基于YOLO-V2 算法的翻車機摘鉤視覺識別

裴傳福，崔凱，成功

（華能沁北發(fā)電有限責任公司，河南 濟源 459000）

1 背景

目前，在我國由鐵路運輸?shù)拿禾?，需要將車廂部分，?jīng)由整套翻車設(shè)備將車廂內(nèi)礦料倒入指定工位，早在20世紀50 年代我國就已經(jīng)將成套的翻車設(shè)備投入使用，但是受技術(shù)的限制，翻車系統(tǒng)的各個部分未實現(xiàn)有效連接，效率低下。至今，在不斷的改良與進步中，國內(nèi)廠家設(shè)計開發(fā)“C”型單車、雙車翻車機等改良型設(shè)備，實現(xiàn)了翻車機系統(tǒng)部分的連鎖作業(yè)，其作業(yè)效率、穩(wěn)定性、安全性都顯著提升。

但是，在當下的大部分鐵路運輸設(shè)備中，人工實現(xiàn)摘鉤復(fù)鉤等作業(yè)任務(wù)仍然是必須的，人工摘鉤存在多種弊端：摘鉤工作接連不斷，長時間工作帶來的精力消耗，且摘鉤工作需要在與列車同步時進行，不僅影響效率而且存在危險；人工作業(yè)受現(xiàn)場天氣、光線等環(huán)境的影響；翻車機卸料設(shè)備的粉塵污染，造成的職業(yè)健康問題（圖1）。

圖1 火車摘鉤作業(yè)現(xiàn)場

華能沁北發(fā)電有限責任公司位于河南省濟源市五龍口鎮(zhèn)境內(nèi)，北倚太行山，南臨沁河，距濟源市區(qū)17 公里。電廠發(fā)電機組裝機容量4×600MW+2×1000MW，是國家計委確定的首批超臨界國產(chǎn)化依托項目、國家“十五”規(guī)劃的重點工程，于2004 年投產(chǎn)發(fā)電。

華能沁北發(fā)電有限責任公司火車來煤卸車有兩臺單翻和一臺雙翻三套翻車機接卸系統(tǒng)，位于儲煤場的南部，翻車工藝采用流水線設(shè)計，火車煤接卸作業(yè)流程中運行設(shè)備包括撥車機、翻車機、推車機、牽車臺、帶式輸送機、帶式給煤機、活化給煤機、斗輪機等，最后通過兩條膠帶機運輸線以及斗輪機將煤運送到煤場內(nèi)存放。

為更充分、更高效地利用翻車機系統(tǒng)及工作人員的職業(yè)健康，華能沁北發(fā)電有限責任公司計劃選擇一套翻車機系統(tǒng)，通過研發(fā)、安裝、調(diào)試等工作，實現(xiàn)一套自動摘鉤、正鉤、復(fù)鉤機器人與翻車機自動連鎖作業(yè)，希冀實現(xiàn)單套翻車機全自動作業(yè)。在諸多的技術(shù)難題中，對列車車廂的車鉤進行高效、準確的追蹤與識別是首要解決的問題。

2 基于深度學(xué)習(xí)的YOLO-V2 車鉤識別算法

2.1 深度學(xué)習(xí)

深度學(xué)習(xí)是指具有多個處理層次的多個數(shù)據(jù)表達的模型，它們的出現(xiàn)極大地提高了語言識別、視覺識別等技術(shù)的發(fā)展。深度學(xué)習(xí)是通過正向與反向傳播進行參數(shù)確定，從而發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的重要結(jié)構(gòu)特征。

深度學(xué)習(xí)的普遍定義為一種利用多層非線性結(jié)構(gòu)，通過有監(jiān)督或者無監(jiān)督的特征變換與提取，進行模式分析與分類的模型方法。它的運作原理是先于計算機輸入初始數(shù)據(jù)，經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測、提取和分類其中包含的各類特征。該方法有著多個用于處理數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)層級，能夠通過簡單、非線性的處理方式來擬合，每個級別將上一個級別所輸出的特征處理成一個更具有高維特征、更抽象的輸出結(jié)果。有了層層的網(wǎng)絡(luò)層級和各個層級的對應(yīng)輸出，我們就可以用它來進行更準確的學(xué)習(xí)，更深層次的擬合處理，能進行高效、高精度、工作量龐大的分類任務(wù)（圖2）。

