趙安新 黎梁 劉柯 張育剛 王偉峰

摘 要：

為研究采區(qū)煤巖體中裂隙、斷裂、破碎帶等結(jié)構(gòu)面的自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，解決現(xiàn)有人工智能技術(shù)中迭代次數(shù)大、檢測(cè)框準(zhǔn)確度低等問(wèn)題，采用YOLOv5算法融合注意力機(jī)制、損失函數(shù)、多尺度檢測(cè)的方法，對(duì)煤礦巷道上頂板5種不同地質(zhì)鉆孔進(jìn)行裂隙檢測(cè)試驗(yàn)。結(jié)果表明：將注意力機(jī)制SENet引入YOLOv5模型框架，避免了圖像背景區(qū)域與裂隙區(qū)域相似度較高問(wèn)題；采用有效交并比損失函數(shù)代替完全交并比損失函數(shù)，使得預(yù)測(cè)框能夠更加有效擬合真實(shí)目標(biāo)框；對(duì)YOLOv5模型增添3種不同尺寸的錨定框并添加160×160特征層，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)更小的目標(biāo)。該方法與SSD、YOLOv5等檢測(cè)算法在同樣條件下相比，其檢測(cè)精度分別提升了18.9%，2.1%，召回率提升了39.5%，1.6%，平均精度提升了28.1%，1.0%。改進(jìn)后的模型將三尺度檢測(cè)變?yōu)樗某叨葯z測(cè)，提升了算法的多尺度目標(biāo)檢測(cè)性能，能夠?qū)︺@孔裂隙進(jìn)行高精度檢測(cè)，滿足鉆孔裂隙實(shí)時(shí)檢測(cè)需求。

關(guān)鍵詞：煤礦鉆孔；裂隙識(shí)別；YOLOv5；注意力機(jī)制；深度學(xué)習(xí)；特征提取中圖分類號(hào)：TP 391.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

A

文章編號(hào)：1672-9315（2023）06-1158

-10

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2023.0614開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Crack identification technology of borehole

in underground coal mine

ZHAO Anxin1，LI Liang1，LIU Ke2，ZHANG Yugang1，WANG Weifeng3

（1.College of Communication and Information? Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China；

2.Shandong Energy Group New Material Co.，Ltd.，Zibo 255299，China；

3.College of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：

In order to study the automatic detection technology of such structural planes as crack，fracture and fracture zone in coal rock mass in mining area，

and solve the problems of large iteration times and low accuracy of detection frame in existing artificial intelligence technology，

the YOLOv5 algorithm combining attention mechanism，loss function and multi-scale detection methods was used to conduct crack detection tests on 5 different geological boreholes in the roof of coal mine roadway.

The results show that the attention mechanism SENet is introduced into the YOLOv5 model framework to avoid the problem of high similarity between the background region and the crack region，the effective crossover loss function is used to replace the complete crossover loss function，which makes the prediction frame fit the real target frame more effectively，and three different sizes of anchor frames are added to the YOLOv5 model and 160×160 feature layers are added to achieve smaller detection targets.

Compared with detection algorithms such as SSD and YOLOv5 under the same conditions，the detection accuracy of this method is increased by 18.9% and 2.1%，the recall rate is increased by 39.5% and 1.6%，and the average accuracy is increased by 28.1% and 1.0%，respectively.The improved model changes the three-scale detection into four-scale detection，improves the multi-scale target detection performance of the algorithm，and can detect borehole cracks with high precision，meeting the real-time detection requirements of borehole cracks.

