo)識(shí)處）時(shí),焊縫缺陷處的漏磁信號(hào)圖像呈現(xiàn)中心色彩異常,對(duì)于對(duì)比圖,缺陷處信號(hào)顏色較淺,灰度較?。粚?duì)于偽彩圖,缺陷處信號(hào)顏色比正常處紅色信號(hào)更淺；偽彩增強(qiáng)圖焊縫處的漏磁信號(hào)圖像與偽彩圖的相似,焊縫外漏磁信號(hào)不明顯區(qū)域的色彩映射與對(duì)比圖的相似。通過上述3種圖像的對(duì)比可知,焊縫缺陷處的漏磁信號(hào)與正常焊縫處的漏磁信號(hào)存在較大差異,該差異為使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像判別漏磁信號(hào)差異的基礎(chǔ)。由圖3可知,無缺陷環(huán)焊縫漏磁信號(hào)呈現(xiàn)先增后減的分布趨勢(shì),圖像上體現(xiàn)為先紅后藍(lán)的色彩分布特征；缺陷處環(huán)焊縫漏磁信號(hào)呈局部先減薄后增厚的趨勢(shì),圖像上體現(xiàn)為先藍(lán)后紅的色彩分布特征。
2. 基于YOLOv5的管道環(huán)焊縫缺陷信號(hào)圖像識(shí)別算法
2.1 YOLOv5基本原理
JOCHER提出的一階段（One-Stage）目標(biāo)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)YOLOv5是一種基于回歸思想的多目標(biāo)檢測(cè)算法,相較于之前的YOLO版本,v5在框架非常小的同時(shí)保證了足夠的檢測(cè)精度和速度,在部署到手機(jī)等智能設(shè)備上具有巨大優(yōu)勢(shì)。YOLOv5主要由輸入端、Backbone、Neck和Prediction 4個(gè)部分組成,其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意如圖4所示[28]。主干網(wǎng)絡(luò)首先通過CBS模塊對(duì)圖像進(jìn)行初步特征提取,然后依次經(jīng)過C3模塊（具有殘差瓶頸結(jié)構(gòu)）,進(jìn)一步提取并優(yōu)化圖像特征。隨后通過SPPF模塊進(jìn)行空間金字塔池化快速操作,有效擴(kuò)大感受野并捕獲不同尺度空間特征。接下來,特征進(jìn)入頸部（Neck）模塊,該模塊通過Upsample上采樣和Concat拼接操作實(shí)現(xiàn)不同尺度特征融合,并利用CBS和C3模塊進(jìn)一步精煉和優(yōu)化融合后的特征表示,以提高不同尺度特征的表達(dá)能力。最后,這些融合后的特征送入頭部（Head）模塊,分別經(jīng)過Conv卷積層處理,得到三個(gè)尺度（80×80、40×40、20×20）的輸出特征圖,分別用于檢測(cè)小、中、大尺度的目標(biāo),實(shí)現(xiàn)對(duì)不同大小目標(biāo)的高效檢測(cè)和定位。
圖 4 YOLOv5 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意
輸入端主要由Mosaic數(shù)據(jù)增強(qiáng)、自適應(yīng)錨框計(jì)算和自適應(yīng)圖片縮放組成[29],如圖5所示。Mosaic數(shù)據(jù)增強(qiáng)將4張圖片進(jìn)行拼接,每一張圖片都有其對(duì)應(yīng)的框,拼接后就獲得一張新的圖片,同時(shí)也獲得了這張圖片對(duì)應(yīng)的框,達(dá)到數(shù)據(jù)增強(qiáng)的目的。在YOLO算法中,針對(duì)不同的數(shù)據(jù)集,都會(huì)有初始設(shè)定長(zhǎng)寬的錨框（Anchor）,網(wǎng)絡(luò)在初始錨框的基礎(chǔ)上輸出預(yù)測(cè)框,進(jìn)而和真實(shí)框進(jìn)行比對(duì),計(jì)算兩者差距,再反向更新,迭代網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。