基于集成學(xué)習(xí)的煤和矸石圖像識別技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

郜亞松

摘要：針對目前基于深度學(xué)習(xí)方法對煤和矸石識別研究中所存在的數(shù)據(jù)使用效率低，泛化能力差等問題，本文提出采用交叉驗(yàn)證的方法來提升研究目標(biāo)對象數(shù)據(jù)的利用效率，并對訓(xùn)練集數(shù)據(jù)添加人工噪聲，從而提升深度模型的泛化能力。另外在訓(xùn)練過程中以驗(yàn)證集ROC提前終止訓(xùn)練的依據(jù)，可以兼顧實(shí)際生產(chǎn)中對煤和矸石識別的查準(zhǔn)率和召回率的要求，同時加速網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程。最后在測試集進(jìn)行模型預(yù)測時采用TTA（Test Time Augmentation）方法提升模型預(yù)測結(jié)果的穩(wěn)定性，并采用集成學(xué)習(xí)的方法將多個深度計算模型的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行融合，以此提升整個識別方法的性能。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過以上方法可以在小型數(shù)量級上較快得到一個具有較高識別精度和召回率識別模型，并且模型的預(yù)測結(jié)果更能夠反映模型在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中的真實(shí)表現(xiàn)。綜上可以得知，本文所實(shí)現(xiàn)的模型方法更能夠適應(yīng)煤和矸石的識別研究領(lǐng)域的需求，對未來深度學(xué)習(xí)方法在煤矸識別的研究具有較高的實(shí)際應(yīng)用價值和意義。

關(guān)鍵詞：煤矸識別;集成學(xué)習(xí);人工噪聲;交叉驗(yàn)證;TTA

中圖分類號：TP31? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）10-0197-03

煤作為我國主要能源供應(yīng)，而矸石則是對煤產(chǎn)能效率的主要影響因素，所以如何有效地降低矸石含量，對于提升燃煤功能效率，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價值。

傳統(tǒng)對于煤和矸石識別的研究主要分為兩點(diǎn)，其中一種較為復(fù)雜的是煤和矸石的物理性質(zhì)差異實(shí)現(xiàn)的識別技術(shù)，比較有代表性的有射線法，振動法等。但此類方法對于我國采煤環(huán)境地質(zhì)復(fù)雜的情況不能很好適用，另外，這些工業(yè)方法會帶來嚴(yán)重的輻射污染，聲污染以及水污染等[1-2]。第二種則是根據(jù)煤和矸石在圖像上所呈現(xiàn)出來的視覺差異所實(shí)現(xiàn)的識別技術(shù)，其中比較有代表性的分為基于手動提取的紋理，灰度等特征所實(shí)現(xiàn)的機(jī)器學(xué)習(xí)識別方法[3-4]。另一個是基于深度學(xué)習(xí)所實(shí)現(xiàn)的自主特征學(xué)習(xí)的圖像識別方法，該方法相比于傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)圖像識別方法具有較高的泛化能力，并且可以通過對深度網(wǎng)絡(luò)模型的復(fù)雜度以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，更方便的應(yīng)對實(shí)際生產(chǎn)對模型的精度或速度的要求[5-6]。

通過對相關(guān)文獻(xiàn)資料查詢得知，目前基于深度學(xué)習(xí)模型在煤矸石識別的研究中。從數(shù)據(jù)集采集方面來說，大多數(shù)數(shù)據(jù)量總和基本位于5萬張左右，這樣的小型數(shù)據(jù)量對于深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)來說若采用簡單的訓(xùn)練集，驗(yàn)證集以及測試集的數(shù)據(jù)劃分方式是很難高效的利用數(shù)據(jù)，同時也會對模型最終反映出來的評價指標(biāo)有著較大的影響，使之無法真實(shí)地反映出模型本身的性能。除了研究中的數(shù)據(jù)集大小的問題之外，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中所采集得到的煤和矸石的圖像一般是比較清晰的，并沒有像實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中所存在的粉塵，部分遮蔽物等諸多噪聲的情況，并且在測試集中數(shù)據(jù)同樣是沒有相應(yīng)的噪聲信息，所以對應(yīng)得到的深度識別網(wǎng)絡(luò)模型的存在嚴(yán)重的過擬合問題。針對以上情況，本文提出使用交叉驗(yàn)證的方法來提升數(shù)據(jù)的使用效率，并且采用集成學(xué)習(xí)的方法融合多個深度識別模型的識別效果，從而來實(shí)現(xiàn)一個具有一個整體性能較強(qiáng)的煤和矸石的識別方法。另外通過對訓(xùn)練集數(shù)據(jù)添加人工噪聲的方法，進(jìn)一步的提升網(wǎng)絡(luò)模型的泛化能力。最后在數(shù)據(jù)預(yù)測過程中采用TTA技術(shù)來提升網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果的穩(wěn)定性，同時采用集成學(xué)習(xí)的方法融合多個深度模型的預(yù)測結(jié)果來進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)的性能。本次研究，主要針對目前基于深度學(xué)習(xí)對煤和矸石圖像識別研究中所存在的問題提出了相應(yīng)的解決方法，對未來深度學(xué)習(xí)方法在煤和矸石智能化的研究中具有較高的實(shí)際應(yīng)用意義和價值。