Key words：coal mine borehole；fracture recognition；YOLOv5；attention mechanism；deep learning；feature extraction

0 引 言礦井圍巖中的裂隙、破碎等結(jié)構(gòu)面在礦業(yè)工程中具有重要的地位。這些結(jié)構(gòu)面在地質(zhì)體中起著承載、傳遞應(yīng)力的作用，對(duì)礦山的巖層穩(wěn)定性、支護(hù)設(shè)計(jì)、瓦斯抽放、水文地質(zhì)等方面產(chǎn)生顯著影響［1］。裂隙和破碎帶的分布、性質(zhì)、走向和傾向等參數(shù)對(duì)巖體的力學(xué)性質(zhì)、透水性、滲透性以及巖石的損傷和破壞模式具有深刻影響。在采礦過(guò)程中，結(jié)構(gòu)面的存在可能導(dǎo)致巖層變形、失穩(wěn)甚至巖體崩塌，影響礦山的安全生產(chǎn)［2］。因此，科學(xué)準(zhǔn)確地識(shí)別礦井圍巖中的裂隙、破碎等結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)和分布，對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)、巷道穩(wěn)定性分析以及礦井通風(fēng)、瓦斯抽放等安全措施的制定至關(guān)重要，對(duì)于確保礦山的可持續(xù)、安全、高效運(yùn)營(yíng)具有不可忽視的重要性。當(dāng)前礦井鉆孔的探測(cè)主要是通過(guò)鉆孔窺視儀等結(jié)合人工觀察鉆孔視頻的方式，獲取煤巖層不同結(jié)構(gòu)面分布情況，評(píng)價(jià)巷道穩(wěn)定性。人工觀測(cè)具有人為主觀性強(qiáng)、工作強(qiáng)度大，不能夠?qū)崿F(xiàn)在線化處理等問(wèn)題，無(wú)法滿足當(dāng)前智能化礦井建設(shè)的需求。為了實(shí)現(xiàn)鉆孔探測(cè)的智能化處理，大量學(xué)者在該領(lǐng)域嘗試采用深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能手段，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)圖像進(jìn)行檢測(cè)。CRUZ等通過(guò)使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代替Hough變換提取候選特征，提高了鉆孔圖像裂隙自動(dòng)檢測(cè)精度［3］；蘇鈺桐等采用目標(biāo)檢測(cè)領(lǐng)域中的YOLOv3算法對(duì)鉆孔圖像裂隙進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)對(duì)鉆孔裂隙圖像人工標(biāo)注制作數(shù)據(jù)集，利用Darknet-53的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)了煤巖體各種特征裂隙智能快速檢測(cè)［4］；羅虎等通過(guò)DeepCrack網(wǎng)絡(luò)模型遷移學(xué)習(xí)識(shí)別巖體裂隙并利用ZhangSuen算法和8鄰域標(biāo)記算法對(duì)識(shí)別的結(jié)果進(jìn)行細(xì)化，骨架化和連通域分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體裂隙自動(dòng)識(shí)別［5］；天津大學(xué)佟大威團(tuán)隊(duì)提出一種基于深度學(xué)習(xí)的鉆孔圖像裂隙參數(shù)自動(dòng)提取方法，通過(guò)建立裂隙圖像數(shù)據(jù)集、搭建識(shí)別模型、模型訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)了鉆孔裂隙信息的提取，能夠有效定位出結(jié)構(gòu)面所在區(qū)域，克服人工或傳統(tǒng)圖像檢測(cè)識(shí)別鉆孔裂隙準(zhǔn)確率低、效率低等不足［6］；顧天縱提出一種基于機(jī)器視覺(jué)的裂隙提取算法，算法采用對(duì)裂隙掩膜識(shí)別圖直接骨架提取的方法，之后對(duì)提取骨架進(jìn)行優(yōu)化，提出基于交并比評(píng)分淘汰制的骨架剪除算法，從而完成剪除骨架圖虛假分支任務(wù)，只保留大塊的正確分支，大塊的正確分支可以大致描述出露頭裂隙的具體情況［7］；高旭利用Deep CORAL框架搭建網(wǎng)絡(luò)，在迭代訓(xùn)練1 900次后得到訓(xùn)練模型，能夠?qū)@孔各種特征裂隙直觀地檢測(cè)出來(lái)［8］；賈世娜以YOLOv5s為基準(zhǔn)模型，分別對(duì)其Head層增加了一個(gè)P2檢測(cè)頭并在Neck結(jié)構(gòu)中加入了CBAM注意力機(jī)制，有助于提升網(wǎng)絡(luò)對(duì)小目標(biāo)的關(guān)注度，提高目標(biāo)檢測(cè)精度［9］。然而，這些方法在檢測(cè)性能上大程度依賴訓(xùn)練次數(shù)，這容易導(dǎo)致訓(xùn)練模型時(shí)占用更多時(shí)間。若降低訓(xùn)練次數(shù)又會(huì)導(dǎo)致小目標(biāo)檢測(cè)時(shí)，預(yù)測(cè)框與真實(shí)框出現(xiàn)較大差異等問(wèn)題。為了解決現(xiàn)有問(wèn)題，文中設(shè)計(jì)了一種基于YOLOv5算法融合注意力機(jī)制、損失函數(shù)、多尺度檢測(cè)的煤礦井下鉆孔裂隙識(shí)別模型（Multiscale Opti Mization Target Detection，MOMTD），對(duì)礦井鉆孔裂隙進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別。同時(shí)與SSD算法、YOLOv5等算法進(jìn)行對(duì)比，使其綜合改進(jìn)模型性能能夠滿足礦井這一特殊環(huán)境需求。其次，在對(duì)煤礦井下鉆孔裂隙識(shí)別過(guò)程中，針對(duì)缺乏數(shù)據(jù)集情況，對(duì)煤礦鉆孔采集視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行截幀處理，通過(guò)對(duì)圖像的上下翻轉(zhuǎn)、左右翻轉(zhuǎn)、水平垂直鏡像、旋轉(zhuǎn)擴(kuò)充等處理形成數(shù)據(jù)集。