自適應(yīng)錨框計(jì)算讀取訓(xùn)練集中所有圖片的寬、高以及檢測(cè)框的寬、高,將讀取的坐標(biāo)修正為絕對(duì)坐標(biāo)并使用Kmeans算法對(duì)訓(xùn)練集中所有的檢測(cè)框進(jìn)行聚類,通過遺傳算法對(duì)得到的錨框進(jìn)行變異,如果變異后效果好則將其保留,否則跳過,最終得到最優(yōu)錨框。自適應(yīng)圖片縮放目的在于對(duì)原始圖像自適應(yīng)添加最少的黑邊,提高推理速度,減少計(jì)算量。自適應(yīng)圖片縮放計(jì)算的比例是縮放尺寸與原始圖像的尺寸的較小縮放系數(shù)。
圖 5 輸入端數(shù)據(jù)處理示意
主干網(wǎng)絡(luò)主要采用Focus結(jié)構(gòu)和CSP結(jié)構(gòu),Focus結(jié)構(gòu)采用切片操作把高分辨率的圖片拆分成多個(gè)低分辨率的圖片或特征圖,即隔列采樣并拼接,使得卷積核的數(shù)目大大增加,極大地提高了圖像特征的提取能力。CSP結(jié)構(gòu)大大增加了主干網(wǎng)絡(luò)的殘差結(jié)構(gòu),可以增加層與層之間反向傳播的梯度值,從而避免網(wǎng)絡(luò)加深帶來的梯度消失問題,最終提取到更細(xì)粒度的特征并且不用擔(dān)心網(wǎng)絡(luò)退化。頸部主要借鑒了應(yīng)用于圖像分割領(lǐng)域的PANet網(wǎng)絡(luò),但作者將其拆分應(yīng)用到Y(jié)OLO中,進(jìn)一步提高了特征提取的能力。
2.2 基于環(huán)焊縫缺陷圖像的YOLOv5算法改進(jìn)
2.2.1 環(huán)焊縫缺陷漏磁信號(hào)圖像數(shù)據(jù)增強(qiáng)
Mosaic作為YOLOv5模型的輸入端數(shù)據(jù)增強(qiáng)算法,能隨機(jī)讀取4張圖片進(jìn)行訓(xùn)練,豐富了數(shù)據(jù)集也極大地增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的魯棒性[30]。環(huán)焊縫缺陷漏磁信號(hào)圖像的3種圖像都是通過原始的漏磁信號(hào)曲線變換得來的,由于采取的方式不同,不同大小、不同形式缺陷的圖像效果也不同。對(duì)比圖能較好地展示深度較深的環(huán)焊縫缺陷,但對(duì)于缺陷的周向長(zhǎng)度（缺陷寬度）顯示并不友好；偽彩圖能較好地區(qū)分周向長(zhǎng)度的變化；偽彩增強(qiáng)圖結(jié)合了對(duì)比圖和偽彩圖的部分優(yōu)點(diǎn),同時(shí),對(duì)于操作人員較為友好。
依據(jù)漏磁信號(hào)3種圖像的特點(diǎn),數(shù)據(jù)混合增強(qiáng)可以集中3種圖像的優(yōu)點(diǎn),文章將對(duì)比圖、偽彩圖、偽彩增強(qiáng)圖3種圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行混合增強(qiáng),既保證了模型輸入各種形式圖像的同時(shí),也增強(qiáng)了模型的圖像數(shù)據(jù)量。
2.2.2 算法改進(jìn)
通過YOLOv5的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可知,在頸部（Neck）部分除了使用FPN結(jié)構(gòu)對(duì)特征進(jìn)行融合外,還使用到了PAN結(jié)構(gòu)。FPN層自頂向下傳達(dá)強(qiáng)語(yǔ)義特征,而特征金字塔則自底向上傳達(dá)強(qiáng)定位特征,從不同的主干層對(duì)不同的檢測(cè)層進(jìn)行參數(shù)聚合。模型可同時(shí)進(jìn)行下采樣（Subsampling）和上采樣（Upsampling）,以將信息傳遞融合,提高特征提取的能力,得到進(jìn)行預(yù)測(cè)的特征圖。