1 相關(guān)工作

本次對于煤和矸石識別技術(shù)的研究使用的是深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，其中挑選的是在各個相關(guān)識別比賽和實(shí)際應(yīng)用中較多的兩種網(wǎng)絡(luò)，即ResNet系列和EfficientNet系列網(wǎng)絡(luò)。其中ResNet中所具有的殘差網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是目前所有深度網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)，該結(jié)構(gòu)可以很好的降低由于網(wǎng)絡(luò)深度加深所帶來的特征消失等問題，可以有效地提升深度網(wǎng)絡(luò)模型的可訓(xùn)性[7]。

EfficientNet網(wǎng)絡(luò)是目前在各個深度學(xué)習(xí)相關(guān)競賽以及公司研發(fā)深度學(xué)習(xí)相關(guān)產(chǎn)品中首先考慮使用的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型，該模型兼?zhèn)淞怂俣群途取Ｔ摼W(wǎng)絡(luò)模型摒棄了傳統(tǒng)深度模型計算中為了追求速度和精度所使用的簡單剪枝和加深網(wǎng)絡(luò)的做法，而是通過研究出平衡網(wǎng)絡(luò)深度，寬度和輸入數(shù)據(jù)分辨率的方法來達(dá)到對速度和精度不同目的的要求[8]。

以往煤和矸石圖像在進(jìn)行訓(xùn)練時所采用的增強(qiáng)技術(shù)一般是對圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，隨機(jī)裁剪或者是顏色相關(guān)的方法，這些方法可以很好地減小了模型對圖像中煤或矸石的位置，以及亮度等因素的敏感度。但在煤和矸石的實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境充滿了各種視覺噪聲信息，所以為了進(jìn)一步的提升深度模型對復(fù)雜環(huán)境的魯棒性，本次研究中將針對圖像采取人工添加噪聲的方法對圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，其中包括在圖像信息中添加霧噪聲，雨噪聲以及隨機(jī)裁剪等，對應(yīng)產(chǎn)生的人工噪聲增強(qiáng)的圖像效果如圖所示。

集成學(xué)習(xí)和測試時增強(qiáng)技術(shù)TTA（Test Time Augmentation）[9]兩者都是一種對預(yù)測結(jié)果做進(jìn)一步處理的操作方法，其中TTA技術(shù)主要是對采用增強(qiáng)技術(shù)處理的測試集進(jìn)行多次預(yù)測并求其均值作為最終預(yù)測結(jié)果的一個模型預(yù)測方法，該方法可以對一個模型的預(yù)測結(jié)果起到穩(wěn)定的作用。而集成學(xué)習(xí)的方法則是將多個深度模型預(yù)測的結(jié)果，按照其對應(yīng)任務(wù)目標(biāo)要求所占的比重，對應(yīng)分配其不同的權(quán)重，然后進(jìn)行預(yù)測結(jié)果融合，可以有效地提升預(yù)測結(jié)果的性能。

2 網(wǎng)絡(luò)模型搭建

雖然對于煤和矸石圖像識別的目標(biāo)設(shè)定中是二分類問題，但是若對于網(wǎng)絡(luò)的輸出設(shè)置為非煤即矸石的設(shè)定就會極大地降低網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。例如向模型中傳入既不是煤也不是矸石的圖像，經(jīng)過模型輸出判斷結(jié)果。若設(shè)定真正例為煤，那么輸入圖像的經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)的判斷非煤，那么網(wǎng)絡(luò)就會判定為矸石，所以在對網(wǎng)絡(luò)的輸出設(shè)定含有兩個節(jié)點(diǎn)的輸出，并且要通過正確的調(diào)整判斷閾值來進(jìn)行最終結(jié)果的限定，而不是僅僅使用非A即B的判斷，對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下所示。