1 YOLOv5基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)

1.1 注意力機(jī)制煤礦井下鉆孔裂隙識(shí)別任務(wù)是在復(fù)雜環(huán)境下，對(duì)小目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，然而YOLOv5算法在該類任務(wù)下表現(xiàn)較差。對(duì)于小目標(biāo)檢測(cè)任務(wù)，注意力機(jī)制可以對(duì)不同區(qū)域分配不同權(quán)重，使模型更集中地處理關(guān)鍵目標(biāo)區(qū)域，減少對(duì)背景干擾的敏感性，從而提高小目標(biāo)檢測(cè)的準(zhǔn)確度。在YOLOv5模型的Backbone模塊后添加SENet注意力機(jī)制，SENet注意力機(jī)制對(duì)Backbone模塊輸出的圖像特征進(jìn)行擠壓、激勵(lì)操作后使用ReLu函數(shù)、全連接層、將其特征恢復(fù)，最后通過(guò)Sigmoid函數(shù)及注意操作將歸一化后的權(quán)重添加到每層通道特征上，從而增強(qiáng)模型對(duì)煤礦鉆孔裂隙特征的提取能力，弱化煤礦鉆孔非裂隙區(qū)域?qū)δＰ偷挠绊?，使得模型?duì)煤礦鉆孔裂隙識(shí)別精度得到提升。YOLOv5中添加注意力機(jī)制SENet網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

