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基于深度学习的钢板表面缺陷识别方法及系统开发论文

发布时间:2024-04-11 14:41:57 文章来源:SCI论文网 我要评论














SCI论文(www.lunwensci.com)

  摘要:在热轧钢板的生产过程中,由于工况的多样性,钢板表面难免会形成不同类型的缺陷。针对传统方法对钢板表面缺陷的识别准确率和效率较低的问题,提出了一种结合残差网络和迁移学习的钢板表面缺陷识别方法。首先,构建基于迁移学习的神经网络框架,同时采用全局平均池化和Dropout等优化策略增加网络的泛化能力,提高分类精度。其次,预处理钢板表面缺陷数据集,并通过钢板表面缺陷识别实验对模型性能进行检验。实验结果表明,基于迁移学习的网络模型在测试集上的识别准确率可以达到98.33%。最后,设计并开发了钢板表面缺陷识别系统,采用PowerDesigner软件构建系统的物理数据模型,并完成系统架构的设计,将训练好的神经网络模型应用到系统中,有效提高了钢板缺陷分类识别的智能化和信息化水平。

  关键词:深度学习;热轧钢板;迁移学习;缺陷识别系统

  DefectsRecognitionMethodandSystemDevelopmentofSteel

  SurfaceBasedonDeepLearning

  YangJinwen,YuJianguo

  (CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,JiangxiUniversityofScienceandTechnology,Ganzhou,Jiangxi341000,China)

  Abstract:Intheproductionprocessofhot-rolledsteelplate,thesurfaceofsteelplatewillformdifferenttypesofdefectsonaccountofthevarietyofworkingconditions.Inallusiontothelowaccuracyandefficiencyoftraditionalmeansforsteelplatesurfacedefectrecognition,asteelplatesurfacedefectrecognitionmethodcombiningresidualnetworkandtransferlearningisproposed.First,aneuralnetworkframeworkbasedontransferlearningisconstructed,andtheoptimizationstrategiessuchasglobalaveragepoolingandDropoutisusedtoincreasethegeneralizationabilityofthenetworkandimprovetheclassificationaccuracy.Then,thesteelplatesurfacedefectdatasetispretreatedandthesteelplatesurfacedefectrecognitionexperimentisusedtoverifytheperformanceofthemodel.Theexperimentalresultsshowthattherecognitionaccuracyofthemodelbasedontransferlearningonthetestsetcanreach98.33%.Finally,asteelplatesurfacedefectrecognitionsystemisdesignedanddeveloped.ThePowerDesignersoftwareisusedtoconstructthephysicaldatamodelofthesystem,andaccomplishthesystemarchitecturedesign.Thetrainedneuralnetworkmodelputintouseinthesystem,whicheffectivelyimprovestheintellectualizationandinformationlevelofsteelplatedefectclassificationandrecognition.

  Keywords:deeplearning;hot-rolledsteelplate;transferlearning;defectrecognitionsystem

  0引言

  随着“中国制造2025”战略的提出[1],制造业在产品质量方面将面临更高的要求。钢铁作为一种现代基础工业材料,在汽车工业和航空航天等多个领域都有广泛应用。但在钢板的生产过程中,由于制造工艺和原材料品质等因素的影响,难免会在表面形成划痕、夹杂和麻点等缺陷[2]。采用有效的检测方法及时发现并识别这些表面缺陷,对于提高钢板的品质和生产效率非常重要。传统缺陷检测方法效率低下,成本较高,无法满足目前实际生产的需求[3]。而当下新兴的智能化检测方法,将机器视觉技术融入质检环节,大幅提高质检效率,降低人工成本和劳动强度,推进产品自动化生产进程[4]。

  在表面缺陷检测领域,国内外很多学者都提出了相应的方法[5]。如ZHANG等[6]针对铜带表面缺陷提出一种基于小波多元统计分析方法提取特征;SUVDAA等[7]采用尺度不变特征变换的方法对钢板表面缺陷特征进行提取,并结合投票策略提高分类性能;TOLBA等[8]采用Log-Gabor滤波器提取缺陷特征,并通过概率神经网络对缺陷进行快速分类;胡超[9]采用主成分分析法(PCA)和二叉树支持向量机(BT-SVM)等方法完成钢板表面缺陷检测任务。这些方法所提取的特征是否有效,过分受限于设计人员本身的经验和专业程度,增加了特征提取和选择任务的复杂程度,同时影响检测效果。

  随着人工智能技术以及深度学习理论的持续发展,深度学习具有较强普适性和自我学习能力等优势逐渐体现,不再需要专门为某一缺陷单独设计算法,其检测精度较传统机器学习方法有显著的提升,拥有更高的学习表征能力,得到了广泛应用[10-17]。Ding等[10]提出一种改进的MobileNetV2算法用于焊缝表面缺陷识别;李东等[11]采用改进的VGG16实现口罩的平面缺陷检测;张立等[12]采用改进的AlexNet模型并结合迁移学习方法对热轧钢板表面缺陷进行分类识别;杨凯等[13]提出一种基于改进的VGG16车轮踏面缺陷检测模型,并通过模型剪枝算法减少了模型参数;刘浩瀚等[14]提出一种改进的ResNet模型,并将其应用于轴承沟道表面缺陷分类;张振洲等[15]基于GoogLeNet提出一种适用于锌渣识别的改进算法,其识别精度和速度均达到较高水平。上述文献都成功将深度学习应用到各类制造业的缺陷识别任务当中,但大多数研究都停留于理论方面,未得到实际的应用。