原始模型具有3個(gè)檢測(cè)層,分別為80像素×80像素,40像素×40像素,20像素×20像素,分別對(duì)應(yīng)最后的特征圖大小。特征圖中,最大的特征圖負(fù)責(zé)檢測(cè)小目標(biāo),對(duì)應(yīng)到原始的640像素×640像素漏磁圖像上,每格特征圖的感受野是640/80即8×8大小,因此若檢測(cè)目標(biāo)的長(zhǎng)或?qū)捪袼氐陀?像素,對(duì)于小型目標(biāo)的檢測(cè)就不準(zhǔn)確。環(huán)焊縫漏磁信號(hào)圖像中有諸多極小的缺陷圖像,有的寬度像素值甚至達(dá)到了4個(gè)像素,在實(shí)際檢測(cè)時(shí),測(cè)試集效果會(huì)更差,采用原始的檢測(cè)模型已經(jīng)很難達(dá)到檢測(cè)的要求。文章針對(duì)實(shí)際環(huán)焊縫缺陷圖像的缺陷特點(diǎn),對(duì)YOLOv5進(jìn)行了改進(jìn)。
對(duì)檢測(cè)層而言,增加了一層160像素×160像素檢測(cè)層,對(duì)應(yīng)最終的小目標(biāo)檢測(cè),每格的特征圖感受野是640/160即4×4大小。同時(shí),在模型的頭部（Head）部分,為小目標(biāo)增加特征提取層,以獲取更大的特征圖進(jìn)行小目標(biāo)檢測(cè),模型改進(jìn)前后的圖像特征上下采樣示意如圖6所示。
圖 6 模型改進(jìn)前后的圖像特征上下采樣示意
3. 測(cè)試及結(jié)果分析
3.1 環(huán)焊縫缺陷圖像數(shù)據(jù)集
文章選取的數(shù)據(jù)集為某線路成品油管道實(shí)際漏磁內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù),調(diào)整檢測(cè)系統(tǒng)的輸出圖像大小,確保輸出大小為640（長(zhǎng)像素）×640（寬像素）,生成的環(huán)焊縫缺陷圖像共計(jì)對(duì)比圖1 032張,偽彩圖1 032張,偽彩增強(qiáng)圖1 032張,圖片具有RGB 3個(gè)顏色通道。對(duì)管道環(huán)焊縫缺陷信號(hào)圖像進(jìn)行人工缺陷標(biāo)簽制作,采用VOC2007數(shù)據(jù)集結(jié)構(gòu),將管道環(huán)焊縫缺陷命名為girthWelderr。對(duì)于數(shù)據(jù)集而言,每張圖都包含了至少一個(gè)管道環(huán)焊縫缺陷；對(duì)于每張圖而言,每張圖中都包含管道環(huán)焊縫缺陷圖像及正常環(huán)焊縫圖像。對(duì)標(biāo)簽制作完成的圖像數(shù)據(jù)集進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,將xml文件轉(zhuǎn)化為txt文件,并依據(jù)轉(zhuǎn)化完成后的txt文件和圖像數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練集、驗(yàn)證集、測(cè)試集劃分。按照訓(xùn)練集∶驗(yàn)證集∶測(cè)試集=70∶15∶15的劃分比例進(jìn)行劃分,最終得到訓(xùn)練集單一類型圖像688張,驗(yàn)證集172張,測(cè)試集172張。
3.2 模型訓(xùn)練與分析