注意力機(jī)制被廣泛用于目標(biāo)檢測(cè)、語(yǔ)音識(shí)別、自然語(yǔ)言處理等不同深度學(xué)習(xí)任務(wù)當(dāng)中。機(jī)器學(xué)習(xí)中注意力機(jī)制類比了人類注意力機(jī)制，其作用是從大量信息中有選擇地篩選出少量并重要的信息，增大有用特征。有空間域、通道域、混合域（空間域和通道域的結(jié)合）3種注意力機(jī)制方法?？臻g域思路是將原始圖片中空間信息轉(zhuǎn)換到另一空間并保留關(guān)鍵信息，其通過(guò)轉(zhuǎn)換這一方式有效避免了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)池化操作直接采用最大池化或平均池化導(dǎo)致關(guān)鍵信息無(wú)法檢測(cè)的弊端。通道域思路是給經(jīng)過(guò)卷積之后得到的特征圖每個(gè)通道增加權(quán)重，權(quán)重越高的通道則含有更多的關(guān)鍵信息。在計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域往往卷積之后會(huì)得到很多通道特征圖，通道注意機(jī)制效果更加客觀，因此選取通道注意力機(jī)制SENet。SENet是HU等所提出的通道注意力機(jī)制網(wǎng)絡(luò)，模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3 錨框參數(shù)優(yōu)化及多尺度檢測(cè)由于煤礦鉆孔數(shù)據(jù)集中存在的裂隙區(qū)域大小不盡相同，對(duì)于存在區(qū)域較大的裂隙通過(guò)使用預(yù)訓(xùn)練好的YOLOv5算法模型能夠檢測(cè)得到。在真實(shí)情況下煤礦鉆孔中存在著許多小區(qū)域裂隙，正是因?yàn)檫@種大小差異性使得小目標(biāo)可能不被檢測(cè)得到。另外YOLOv5中預(yù)先設(shè)定的錨定框是依據(jù)COCO數(shù)據(jù)集設(shè)定的，在訓(xùn)練時(shí)候采用K均值聚類算法自動(dòng)獲取合適的錨定框。相較于煤礦井下鉆孔這一特殊環(huán)境，一方面錨定框是根據(jù)普通通用場(chǎng)景所篩選設(shè)定的，另一方面需要更適合小目標(biāo)的錨定框，所以在原有錨定框基礎(chǔ)上再加3個(gè)尺寸分別為（5，6），（8，14），（15，11）的錨定框用于捕捉小目標(biāo)區(qū)域。目標(biāo)檢測(cè)任務(wù)中，大的特征圖上能夠提取到更多小目標(biāo)信息，依次對(duì)應(yīng)小的特征圖上提取大目標(biāo)信息。表1為改進(jìn)YOLOv5算法中設(shè)置錨定框與特征圖對(duì)應(yīng)關(guān)系。

為了提高煤礦鉆孔中小區(qū)域鉆孔裂隙的檢測(cè)，通過(guò)給YOLOv5模型預(yù)設(shè)定錨框中添加3個(gè)尺寸的錨框用以檢測(cè)小目標(biāo)，在原始的YOLOv5模型中，采取3個(gè)檢測(cè)層以對(duì)應(yīng)3組預(yù)設(shè)定錨定框值。檢測(cè)數(shù)據(jù)集規(guī)格為640×640，在經(jīng)過(guò)5次下采樣之后特征圖大小為20×20，40×40，80×80。最大80×80特征圖上檢測(cè)小目標(biāo)，當(dāng)其對(duì)應(yīng)在640×640上，則每一格特征圖感受野是8×8大小。當(dāng)目標(biāo)區(qū)域框小于8像素時(shí)，網(wǎng)絡(luò)就會(huì)很難學(xué)習(xí)到目標(biāo)特征信息，從而導(dǎo)致小目標(biāo)檢測(cè)丟失。在添加了針對(duì)小目標(biāo)的錨定框后，必然需要與之對(duì)應(yīng)的檢測(cè)層，在YOLOv5原有檢測(cè)層基礎(chǔ)上添加一個(gè)160×160特征層，用以對(duì)應(yīng)著添加的小目標(biāo)

錨定框以及檢測(cè)小目標(biāo)，改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在80×80特征圖之后添加卷積層以及2倍上采樣操作，將獲取到的160×160特征圖與骨干網(wǎng)絡(luò)層第2層進(jìn)行Concat融合，使之成為更大特征圖然后對(duì)小目標(biāo)檢測(cè)。最后增加一個(gè)小目標(biāo)檢測(cè)層，最終采用結(jié)構(gòu)圖中Prediction 1，Prediction 2，Prediction 3，Prediction 4的4尺度檢測(cè)層對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。這是以犧牲檢測(cè)速率來(lái)提升檢測(cè)精度做法，在增加檢測(cè)層后最直接的影響是造成計(jì)算量增加，導(dǎo)致模型檢測(cè)速率降低。但是隨著硬件設(shè)施更新?lián)Q代以及原模型與改進(jìn)模型檢測(cè)速率相差為毫秒量級(jí)，加上對(duì)于煤礦鉆孔裂隙檢測(cè)應(yīng)盡量全面，所以改進(jìn)模型能夠更好地幫助裂隙區(qū)域檢測(cè)。