圖2 傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（左）和深度學(xué)習(xí)模型（右）

2.2 摘鉤任務(wù)中的圖像識別

摘鉤自動化系統(tǒng)中的目標捕捉技術(shù)應(yīng)該實現(xiàn)兩大問題：一是判斷列車車鉤的位置和狀態(tài)；二是能夠在各種環(huán)境下準確的分割出列車車鉤。針對實際使用情況與本次所規(guī)劃系統(tǒng)之中任務(wù)目標，目標捕捉部分應(yīng)具有以下功能。

（1）精確檢測多類型多狀態(tài)車鉤手柄。車鉤手柄受工作環(huán)境影響形狀各異，由于不同形狀摘鉤方式或有區(qū)分，因此準確判斷車鉤手柄類型即當前狀態(tài)是實現(xiàn)準確摘鉤的必要條件?，F(xiàn)實中通過提拉車鉤手柄解鎖車鉤，對手柄的位置精度要求較高，檢測系統(tǒng)還需要精確分割出車鉤輪廓。

（2）適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境。車鉤手柄處于兩節(jié)車廂之前，且可能有粉塵影響、光線較差，周圍有各種零部件且與車鉤手柄顏色相近，以上成為了獲取車鉤手柄信息時的干擾因素。編組站通常為露天，光線及天氣等外部環(huán)境會影響圖像質(zhì)量。因此，目標捕捉系統(tǒng)應(yīng)能在各種干擾環(huán)境下保證穩(wěn)定性。

2.3 YOLO-V2 算法

針對翻車機車鉤改進后的YOLO-V2 模型的車鉤識別算法，該算法通過改進K-means 聚類算法選擇最佳車鉤手柄和手柄基座的候選框長寬和數(shù)量，完成ancher預(yù)設(shè)，然后利用獲得的ancher 預(yù)設(shè)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。相較于傳統(tǒng)的RCNN 算法，YOLO-V2 算法的計算速度大大提升，又相較于YOLO-V1，YOLO-V2 在目標定位的準確率和召回率有明顯的改善。通過不斷調(diào)整YOLO-V2 模型中的網(wǎng)絡(luò)深度和卷積層以得到更有效的各類車鉤特征，然后利用改進后的YOLO-V2 算法在目標訓(xùn)練集上不斷迭代更新，獲得到最優(yōu)權(quán)重，不斷提高訓(xùn)練所得模型的效果，輸入圖片、視頻進行識別效果檢測，輸出車鉤檢測結(jié)果，判斷其識別結(jié)果的正確性，最后輸出所識別車鉤狀態(tài)圖像和車鉤坐標位置信息（圖3）。

圖3 YOLO-V2 結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 殘差模塊

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度和寬度是表征網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度的兩個核心因素，這其中深度特征對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)影響更大，為了進一步提高車鉤識別的準確率，增加神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度是行之有效的方法，但是過量增卷積層數(shù)，增深網(wǎng)絡(luò)深度，往往會直接影響神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的梯度，模型收斂性下降、過飽和、模型退化、準確率下降的等各種情況伴隨發(fā)生。而引入殘差網(wǎng)絡(luò)模塊則能有效改善以上問題，殘差網(wǎng)絡(luò)允許原始輸入信息直接傳輸?shù)胶竺娴木W(wǎng)絡(luò)層，即在后面卷積層之間加入幾個全等映射層，利用全等映射層把前一層特征傳輸?shù)胶竺鎸?，就能有效?guī)避訓(xùn)練模型梯度消失、不收斂的問題，選擇合適的殘差卷積核，也能降低全等映射帶來的擾動特性。

2.5 損失函數(shù)