對(duì)環(huán)焊縫缺陷圖像數(shù)據(jù)集進(jìn)行了500輪[次數(shù)（Epochs）]的訓(xùn)練,每次訓(xùn)練的batch-size設(shè)為8。硬件參數(shù)方面,CPU型號(hào)為Intel(R) Xeon(R) Gold 6130 CPU @ 2.10GHz(雙路處理器),內(nèi)存為256 GB,核心計(jì)算資源GPU型號(hào)為NVIDIA Quadro P5000,顯存16GB；軟件參數(shù)方面,Python為3.9.13,PyTorch為1.12.1,Cudatoolkit為11.3.1。操作環(huán)境采用Windows10,Python編輯器采用Pycharm 2022.3.3。
圖像目標(biāo)檢測(cè)領(lǐng)域中,重要的模型性能評(píng)價(jià)指標(biāo)包括精確率（Precision）；召回率（Recall）；IoU閾值大于0.5的平均精度（mAP@0.5,即mAP）；從0.5到0.95,步長(zhǎng)為0.05的不同IoU閾值的平均精度（mAP@0.5:0.95）。損失包括GIoU損失函數(shù)均值,推測(cè)為目標(biāo)檢測(cè)的損失函數(shù)均值,驗(yàn)證集的GIoU損失函數(shù)均值,驗(yàn)證集目標(biāo)檢測(cè)的損失函數(shù)均值。
3.2.1 圖像數(shù)據(jù)增強(qiáng)分析
分別針對(duì)對(duì)比圖、偽彩圖、偽彩增強(qiáng)圖以及3種圖像數(shù)據(jù)混合增強(qiáng)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練及驗(yàn)證,模型的訓(xùn)練驗(yàn)證結(jié)果如圖7所示,主要繪制了Precision,Recall,mAP@0.5,mAP@0.5∶0.95共計(jì)4個(gè)指標(biāo)的性能圖。由圖7可知,在通過數(shù)據(jù)混合增強(qiáng)后,核心指標(biāo)mAP@0.5呈現(xiàn)明顯的穩(wěn)定上升趨勢(shì),并在100輪后趨于穩(wěn)定,且穩(wěn)定后的參數(shù)遠(yuǎn)高于對(duì)比圖、偽彩圖、偽彩增強(qiáng)圖單種圖像的mAP@0.5,表明數(shù)據(jù)混合增強(qiáng)后,模型精度有了明顯改善。從精確率及召回率曲線中也可以看出,圖像數(shù)據(jù)混合增強(qiáng)對(duì)于不同閾值上的平均精度均有很好的表現(xiàn)。
圖 7 各種圖像性能指標(biāo)
各圖像性能指標(biāo)如表1所示,可知,對(duì)比圖、偽彩圖、偽彩增強(qiáng)圖3種圖像的最佳性能指標(biāo)都相差不大,但3種圖像的平均性能均值與圖像數(shù)據(jù)混合增強(qiáng)后的指標(biāo)都有著不小的差異,圖片數(shù)據(jù)在混合增強(qiáng)以后各指標(biāo)都有了顯著提升,mAP@0.5提升了近30%,其余參數(shù)也均有不同程度的性能提升。
Table 1. 各圖像性能指標(biāo)
| 模型 | mAP@0.5 | 精確率 | 召回率 | mAP@0.5∶0.95 |
|---|---|---|---|---|
| 對(duì)比圖 | 70.68 | 90.53 | 71.3 | 29.22 |
| 偽彩圖 | 70.96 | 88.27 | 73.18 | 31.07 |
| 偽彩增強(qiáng)圖 | 72.47 | 86.73 | 72.18 | 29.59 |
| 3種圖像均值 | 71.37 | 88.51 | 72.22 | 29.96 |
| 圖像數(shù)據(jù)混合增強(qiáng) | 93.64 | 99.45 | 92.87 | 73.24 |
| 混合前后性能提升 | 31.20 | 12.36 | 28.59 | 144.46 |
3.2.2 算法改進(jìn)對(duì)比分析