2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 鉆孔數(shù)據(jù)集準(zhǔn)備由于所要識(shí)別的任務(wù)為礦井鉆孔圖像裂隙情況，并沒(méi)有可供使用的公開(kāi)數(shù)據(jù)集。因此，通過(guò)礦用鉆孔測(cè)井裝置對(duì)某礦42224工作面的巷道上頂板5種不同地質(zhì)鉆孔進(jìn)行測(cè)井分析，獲取鉆孔高分辨率視頻、自然伽馬、全方位鉆孔軌跡、鉆孔深度4種數(shù)據(jù)。其中，高分辨率視頻可以獲取到鉆孔內(nèi)部的狀況圖；鉆孔軌跡可以判斷出鉆孔方位角、傾角；鉆孔深度數(shù)據(jù)可精確至厘米。如圖5所示為礦用鉆孔測(cè)井裝置。進(jìn)而對(duì)高分辨率視頻進(jìn)行截幀處理，形成鉆孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)集。由于截幀處理，每相鄰連續(xù)幾張圖基本類似，故對(duì)相似或重復(fù)圖片進(jìn)行舍棄，并通過(guò)圖像位置變化（平移、翻轉(zhuǎn)）、圖像增強(qiáng)（灰度變化、亮度增強(qiáng)、銳化）等手段增廣數(shù)據(jù)集，最后構(gòu)建

1 098張不同的鉆孔裂隙圖片。由于視頻獲取于不同區(qū)域，所以一定程度上增加了樣本的多樣性，能夠使得不同方位、大小、形狀的鉆孔裂隙展現(xiàn)出來(lái)從而提升模型學(xué)習(xí)能力，同時(shí)采用開(kāi)源LabelImg軟件對(duì)對(duì)礦井鉆孔圖像中裂隙進(jìn)行人工標(biāo)注、編號(hào)，其中對(duì)于裂隙標(biāo)記為Fracture。試驗(yàn)環(huán)境配置見(jiàn)表2。

2.2 模型改進(jìn)試驗(yàn)分析

2.2.1 引入注意力機(jī)制的試驗(yàn)分析

使用PyTorch深度學(xué)習(xí)框架，將YOLOv5+Attention和YOLOv5初始模型在煤礦鉆孔裂隙數(shù)據(jù)集上做對(duì)照試驗(yàn)，驗(yàn)證引入注意力機(jī)制后的YO-LOv5模型是否

具有良好的檢測(cè)效果。評(píng)價(jià)指標(biāo)選用精度P以及平均精度mAP。模型采用SGD優(yōu)化器，利用Warmup預(yù)熱學(xué)習(xí)率，訓(xùn)練batch_size設(shè)置為32，訓(xùn)練300個(gè)Epoch。表3為對(duì)照試驗(yàn)結(jié)果。

表3在YOLOv5模型基礎(chǔ)上引入SENet注意力機(jī)制，相較于YOLOv5初始模型精度P提升了1.8%，平均精度mAP提升了0.9%，整體而言檢測(cè)能力具有一定提升。針對(duì)于礦鉆孔這一特殊場(chǎng)景，在很難改變環(huán)境情況下調(diào)整模型來(lái)提升檢測(cè)能力是一種有效手段。圖6為對(duì)照試驗(yàn)結(jié)果，其中圖6（a）圖6（b），圖6（c）圖6（d），圖6（e）圖6（f）為3組對(duì)照試驗(yàn)結(jié)果，左側(cè)為添加SENet注意力機(jī)制模型試驗(yàn)結(jié)果，右側(cè)為原始模型試驗(yàn)結(jié)果。