損失函數(shù)的目的是優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將目標的實際值與預(yù)測值進行匹配比較，損失函數(shù)會計算出損失值，然后通過梯度下降算法優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)權(quán)重，降低算法訓(xùn)練過程損失，不斷地更新神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所訓(xùn)練出的模型。

當下主要的損失函數(shù)包括均方差損失函數(shù)和交叉熵損失函數(shù)，實際效果中均方差損失假設(shè)誤差服從高斯分布，在分類任務(wù)下這個假設(shè)沒辦法被滿足，因此，在大多數(shù)分類任務(wù)中效果會很差，所以針對車鉤手柄和手柄基座進行多元分類，選用多分類交叉熵損失函數(shù)，原理公式如下所示：

2.6 小結(jié)

在運用YOLO-V2 算法識別車鉤前，首先，要進行數(shù)據(jù)集的預(yù)處理包括且不限于通過翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)、噪聲、顏色變換四種圖片增強方法得到更豐富的數(shù)據(jù)樣本，然后對數(shù)據(jù)集進行準確標注，保證模型訓(xùn)練所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?；谏疃葘W(xué)習(xí)的YOLO-V2 車鉤識別算法中，通過改進K-means 聚類算法選擇最佳車鉤手柄和手柄基座的候選框長寬和數(shù)量，完成ancher 預(yù)設(shè)；在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)中增設(shè)殘差模塊提升視覺識別的準確率；選用多分類交叉熵損失函數(shù)，用作神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練。

3 車鉤識別實驗

通過運用改進后的YOLO-V2 算法來實現(xiàn)對火電廠列車車廂車鉤的實時識別，進而使自動摘鉤機器人能夠進行準確的摘鉤作業(yè)。目標數(shù)據(jù)集包括在光線、時間、角度等諸多不同情況下的4875 張圖片，訓(xùn)練集圖片包含2875 張華能沁北列車的車廂車鉤手柄基座的圖片及相應(yīng)的標注；測試集圖片包含2000 張列車車鉤的圖片，對訓(xùn)練集中的車鉤手柄及基座進行標注，標注的標簽包含四種輸出情況，即A 手柄(A-handle)、B 基座(B-pedestal)、C 手柄(C-handle) 及D 基座(D-pedestal)，正確的輸出為A 手柄、B 基座或C 手柄、※※D基座，基座與手柄同時收集并標注計為標注成功（圖4）。

圖4 車鉤識別圖像結(jié)果

模型訓(xùn)練進行2000 次，通過對比目標數(shù)據(jù)集中圖片的預(yù)測結(jié)果與真實值的重合率達到了97.3%，YOLO_V2檢測一張圖片平均用時為30ms，約33 幀/s，基本滿足現(xiàn)場的實際需求。在現(xiàn)場測試過程中，以翻車機工作現(xiàn)場采集的圖像序列為測試數(shù)據(jù)源，針對現(xiàn)場采集的圖像在原實驗訓(xùn)練模型的基礎(chǔ)上再次進行訓(xùn)練，針對現(xiàn)場不同的時間段，不同光線環(huán)境下的數(shù)據(jù)進行實時數(shù)據(jù)分析處理，最終得到的手柄基座的準確率高達95%以上。

4 結(jié)語

機器學(xué)習(xí)、圖像識別的不斷研究與運用大大地提升了翻車機摘鉤機器人智能化程度，相較傳統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)，該套算法的利用在整體結(jié)構(gòu)和識別摘鉤手柄的準確率上都有了質(zhì)的提高。在實際應(yīng)用中，盡管車鉤的檢測時間很短，經(jīng)由YOLO-V2 算法所訓(xùn)練的模型仍能及時地反饋其信息，但是，為了提高系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性，該算法的魯棒性仍然需要針對性提升。翻車機車鉤識別理論的不斷更新與研究以及在摘鉤機器設(shè)備上的運用，使翻車機系統(tǒng)在實現(xiàn)全自動化道路上邁出堅實的一步。