《電子技術應用》
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基于改进U-Net的沥青拌合站混合料装车语义分割
电子技术应用
李东丽1,成高立1,郭涛2,夏晓华2
1.陕西高速机械化工程有限公司; 2.长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室
摘要: 针对现有的沥青拌合站混合料装车语义分割方法平均交并比(Mean Intersection over Union,mIoU)值较低、检测速度较慢等问题,提出一种轻量化网络RCS-UNet对沥青拌合站混合料装车状态进行语义分割。首先在U-Net网络中加入残差连接以缓解梯度消失的问题,使网络在训练过程中更加稳定,提高模型的收敛速度和泛化能力;其次加入坐标注意力(Coordinate Attention,CA)机制,增强位置与通道的信息感知,提高模型的特征提取能力,使模型更加关注图像中的重要区域;最后将U-Net网络中的标准卷积修改为深度可分离卷积,以减小模型的体积和参数量,使得模型在保持较高性能的同时,具有更低的资源消耗和更快的推理速度。实验结果表明,改进模型的准确率、mIoU值以及FPS值分别为99.20%、98.41%和22.98,与经典模型和当前先进模型相比三个指标均为最高,取得了最优的语义分割效果。
中圖分類號:U415 文獻標志碼:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245955
中文引用格式: 李東麗,成高立,郭濤,等. 基于改進U-Net的瀝青拌合站混合料裝車語義分割[J]. 電子技術應用,2025,51(4):29-34.
英文引用格式: Li Dongli,Cheng Gaoli,Guo Tao,et al. Semantic segmentation of mix loading at asphalt mixing plant based on improved U-Net[J]. Application of Electronic Technique,2025,51(4):29-34.
Semantic segmentation of mix loading at asphalt mixing plant based on improved U-Net
Li Dongli1,Cheng Gaoli1,Guo Tao2,Xia Xiaohua2
1.Shaanxi Expressway Mechanization Engineering Limited Company; 2.Key Laboratory of Road Construction Technology and Equipment of MOE, Chang'an University
Abstract: Aiming at the existing asphalt mixing plant mixture loading semantic segmentation methods with low Mean Intersection over Union(mIoU) values and slow detection speed, a lightweight network RCS-UNet is proposed for semantic segmentation of asphalt mixing plant mixture loading state.Firstly, residual connections are integrated into the U-Net network to mitigate the gradient vanishing issue, promoting stability during training, enhancing convergence speed, and improving generalization abilities. Secondly, the Coordinate Attention(CA) mechanism is incorporated to boost the perception of positional and channel information, refining feature extraction and enabling a sharper focus on critical regions within the image. Finally, the standard convolution in the U-Net network is modified to depth-separable convolution in order to reduce the size and parameters of the model, so that the model has a lower resource consumption and a faster inference speed while maintaining a higher performance. The experimental results show that the accuracy, mIoU, and FPS of the improved model are 99.20%, 98.41% and 22.98, respectively, which are the highest compared with the classical model and the current state-of-the-art model. The best segmentation results are obtained.
Key words : residual connectivity;CA;depth-separable convolution;semantic segmentation;asphalt mixing plant

引言

隨著科技的進步,工業領域對于智能化和自動化的需求日益增強。瀝青拌合站作為道路建設中的關鍵設備[1],其智能化和自動化水平的提升對于提高道路建設效率、保證建設質量以及降低運營成本都具有重要意義。

目前,瀝青拌合站混合料裝車的狀態主要依靠人工監測,這種監測方法不僅效率低下,而且容易出現誤差[2]。此外,工人長期工作在瀝青煙氣的環境中,嚴重影響其身心健康。隨著計算機技術的發展,基于深度學習的語義分割技術逐漸應用到瀝青拌合站混合料裝車的狀態識別。Wang等[3]提出了M-DeepLabV3+模型對瀝青拌合站混合料裝車圖像進行語義分割,通過計算料堆最高點與車輛擋板的高度差判斷車輛是否裝滿,實現了深度學習在瀝青拌合站混合料裝車狀態識別上的首次應用。李許峰等[4]提出一種輕量級的語義分割網絡S-DeepLabV3+,將原DeepLabV3+的主干網絡Xception替換為ShuffleNetV2,實現了瀝青拌合站裝車的自動化監測。以上方法雖然對瀝青拌合站混合料裝車狀態的智能識別做出了貢獻,但都存在語義分割mIoU值較低、檢測速度較慢等問題。

針對上述問題,本文對U-Net[5]模型進行改進,提出了一種輕量化模型RCS-UNet。首先在U-Net網絡中加入殘差連接[6]以緩解梯度消失的問題,其次加入CA注意力機制[7]提高模型的特征提取能力,最后將U-Net網絡中的標準卷積修改為深度可分離卷積[8]以減小模型體積,提高模型的檢測速度。


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作者信息:

李東麗1,成高立1,郭濤2,夏曉華2

(1.陜西高速機械化工程有限公司,陜西 西安 710038;

2.長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室,陜西 西安710064)


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