利用增加小目標(biāo)檢測(cè)層后的改進(jìn)算法分別對(duì)對(duì)比圖、偽彩圖、偽彩增強(qiáng)圖3種圖像進(jìn)行模型訓(xùn)練和驗(yàn)證,模型的訓(xùn)練驗(yàn)證結(jié)果如圖8所示,主要繪制了損失函數(shù)均值、目標(biāo)檢測(cè)損失函數(shù)均值、驗(yàn)證集損失函數(shù)均值、驗(yàn)證集目標(biāo)檢測(cè)損失函數(shù)均值共計(jì)4個(gè)指標(biāo)的性能圖。由圖8可知,對(duì)于損失函數(shù)均值以及驗(yàn)證集損失函數(shù)均值而言,模型改進(jìn)前后的曲線下降趨勢(shì)和曲線數(shù)值相差不大,表明模型在使用GIoU Loss（廣義交并比損失）作為bounding box（邊界框）的損失時(shí),Box推測(cè)為GIoU損失函數(shù)均值的差異并不明顯。但通過目標(biāo)檢測(cè)損失函數(shù)均值以及驗(yàn)證集目標(biāo)檢測(cè)損失函數(shù)均值可以看出,模型在改進(jìn)以后,目標(biāo)檢測(cè)損失函數(shù)的損失都有一定程度的下降,尤其對(duì)于驗(yàn)證集目標(biāo)檢測(cè)損失函數(shù)均值而言,采用改進(jìn)后的模型在大幅度降低損失的同時(shí)也改善了模型過擬合的現(xiàn)象,表明增加小目標(biāo)檢測(cè)層后的模型具有更好的效果。
圖 8 模型改進(jìn)前后損失函數(shù)均值
模型目標(biāo)檢測(cè)損失函數(shù)均值如表2所示,可知,相較于改進(jìn)前的模型,改進(jìn)后的模型具有更低的損失,對(duì)比圖、偽彩圖、偽彩增強(qiáng)圖3種模型改進(jìn)前后的損失差別都不大,通過誤差分析,可以看出,相較于改進(jìn)前,目標(biāo)檢測(cè)損失函數(shù)均值最小值和最終值分別下降了62.714 8%和63.539 9%,驗(yàn)證集目標(biāo)檢測(cè)損失函數(shù)均值最小值和最終值分別下降了74.423 2%和78.870 1%。損失函數(shù)均值的下降表明模型具有更好的目標(biāo)檢測(cè)準(zhǔn)確性,在對(duì)圖像中的物體進(jìn)行檢測(cè)時(shí)效果更好。
Table 2. 模型目標(biāo)檢測(cè)損失函數(shù)均值
| 模型 | 目標(biāo)檢測(cè)損失函數(shù)均值 | 驗(yàn)證集目標(biāo)檢測(cè)損失函數(shù)均值 | ||
|---|---|---|---|---|
| 最小值 | 最終值 | 最小值 | 最終值 | |
| 對(duì)比圖 | 0.408 0 | 0.422 3 | 0.975 0 | 1.527 0 |
| 偽彩圖 | 0.375 0 | 0.439 5 | 0.994 0 | 1.621 0 |
| 偽彩增強(qiáng)圖 | 0.381 0 | 0.382 3 | 1.065 0 | 1.826 0 |
| 三種圖像改進(jìn)前均值 | 0.388 0 | 0.414 7 | 1.011 3 | 1.658 0 |
| 對(duì)比圖改進(jìn) | 0.141 0 | 0.141 4 | 0.268 0 | 0.361 5 |
| 偽彩圖改進(jìn) | 0.149 0 | 0.157 5 | 0.242 0 | 0.302 2 |
| 偽彩增強(qiáng)圖改進(jìn) | 0.144 0 | 0.154 7 | 0.266 0 | 0.387 3 |
| 三種圖像改進(jìn)后均值 | 0.144 7 | 0.151 2 | 0.258 7 | 0.350 3 |
| 改進(jìn)前后損失降低 | －62.714 8 | －63.539 9 | －74.423 2 | －78.870 1 |