圖6（a）圖6（b）、圖6（e）圖6（f）2組對(duì)照試驗(yàn)出現(xiàn)漏檢現(xiàn)象，不能夠?qū)⒘严秴^(qū)域全部檢測(cè)處理，在添加SENet注意力機(jī)制之后模型改善了這一情況，而圖6（c）圖6（d）組對(duì)照試驗(yàn)中出現(xiàn)誤檢現(xiàn)象，YOLOv5原基礎(chǔ)模型將孔壁非裂隙區(qū)域檢測(cè)為裂隙區(qū)域，改進(jìn)后模型有效彌補(bǔ)了這一不足。通過(guò)對(duì)比可以看出，在加入通道注意力機(jī)制后能夠改善YOLOv5模型對(duì)于鉆孔裂隙檢測(cè)不全、誤檢情況，提升模型檢測(cè)能力。

2.2.2 優(yōu)化損失函數(shù)試驗(yàn)分析本試驗(yàn)通過(guò)更改YOLOv5中的損失函數(shù)，驗(yàn)證EIOU Loss邊框回歸函數(shù)是否具備良好的檢測(cè)效果。其相較于完全交并比損失函數(shù)，有效交并比損失函數(shù)EIOU Loss考慮了寬高與置信度的有效差異，使預(yù)測(cè)框能夠更加有效擬合真實(shí)目標(biāo)框?；谶@一提升，本小節(jié)分別使用EIOU Loss、CIOU Loss作為邊框回歸函數(shù)，在煤礦鉆孔裂隙數(shù)據(jù)集上做對(duì)照試驗(yàn)，評(píng)價(jià)指標(biāo)仍然選用精度P以及平均精度mAP。表4為對(duì)照試驗(yàn)結(jié)果。

表4顯示了YOLOv5算法模型中采用的CIOU Loss邊框回歸函數(shù)以及試驗(yàn)所采用的EIOU Loss邊框回歸函數(shù)在鉆孔煤礦裂隙數(shù)據(jù)集上的精度、平均精度的對(duì)比結(jié)果。EIOU Loss邊框回歸函數(shù)相較于 CIOU Loss邊框回歸函數(shù)檢測(cè)精度提升了1.3%，平均精度提升了0.4%。結(jié)果表明，以EIOU Loss作為邊框回歸損失函數(shù)可以優(yōu)化模型，提升模型檢測(cè)能力。EIOU Loss邊框回歸函數(shù)不僅提升了模型檢測(cè)能力，而且使得預(yù)測(cè)框能夠有效擬合真實(shí)目標(biāo)框。圖7為對(duì)照試驗(yàn)結(jié)果，其中圖7（a）圖7（b），圖7（c）圖7（d），圖7（e）圖7（f）為3組對(duì)照試驗(yàn)結(jié)果，左側(cè)為采用EIOU Loss作為邊框回歸函數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果，右側(cè)為原始模型CIOU Loss作為邊框回歸函數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果。在使用EIOU Loss作為邊框回歸函數(shù)與CIOU Loss作為邊框回歸函數(shù)從試驗(yàn)結(jié)果上來(lái)看區(qū)別僅在于回歸框的不同。圖7（a）圖7（b），圖7（e）圖7（f）2組試驗(yàn)中采用EIOU Loss

作為邊框回歸函數(shù)使得回歸框更加貼近真實(shí)情況，圖7（a）圖7（b）對(duì)照組中，圖7（a）相較于圖7（b），圖7（a）中回歸框有效框選出了鉆孔裂隙部分，圖7（b）中回歸框出現(xiàn)少許偏差；圖7（e）圖7（f）對(duì)照組中，圖7（e）相較于圖7（f），圖7（e）中回歸框并沒(méi)有如圖7（f）中回歸框情形框選了鉆孔裂隙以外“多余”部分，對(duì)照?qǐng)D中可以清楚觀察到。圖7（c）圖7（d）對(duì)照組中，圖7（c）相較于圖7（d），圖7（c）中回歸框更加關(guān)注鉆孔裂隙部分呈現(xiàn)出簡(jiǎn)潔有效的效果，圖7（d）中雖然能夠?qū)@孔裂隙部分框選但是涉及較多孔壁區(qū)域顯得冗余，在其他不同裂隙情況中可能會(huì)出現(xiàn)圖7（b）或者圖7（f）情況。EIOU Loss作為邊框回歸函數(shù)，使得回歸框逼近真實(shí)情況，因此采用EIOU Loss作為邊框回歸函數(shù)可以獲得更好的效果。

