基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的砂石骨料分類模型

楊仕容 蘇 明 王 珩

（貴州師范大學(xué),大數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，貴陽(yáng) 550025）

0 引言

砂石骨料是混凝土最大的原材料，主要起填充和骨架作用，砂石質(zhì)量是影響混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵因素[1]，對(duì)混凝土的力學(xué)性能、滲透性、抗凍性、耐久性、開(kāi)裂敏感性等性能都有著顯著的影響。

由于砂石骨料顆粒的隨機(jī)性和海量性，目前在學(xué)術(shù)領(lǐng)域中，是以砂石骨料特性對(duì)混凝土性能的影響來(lái)展開(kāi)砂石骨料質(zhì)量研究工作。如李北星[2]等人針對(duì)骨料的特征進(jìn)行研究，得出粗糙度較大的砂石骨料有利于提高混凝土的耐磨性；周尚志[3]等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到骨料越大對(duì)混凝土的裂紋擴(kuò)展的阻止作用就越大；李永鵬[4]等人分析了細(xì)集料的細(xì)度模數(shù)對(duì)混雜纖維混凝土性能的影響；Rocco CG[5]等人分析了集料形狀對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響；Meddah MS[6]等人闡述了粗骨料的含量和粒度分布對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響；在行業(yè)實(shí)踐中，相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)文件[7,8]對(duì)砂石質(zhì)量主要以針片狀顆粒含量、細(xì)度模數(shù)、顆粒級(jí)配等相對(duì)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

不管在學(xué)術(shù)領(lǐng)域還是在行業(yè)實(shí)踐中均未找到砂石質(zhì)量一個(gè)明確的檢測(cè)方法。因此，急需找到一種有效的關(guān)于砂石骨料質(zhì)量檢測(cè)方法來(lái)控制混凝土性能。

1 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擅長(zhǎng)挖掘大量輸入數(shù)據(jù)之間的抽象特征，具有良好的自學(xué)習(xí)能力、泛化能力、容錯(cuò)能力。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度與深度對(duì)硬件設(shè)備有較高要求，需要耗費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間來(lái)訓(xùn)練模型，針對(duì)砂石骨料數(shù)據(jù)維度不高，且在行業(yè)執(zhí)行中需要能快速檢測(cè)砂石骨料品質(zhì)，本文參考LeNet-5[9]網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)其做一些改進(jìn)，向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中添加層，尋找最優(yōu)的激活函數(shù)，提出適應(yīng)砂石骨料數(shù)據(jù)分類的網(wǎng)絡(luò)模型。本文采用7 層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即卷積層1、池化層1，卷積層2、池化層2、壓平層（Flatten）、全連接層和輸出層，將這些層按順序連接，得到的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練

1.2.1 激活函數(shù)的選擇

在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，每個(gè)神經(jīng)元都會(huì)接上一個(gè)非線性激活函數(shù)，可增強(qiáng)模型的學(xué)習(xí)能力，解決非線性問(wèn)題能力[10]。常見(jiàn)的激活函數(shù)一般有：sigmoid 函數(shù)、tanh 函數(shù)、relu 函數(shù)、SoftPlus 激活函數(shù)等；其曲線見(jiàn)下圖2所示：

圖2 常見(jiàn)激活函數(shù)曲線

就對(duì)本文砂石骨料數(shù)據(jù)而言，同樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，選擇不同的激活函數(shù)，模型的在測(cè)試集和驗(yàn)證集上的準(zhǔn)確率如下圖3所示：

圖3 不同激活函數(shù)模型準(zhǔn)確率

實(shí)驗(yàn)得到選擇sigmoid 函數(shù)為激活函數(shù)時(shí)，模型驗(yàn)證集與測(cè)試集上的準(zhǔn)確率相差較大且處于欠擬合狀態(tài)；relu 函數(shù)為激活函數(shù)時(shí)，準(zhǔn)確率較低且模型處于欠擬合狀態(tài)；tanh 函數(shù)為激活函數(shù)時(shí)，測(cè)試集與驗(yàn)證集上準(zhǔn)確率已收斂，且驗(yàn)證集準(zhǔn)確率已達(dá)到0.97 以上。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比幾種激活函數(shù)的應(yīng)用效果，針對(duì)砂石骨料數(shù)據(jù)選擇tanh 函數(shù)更有效，其函數(shù)式如下所示：