  根据以上研究现状,本文将对钢板表面缺陷识别方法和系统进行研究。首先基于迁移学习和残差网络对整体网络框架进行设计,然后预处理钢板表面缺陷数据集并进行钢板表面缺陷识别实验,最后设计开发了钢板表面缺陷识别系统。

  1钢板表面缺陷识别方法

  1.1残差神经网络


  传统卷积神经网络在对网络层数进行增加时,其性能在达到峰值后会出现下降的现象,同时伴有梯度消失或梯度爆炸的问题[18]。HE等[19]针对以上问题提出一种具有特殊结构的残差网络,引入捷径连接,能够有效解决网络加深带来的负面问题,同时提高模型的性能。

基于深度学习的钢板表面缺陷识别方法及系统开发论文

  相较于传统卷积神经网络,ResNet仅需对F(x)进行学习,简化了学习目标,大幅降低映射的学习难度,因此,ResNet网络的有效深度可以搭建至上百层。当模型深度达到50层以上时,将基本训练单元全部替换为如图1(b)所示的瓶颈式残差块,其特殊的结构设计可使输入和输出保持相同的维度,在不影响网络性能的同时减少了网络参数。

  本文使用的是ResNet-50网络模型,由49个卷积层加1个全连接层组成,详细结构参数如表1所示。

基于深度学习的钢板表面缺陷识别方法及系统开发论文
基于深度学习的钢板表面缺陷识别方法及系统开发论文

  1.2迁移学习

  迁移学习[20]被普遍应用于机器学习领域,分为样本迁移、特征迁移、参数迁移和关系迁移四类。通常来讲,一般的深度学习方法都是通过大量的历史数据进行训练和学习,然后将训练的结果应用于同一学习任务,对数据进行预测或拟合。迁移学习则与其不同,可以利用源域中现有的样本进行训练,当有新的应用场景需要时,运用从源域中学习到的知识完成目标域的分类任务,同时目标域的数据不必与源域的数据严格满足独立同分布的假设[21]。

  1.3基于迁移学习的神经网络设计

  本文将去除最后分类层网络的ResNet-50作为特征提取网络,采用参数迁移方法,将ResNet-50在ImageNet上经过预训练得到的参数加载至目标网络,并将特征提取网络参数设置为不可训练。仅利用少量数据对重新设计的分类层网络进行训练,可大幅缩短模型训练时间。图2为本研究结合迁移学习的网络结构简图。

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  分类层网络经过重新设计后的具体结构为:第一层为全局平均池化层(GlobalAveragePooling,GAP)。全局平均池化处理是以特征图为基本单元,对其中所有特征值求平均,并以该均值表示相应的特征图。用其替换掉传统的全连接层可以有效抑制过拟合,降低参数数量。

  第二层为Dropout层。由于本文数据集的样本量较少,为缓解过拟合,在全局平均池化操作之后插入一个Dropout层,取值为0.5,在训练时按照50%的比例随机将神经元暂时丢弃,减少中间特征的数量。

  第三层为匹配分类任务的全连接层。本文数据集中包含6种钢板表面缺陷,因此全连接层的输出通道设计为6个。

  最后一层为Softmax层,同时以交叉熵作为损失函数,加速模型的收敛,其计算公式为:

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  2实验与分析

  2.1热轧钢板表面缺陷数据集


  此次实验采用的数据集来自NEUsurfacedefectdatabase[22]。数据集样本示例如图3所示。

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  该数据集总共包含裂纹(Crazing,Cr)、夹杂(Inclusion,In)、斑块(Paches,Pa)、表面麻点(PittedSurface,PS)、压入氧化铁皮(Rolled-inScale,RS)和划伤(Scratches,Sc)6种常见的带钢表面缺陷,每种缺陷类型都有300张分辨率为200pixel×200pixel的灰度图片,总计1800张。将数据集所有缺陷样本图片的分辨率调整为224pixel×224pixel,并按一定比例将数据集进行随机分配:训练集占比60%,验证集和测试集各占比20%,详细数据划分如表2所示。

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  2.2实验结果

  结合上文所构建的ResNet-50模型进行试验,训练阶段将初始参数批尺寸大小(batchsize)设为32,轮次epochs设为100,学习率设为0.0001。模型经过100轮的训练,其训练损失和验证损失如图4所示,由图可知随着训练轮次的增加训练损失和验证损失均在20轮后趋于稳定。图5为模型的训练和验证准确率,由图可知训练集和验证集的识别准确率在20轮之前迅速提升,之后逐渐平稳,迭代至60轮时模型的训练和验证准确率均保持在99%以上,说明模型整体训练和验证结果较为理想。