2.2.3 錨框參數(shù)優(yōu)化及多尺度檢測(cè)試驗(yàn)分析本試驗(yàn)在YOLOv5模型原錨定框基礎(chǔ)上添加

小尺寸錨定框以及增加檢測(cè)層，驗(yàn)證該模型是否可以提升煤礦鉆孔中小裂隙區(qū)域檢測(cè)精度。本小節(jié)利用鉆孔數(shù)據(jù)集做對(duì)照試驗(yàn)，評(píng)價(jià)指標(biāo)同樣選用精度P以及平均精度mAP，結(jié)果見(jiàn)表5。

從表5可以看出，通過(guò)優(yōu)化錨定框參數(shù)以及增加檢測(cè)層，多尺度檢測(cè)模型在檢測(cè)精度上比原模型提升了1.3%，而平均精度提升了0.2%。結(jié)果表明，對(duì)錨框參數(shù)優(yōu)化以及增加檢測(cè)層能夠優(yōu)化模型，對(duì)于煤礦鉆孔中裂隙區(qū)域檢測(cè)有一定提升。

圖8為對(duì)照試驗(yàn)結(jié)果，左側(cè)為錨定框參數(shù)優(yōu)化及增加檢測(cè)層模型的試驗(yàn)結(jié)果，右側(cè)為原始模型試驗(yàn)結(jié)果。從圖8可以看出，右邊原始YOLOv5模型對(duì)于小目標(biāo)區(qū)域存在漏檢情況，而左側(cè)改進(jìn)后的模型能夠識(shí)別檢測(cè)出小裂隙區(qū)域。圖8（a）、圖8（c）、圖8（e）均較于與之相對(duì)應(yīng)的對(duì)照組圖8（b）、圖8（d）、圖8（f），能夠?qū)⑦z漏的小裂隙區(qū)域檢測(cè)出來(lái)，優(yōu)化后模型對(duì)于不同大小鉆孔裂隙檢測(cè)表現(xiàn)出良好的性能。因此通過(guò)增加小尺寸錨定框以及檢測(cè)層能夠使得模型獲得更高的檢測(cè)精度和平均精度。

2.3 MOMTD模型試驗(yàn)分析上述試驗(yàn)分別從注意力機(jī)制、邊框回歸函數(shù)、檢測(cè)層3個(gè)階段對(duì)原模型做出改進(jìn)，每個(gè)改進(jìn)均通過(guò)3組試驗(yàn)驗(yàn)證其有效性。本節(jié)將這3個(gè)階段改進(jìn)融合進(jìn)一個(gè)模型中形成綜合優(yōu)化模型MOMTD，與基于MobileNet網(wǎng)絡(luò)的一階段檢測(cè)SSD算法、基于ResNet50網(wǎng)絡(luò)的兩階段檢測(cè)Faster RCNN算法、原模型進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證其是否仍然有效。對(duì)于添加注意力機(jī)制、改變邊框回歸函數(shù)、添加檢測(cè)層改進(jìn)模型備注為優(yōu)化1、優(yōu)化2、優(yōu)化3。模型采用SGD優(yōu)化器，利用Warmup預(yù)熱學(xué)習(xí)率，訓(xùn)練batch_size設(shè)置為32，訓(xùn)練300個(gè)Epoch得出試驗(yàn)結(jié)果。表6為對(duì)照試驗(yàn)結(jié)果。