1.2.2 模型調(diào)參

用于訓(xùn)練模型的砂石骨料數(shù)據(jù)樣本較多，選擇mini-batch 梯度下降法，mini-batch 結(jié)合了批量梯度下降法和隨機(jī)梯度下降法的優(yōu)勢(shì)，將若干個(gè)樣本的平均梯度作為更新方向。經(jīng)過(guò)多次調(diào)參，本文的batch_size 為128，模型分類效果達(dá)到最優(yōu)。

由于網(wǎng)絡(luò)中需要訓(xùn)練的參數(shù)較多，為了防止過(guò)擬合現(xiàn)象，在全連接層后添加了Dropout 層，Dropout[11]層對(duì)于每個(gè)訓(xùn)練樣本，以概率0.5 選擇網(wǎng)絡(luò)某些隱含層節(jié)點(diǎn)是否有效，丟失的那些節(jié)點(diǎn)可以暫時(shí)認(rèn)為不是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的一部分，但是它的權(quán)重得保留下來(lái)（權(quán)重參數(shù)暫時(shí)不更新），因?yàn)橄麓螛颖据斎霑r(shí)它可能又得工作了（如圖5所示），這樣的工作機(jī)制迫使每一個(gè)神經(jīng)元學(xué)習(xí)到有效的特征。

圖5 Dropout 工作示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)集

本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是由BT-2900 干法圖像粒度粒形分析系統(tǒng)（如圖6所示）采集，該系統(tǒng)采集時(shí)能加料均勻且自動(dòng)調(diào)整流量，采樣速度達(dá)3500 次/秒，系統(tǒng)能自動(dòng)將不清晰和有粘連的樣本篩選出去，保證樣本的有效性。

圖6 BT-2900 干法圖像粒度粒形分析系統(tǒng)

采集的骨料數(shù)據(jù)分別有7 個(gè)屬性，分別是骨料投影面積、顆粒投影面積等效圓直徑、顆粒投影面積外接矩形長(zhǎng)、顆粒投影面積外接矩形寬、骨料投影面積長(zhǎng)徑比（長(zhǎng)寬比）、骨料投影面積周長(zhǎng)、圓度。其中數(shù)據(jù)分為3 個(gè)類別，分別是標(biāo)準(zhǔn)砂（由艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂公司出品），精品砂(由企業(yè)提供)，普砂(由企業(yè)提供)。其中精品砂和普砂為機(jī)制砂，精品砂粒形好、級(jí)配好、針片狀含量低，是由人工篩分出來(lái)；普砂粒形多棱角，大部分為片狀或針狀、級(jí)配差。由于沒(méi)有單顆砂石的標(biāo)簽，采取200 顆砂石數(shù)據(jù)作為整體，打一個(gè)標(biāo)簽，其中精品砂為0 類，標(biāo)準(zhǔn)砂為1 類，普砂為2 類。訓(xùn)練數(shù)據(jù)集占總數(shù)據(jù)的80%，訓(xùn)練集的樣本有23698 組，測(cè)試集有5925 組，驗(yàn)證集數(shù)據(jù)有5222 組。

2.2 結(jié)果分析

本文是基于Keras 深度學(xué)習(xí)框架搭建砂石骨料分類網(wǎng)絡(luò)模型。首先，用訓(xùn)練集數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型，在訓(xùn)練集上準(zhǔn)確達(dá)到98.84%，用測(cè)試集測(cè)試模型，在測(cè)試集上的準(zhǔn)確率達(dá)到了98.83%，其混淆矩陣如下表：

表1 測(cè)試集混淆矩陣

用驗(yàn)證集數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行分類預(yù)測(cè)，驗(yàn)證模型的可靠性，其分類結(jié)果見(jiàn)表2所示：

表2 砂石骨料分類驗(yàn)證結(jié)果

由以上結(jié)果可看出，整體對(duì)砂石骨料的驗(yàn)證準(zhǔn)確率達(dá)到了99.17%以上，檢測(cè)時(shí)間花費(fèi)3.97s，模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)砂石骨料品質(zhì)分類的任務(wù)。

以往研究都是以混凝土性能出發(fā)，從而研究對(duì)砂石骨料的質(zhì)量要求，本文是以大量砂石骨料的物理性質(zhì)展開(kāi)研究，提出基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量分類方法，模型訓(xùn)練好后，能快速有效的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)分類。

3 總結(jié)

在LeNet-5 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，結(jié)合砂石骨料數(shù)據(jù)，本文提出了砂石骨料分類模型，利用卷積對(duì)砂石骨料顆粒間的特征提取，在3 種類型（精品砂、標(biāo)準(zhǔn)砂、普砂）的砂石分類中取得了良好的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明所提出的砂石骨料分類模型是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和可靠有效的方法。