改進(jìn)后圖像性能指標(biāo)如表3所示,可以看出,模型在改進(jìn)以后,對(duì)比圖、偽彩圖、偽彩增強(qiáng)圖的mAP@0.5,精確率,召回率指標(biāo)都有了小幅降低,mAP@0.5∶0.95有小幅度上升,改進(jìn)后整體模型的性能指標(biāo)與改進(jìn)前相差不大。
Table 3. 改進(jìn)后圖像性能指標(biāo)
| 模型 | mAP@0.5 | 精確率 | 召回率 | mAP@0.5∶0.95 |
|---|---|---|---|---|
| 對(duì)比圖改進(jìn) | 71.28 | 92.89 | 69.75 | 30.06 |
| 偽彩圖改進(jìn) | 68.11 | 84.91 | 72.36 | 30.73 |
| 偽彩增強(qiáng)圖改進(jìn) | 68.82 | 85.81 | 73.09 | 31.04 |
| 三種圖像改進(jìn)后均值 | 69.40 | 87.87 | 71.73 | 30.61 |
| 三種圖像改進(jìn)前均值 | 71.37 | 88.51 | 72.22 | 29.96 |
| 改進(jìn)前后性能差異 | －2.76 | －0.72 | －0.67 | 2.17 |
可見,增加小目標(biāo)檢測(cè)層后,可以在保證模型的常規(guī)性能指標(biāo)基本穩(wěn)定的情況下,大幅降低模型的目標(biāo)檢測(cè)損失函數(shù)均值,對(duì)于環(huán)焊縫漏磁信號(hào)圖像中的缺陷目標(biāo)檢測(cè)效果有了一定程度的改善。
3.3 環(huán)焊縫缺陷圖像測(cè)試集識(shí)別率分析
對(duì)環(huán)焊縫缺陷圖像而言,實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用時(shí),能正確識(shí)別出漏磁信號(hào)圖像中的環(huán)焊縫異常缺陷的位置和大小等信息是至關(guān)重要的。筆者對(duì)環(huán)焊縫缺陷圖像測(cè)試集進(jìn)行最終的實(shí)際管道環(huán)焊縫異常圖像識(shí)別,以獲得缺陷的識(shí)別準(zhǔn)確率,結(jié)果如表4所示。
Table 4. 管道環(huán)焊縫缺陷識(shí)別準(zhǔn)確率
| 模型 | 測(cè)試總量 | 未檢出量 | 誤檢出量 | 少檢出量 | 檢出量 | 識(shí)別率/% |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 對(duì)比圖 | 172 | 36 | 11 | 4 | 121 | 70.35 |
| 偽彩圖 | 172 | 43 | 10 | 10 | 109 | 63.37 |
| 偽彩增強(qiáng)圖 | 172 | 43 | 7 | 4 | 118 | 68.60 |
| 圖像數(shù)據(jù)混合增強(qiáng) | 172 | 58 | 5 | 2 | 107 | 62.21 |
| 對(duì)比圖改進(jìn) | 172 | 27 | 4 | 4 | 140 | 81.40 |
| 偽彩圖改進(jìn) | 172 | 37 | 10 | 8 | 117 | 68.02 |
| 偽彩增強(qiáng)圖改進(jìn) | 172 | 33 | 10 | 6 | 123 | 71.51 |
當(dāng)選取原始單一圖像模型進(jìn)行檢測(cè)時(shí),選取對(duì)比圖模型測(cè)試,共有51張圖片出現(xiàn)誤檢、未檢出、少檢等情況,有121張圖準(zhǔn)確識(shí)別缺陷；選取偽彩圖模型測(cè)試,有63張圖片出現(xiàn)誤檢、未檢出、少檢等情況,有109張圖準(zhǔn)確識(shí)別缺陷；選取偽彩增強(qiáng)圖模型測(cè)試,有54張圖片出現(xiàn)誤檢、未檢出、少檢等情況,有118張圖準(zhǔn)確識(shí)別缺陷。