3 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果

3.1 模型訓(xùn)練過程

為了能夠從有限的煤和矸石的數(shù)據(jù)中訓(xùn)練得到最佳的識別模型，在訓(xùn)練過程中需要合理的對一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。首先對所采集到的所有數(shù)據(jù)90%作為訓(xùn)練集數(shù)據(jù)，然后將訓(xùn)練集根據(jù)交叉驗(yàn)證訓(xùn)練的劃分經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)的總量劃分個數(shù)K為5，每個訓(xùn)練子集的輪次為15輪次，而初始學(xué)習(xí)率的設(shè)置由于采用了預(yù)訓(xùn)練權(quán)重，對應(yīng)的學(xué)習(xí)率可以設(shè)置為較小的值，以實(shí)現(xiàn)對模型權(quán)重參數(shù)的微調(diào)，所以將初始學(xué)習(xí)率設(shè)置為0.0005，學(xué)習(xí)率衰減因子為0.4。除了以上兩種常規(guī)深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練中所設(shè)置的參數(shù)，還包含了提前終止訓(xùn)練上限值，經(jīng)過數(shù)次訓(xùn)練之后確定了值為3，所代表的意思是當(dāng)對在劃分后的一個訓(xùn)練集上的模型隨著輪次不斷推進(jìn)時，連續(xù)3次出現(xiàn)ROC得分沒有得到提升，則提前終止模型在該子集上的訓(xùn)練。最后將本次訓(xùn)練中TTA參數(shù)的設(shè)置為3，表示將會使用訓(xùn)練好的模型在測試集上預(yù)測3次，然后將3次的預(yù)測得分求其均值，圖中所示模型訓(xùn)練過程的工作流程。

從圖中可以看到，在對不同劃分情況的訓(xùn)練集和驗(yàn)證集訓(xùn)練完成之后，都會直接對本次劃分情況下所產(chǎn)生的最佳識別模型進(jìn)行預(yù)測TTA次預(yù)測，然后將預(yù)測結(jié)果求均值。在完成最后k個劃分的訓(xùn)練之后，將所有的預(yù)測結(jié)果根據(jù)k值求均值，最終完成對一個深度網(wǎng)絡(luò)的完整模型訓(xùn)練。

3.2 模型預(yù)測結(jié)果與性能評估

為了驗(yàn)證本文所實(shí)現(xiàn)的煤和矸石識別方法的優(yōu)勢，將選擇一組對比模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中改組模型在未采用人工噪聲增強(qiáng)的訓(xùn)練集上進(jìn)行訓(xùn)練，然后通過交叉驗(yàn)證的方式取得最好的模型效果，然后將該模型分別對沒有噪聲的測試集上和有噪聲的測試集進(jìn)行測試，并對其ROC曲線進(jìn)行對比分析，對應(yīng)的曲線如下所示。

從圖中可以看到，對于a組未采用噪聲訓(xùn)練的模型在沒有噪聲的測試集上的表現(xiàn)幾乎接近百分之百，但是當(dāng)用于含有噪聲的測試集上的時候，對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生了大幅度的下降，整個網(wǎng)絡(luò)在兩個數(shù)據(jù)集上的表現(xiàn)可以反映出未采用人工噪聲訓(xùn)練得到的模型對于未知數(shù)據(jù)泛化能力是很堪憂的。而在本文設(shè)計實(shí)現(xiàn)的生成的模型在含有噪聲和沒有噪聲的測試集上的變現(xiàn)雖然有小幅度的變化，但是基本預(yù)測結(jié)果數(shù)據(jù)分布相同，模型泛化能力得到大幅度的增強(qiáng)。另外，為了驗(yàn)證集成學(xué)習(xí)對于模型預(yù)測性能提升的有效性，選擇了對ResNet系列網(wǎng)絡(luò)和EfficientNet系列網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行結(jié)果增強(qiáng)，對應(yīng)的ROC曲線如下所示。

從圖中可以看到在沒有采用集成學(xué)習(xí)的方法對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行預(yù)測之前的網(wǎng)絡(luò)由于深度的變化對應(yīng)的ROC得分有一定的起伏和波動，通過集成學(xué)習(xí)的方法處理之后對應(yīng)整個網(wǎng)絡(luò)的ROC得分得到的一定的增強(qiáng)，在ResNet網(wǎng)絡(luò)這種性能表現(xiàn)較弱的學(xué)習(xí)機(jī)的提升更是明顯，并且對應(yīng)的預(yù)測結(jié)果得分相比原始模型更加平滑，在煤和矸石的圖像識別上具有更好的性能。

4 結(jié)束語

本文主要提出使用交叉驗(yàn)證的方法對煤和矸石圖像識別技術(shù)進(jìn)行研究，可以很好地對有限的數(shù)據(jù)資源進(jìn)行高效率的使用，并且通過針對性人工噪聲添加的方法來提升網(wǎng)絡(luò)模對煤和矸石復(fù)雜識別環(huán)境的魯棒性，從而提升了深度計算模型實(shí)際應(yīng)用價值。另外通過TTA技術(shù)對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行均值化處理，最后通過集成學(xué)習(xí)的方法融合多種深度識別模型方法對整個識別效果進(jìn)行性能提升，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證以上技術(shù)在煤和矸石識別的研究中對模型的整體提升具有顯著的效果，有效地促進(jìn)了深度學(xué)習(xí)在煤和矸石自動識別領(lǐng)域的應(yīng)用，對未來進(jìn)步的推進(jìn)煤和矸石自動化識別的研究具有較高的實(shí)際應(yīng)用價值和意義。

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