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  为进一步验证模型的分类性能,采用测试集在模型中的分类结果绘制混淆矩阵,结果如图6所示。由图可知,在预测的360个缺陷样本中共有6处错误,分别为将1个Pa缺陷样本误判为Cr,将5个Sc缺陷样本误判为In,其主要原因是一个样本中可能存在多种缺陷,给模型分类造成了干扰,其次是因为不同类型的缺陷存在一定的相似性,给模型分类带来一定的困难,影响最终的分类结果。根据混淆矩阵计算得出6种钢板表面缺陷的查准率(P)、召回率(R)和F1值,如表3所示。从表中可以看出模型对于PS和RS两种缺陷的F1值最高,达到了100%,其次是Cr和Pa,F1值均在99%以上,最低的是In和Sc,F1值在96%左右。从整体来看,基于迁移学习的ResNet-50模型对6类缺陷都具有较好的分类效果,平均分类精度可以达到98.33%。

基于深度学习的钢板表面缺陷识别方法及系统开发论文
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  3钢板表面缺陷识别系统设计与开发

  3.1系统功能设计


  基于深度学习的钢板表面缺陷识别系统模块化功能如下。

  (1)访问登录:用户在访问界面完成注册,登录账号进入钢板表面缺陷识别系统主界面,根据需求使用相应模块。

  (2)系统管理:该模块分为权限管理、用户管理以及菜单管理等子模块,为管理员对用户权限和系统菜单的配置提供便利。

  (3)基础信息:该模块包括人员信息、部门信息和原材料信息等基础信息,方便管理人员和系统其他功能模块调用。

  (4)缺陷识别:该模块负责钢板表面缺陷的分类识别,调用训练好的神经网络对输入的钢板图像进行识别,输出缺陷信息,提高缺陷检测的速度和精度。

  (5)缺陷管理:该模块对钢板及其缺陷信息进行管理,便于后期查询钢板对应的缺陷信息。

  (6)生产管理:该模块的次级功能主要包含生产计划、采购管理、成本管理、生产控制等,对钢板的整个生产过程进行管理和调控,提高生产管理效率。

  (7)设备管理:该模块对设备日常维修、保养以及报废等活动进行管理,提高设备综合效能

  (8)缺陷统计:该模块负责对缺陷数据进行统计和分析,反查缺陷原因,找出缺陷发生的环境和设备因素,并对相关设备进行控制,达到从根本上减少缺陷发生率的目的。

  3.2系统数据库设计

  钢板表面缺陷识别系统主要包括系统管理、基础信息、生产管理、设备管理、缺陷管理、缺陷识别和缺陷统计等功能模块,基于以上模块建立系统的物理数据模型。模型的构建采用PowerDesigner软件,它提供多种开发环境供不同数据模块使用,各数据模块既可相互独立也可相互联系。设计的钢板表面缺陷识别系统的物理数据模型(部分模块)如图7所示。

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  3.3系统架构设计

  在选择系统开发技术方面考虑到运行平台环境和运维成本等因素,采用B/S架构和J2EE框架(Struts+Spring+Hibernate,SSH)[23]开发钢板表面缺陷识别系统,具体系统框架如图8所示。

基于深度学习的钢板表面缺陷识别方法及系统开发论文

  客户层将系统内容呈现给用户,便于和用户进行实时交互;业务层负责连接客户层和访问层,是系统核心层次;访问层为业务层访问数据提供支撑;资源层通过ORM技术将面向对象概念与数据库中表的内容进行映射。

  3.4系统开发结果

  采用Tomcat作为服务器,使用MySQL管理后台数据,并以MyEclipse作为集成开发工具完成对钢板表面缺陷识别系统的设计与开发。

  鉴于钢板表面缺陷识别系统功能模块较多,下面仅以缺陷识别模块进行介绍。如图9所示为缺陷识别模块截图,页面主要分为4个部分,左侧部分为系统主菜单;右上部分为常用功能菜单;右下部分为缺陷识别模块的待检图像显示区和检测结果显示区,选择好网络模型和待检图片文件,点击开始检测按钮运行得到缺陷类别等结果信息,通过保存数据按钮可将结果存储至MySQL数据库当中,以便后续对缺陷信息进行查询。

基于深度学习的钢板表面缺陷识别方法及系统开发论文

  4结束语

  (1)对于传统钢板表面缺陷识别方式速度和精度较低的问题,本文在ResNet-50的基础上进行迁移学习,重新设计分类层网络,大幅缩短模型训练时间,抑制过拟合,提升模型识别精度。最终在测试集上平均准确率达到98.33%,可为自动化识别场景提供一定借鉴。

  (2)基于深度学习设计并开发钢板表面缺陷识别系统,实现钢板表面缺陷的快速、精准检测,大幅减少人工检测工作量,同时降低漏检和误检的概率,提高钢板质量和生产效率。

  (3)本文所使用的数据集样本总量较小,在识别准确率等方面还有不足。后续将扩充数据集,并对网络结构和优化策略进行改进,提升模型整体性能,得到更优结果。

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