當(dāng)選取改進(jìn)后的單一圖像模型進(jìn)行檢測(cè)時(shí),選取對(duì)比圖模型測(cè)試,共有32張圖片出現(xiàn)誤檢、未檢出、少檢等情況,有140張圖準(zhǔn)確識(shí)別缺陷；選取偽彩圖模型測(cè)試,有55張圖片出現(xiàn)誤檢、未檢出、少檢等情況,有117張圖準(zhǔn)確識(shí)別缺陷；選取偽彩增強(qiáng)圖模型測(cè)試,有49張圖片出現(xiàn)誤檢、未檢出、少檢等情況,有123張圖成功識(shí)別準(zhǔn)確到缺陷。
當(dāng)選取圖片數(shù)據(jù)增強(qiáng)模型測(cè)試時(shí),有65組圖片出現(xiàn)誤檢、未檢出、少檢等情況,這3組圖片中,每一組對(duì)比圖、偽彩圖、偽彩增強(qiáng)圖出現(xiàn)的檢測(cè)錯(cuò)誤一致,并未出現(xiàn)三種圖檢測(cè)結(jié)果不一致的情況；有107組圖片成功識(shí)別準(zhǔn)確到缺陷。
由表4可知,模型在改進(jìn)后,缺陷的識(shí)別準(zhǔn)確率有了顯著提升,尤其對(duì)于對(duì)比圖而言,相較于原始的對(duì)比圖模型,對(duì)比圖改進(jìn)模型識(shí)別準(zhǔn)確率提高了11.05%,其他圖像也有一定的提升。對(duì)于圖片數(shù)據(jù)增強(qiáng)模型而言,相較于單一的圖像檢測(cè)模型,識(shí)別率雖不顯著提升,但增強(qiáng)模型的相關(guān)性能指標(biāo)均有非常明顯的上升,說明模型的波動(dòng)有了顯著降低,同時(shí)模型的穩(wěn)定性有了顯著增強(qiáng)。
4. 結(jié)論
文章基于漏磁檢測(cè)技術(shù)以及YOLOv5基本原理,采用PyTorch框架,利用YOLOv5算法對(duì)管道環(huán)焊縫漏磁信號(hào)缺陷圖像進(jìn)行了自動(dòng)識(shí)別,并對(duì)算法進(jìn)行了部分改進(jìn),分析了算法改進(jìn)前后的差異以及對(duì)于識(shí)別準(zhǔn)確率（識(shí)別率）的影響,得到以下結(jié)論。
（1）模型在圖像數(shù)據(jù)混合增強(qiáng)以后,各指標(biāo)都有了顯著提升,mAP@0.5提升了近30%,其余參數(shù)也有了不同程度的性能提升。
（2）模型在增加小目標(biāo)檢測(cè)層改進(jìn)后,模型的常規(guī)性能指標(biāo)基本穩(wěn)定,同時(shí)模型的目標(biāo)檢測(cè)損失函數(shù)均值有了大幅度的降低,一定程度改善了圖像中缺陷的目標(biāo)檢測(cè)效果。
（3）模型在增加小目標(biāo)檢測(cè)層改進(jìn)后,圖像中的缺陷識(shí)別率有了顯著提升,對(duì)比圖提升最為顯著,達(dá)到11.05%。
通過使用該自動(dòng)識(shí)別算法,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道環(huán)焊縫缺陷漏磁內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)的批量處理和自動(dòng)識(shí)別,大大減少數(shù)據(jù)判讀人員的工作量、提高工作效率,降低人工判讀的主觀性和人員水平差異帶來的漏判、誤判等不利影響；同時(shí),該方法可隨著獲取環(huán)焊縫缺陷漏磁內(nèi)檢測(cè)異常信號(hào)樣本量的增加進(jìn)行持續(xù)改進(jìn),不斷地提升缺陷信號(hào)識(shí)別的準(zhǔn)確性和可靠性。
文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)
浙公網(wǎng)安備 33042402000106號(hào)