表6顯示了各階段改進(jìn)、MOMTD、原模型以及SSD模型之間的R，P，mAP值。從表6可以看出，SSD，F(xiàn)aster RCNN算法模型準(zhǔn)確度與MOMTD模型有明顯差距，表明一階段檢測(cè)算法YOLOv5算法可以更好實(shí)現(xiàn)鉆孔裂隙檢測(cè)。從P，R值來(lái)看，MOMTD模型在保證檢測(cè)精度情況下同時(shí)也兼顧了鉆孔裂隙區(qū)域檢測(cè)的全面性，保證了較高的召回率。其原因在于MOMTD模型采用了多層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及多檢測(cè)層，淺層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用來(lái)提取圖像的顏色、邊緣、紋理等特征信息，深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用來(lái)提取圖像的語(yǔ)義特征。然后使用特征金字塔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和路徑聚集網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了不同尺度特征信息的融合，最后采用4層特征層對(duì)不同尺寸的鉆孔裂隙區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)。SSD算法模型則采用的MobileNet網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)輕量級(jí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其進(jìn)行卷積的參數(shù)比標(biāo)準(zhǔn)卷積少，導(dǎo)致對(duì)煤礦鉆孔環(huán)境復(fù)雜情況下鉆孔裂隙圖像數(shù)據(jù)集特征提取效果不理想。Faster RCNN作為一階段檢測(cè)算法，其并沒(méi)有采用多尺度檢測(cè)且沒(méi)有有效保留在深度CNN提取之后小尺度的特征，導(dǎo)致數(shù)據(jù)集在該模型上并沒(méi)有較為理想的精度以及召回率。同時(shí)，MOMTD相較于單步優(yōu)化模型各性能指標(biāo)都有提升，且對(duì)比原模型，MOMTD模型的P值提升了2.1%，R值提升了1.6%，mAP值提升了1.0%。這說(shuō)明針對(duì)煤礦鉆孔這一特殊環(huán)境改進(jìn)方法可以提升準(zhǔn)確度，能夠更準(zhǔn)確更全面地檢測(cè)鉆孔裂隙。最終將MOMTD模型與礦用鉆孔測(cè)井裝置采集的鉆孔深度數(shù)據(jù)相結(jié)合，從而準(zhǔn)確判斷出鉆孔內(nèi)部裂隙形狀及具體位置信息。

圖9中MOMTD的邊框回歸損失與置信度損失均低于原模型。表明預(yù)測(cè)框能夠更加貼合實(shí)際情況，背景冗余情況減輕，預(yù)測(cè)目標(biāo)準(zhǔn)確率更高。在調(diào)整了YOLOv5模型的邊框回歸損失函數(shù)之后，檢測(cè)框更加貼近真實(shí)框，同時(shí)也提升了檢測(cè)精度。在鉆孔裂隙數(shù)據(jù)集情況下圖9（a）MOMTD模型采取有效交并比損失函數(shù)的損失值低于YOLOv5中采取完全交并比損失函數(shù)，使得損失函數(shù)計(jì)算更加精細(xì)。圖9（b）置信度損失則能夠清晰反映YOLOv5模型與MOMTD模型檢測(cè)精度情況，采用多尺度檢測(cè)以及SENet通道注意機(jī)制的MOMTD模型能夠在相同數(shù)據(jù)集情況下比YOLOv5模型獲得一個(gè)更為準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果。

3 結(jié) 論1）在YOLOv5基礎(chǔ)上通過(guò)引入注意力機(jī)制、更換損失函數(shù)、添加小尺寸錨定框等操作，形成MOMTD模型，解決了礦井鉆孔圖像背景區(qū)域與裂隙區(qū)域相似度較高、模型檢測(cè)框及小裂隙區(qū)域檢測(cè)精度低等問(wèn)題。2）MOMTD模型網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練在迭代300次時(shí)模型識(shí)別精度為97.3%，召回率為98.2%，平均精度為99.3%，對(duì)比試驗(yàn)表明MOMTD相比單步優(yōu)化以及SSD、Faster RCNN算法模型具有更好的檢測(cè)能力，該方法可以適用于礦井鉆孔圖像裂隙識(shí)別。3）針對(duì)公開(kāi)數(shù)據(jù)集中并無(wú)本試驗(yàn)所需數(shù)據(jù)集，從獲取到的煤礦上頂板鉆孔視頻生成數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)集圖片進(jìn)行位置變換、圖像增強(qiáng)等操作形成了裂隙檢測(cè)數(shù)據(jù)集。參考文獻(xiàn)（References）：

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（責(zé)任編輯：劉潔）