采煤工作面隐患目标检测中YOLO11与Faster R-CNN的对比研究

导读:

针对煤矿井下采煤工作面裂缝、鼓包、坍塌等隐患检测中样本有限、特征微弱的问题,构建500张实景图像数据集,对比YOLO11与Faster R-CNN。实验表明,YOLO11最优mAP50达94.80%,精确率96.30%,召回率89.60%,参数量仅2.59 M,推理速度72 FPS,对细长裂缝等小目标检测完整精准;Faster R-CNN的mAP50为81.91%,对大尺度坍塌较好,但小目标漏检明显。YOLO11在精度与实时性上更具优势,适合井下部署。

作者信息:

王耀杨, 秦佳俊:应急管理大学资源与环境学院,河北 廊坊;王 翀*:应急管理大学计算机与安全信息学院,河北 廊坊

doi:

采煤工作面隐患目标检测中YOLO11与Faster R-CNN的对比研究

论文详情

实验设计

本次实验图像全部取自冀东地区 3 座在产煤矿综采工作面。采集环境覆盖井下典型复杂工况,数据集总计采集、筛选有效实景图像 500 张,包含裂缝(crack)、鼓包(bulge)、坍塌(collapse)三类典型 工作面隐患,采用 LabelImg 工具完成边界框标注,同步输出 VOC、YOLO 两种标准格式文件。

实验硬件配置为:CPU 为 Intel Core i7-12700K,GPU 为 NVIDIA RTX3090,内存 32 GB,存储 512 GB SSD。软件环境方面,操作系统为 Windows10 专业版,深度学习框架为 PyTorch1.12.1,Python 版本 3.8.13,辅助库包括 OpenCV4.5.5、NumPy1.21.6、Matplotlib3.5.3 等。

为保证实验公平性与可比性,YOLO11 与 Faster R‑CNN 均使用官方预训练权重,采用完全相同的数据增强策略、统一优化器类型,在相同硬件环境下完成训练与速度测试。

两种算法核心训练参数配置如表 1 所示。

实验结果与分析

两种模型整体检测性能指标如表 2 所示。

两种算法对不同缺陷类别的单类 AP 检测性能如表 3 所示。

YOLO11 模型完整训练损失变化曲线见图 4。

Faster R‑CNN损失曲线见图 5。

为进一步验证模型在真实井下场景的泛化能力,采用全程独立隔离、未参与训练与参数调优的测试 集进行客观评估,实测指标如表 4 所示。

采煤工作面隐患目标检测场景中,经独立测试集泛化验证,YOLO11 算法的综合性能优于 Faster RCNN。。综合来看,在样本有限、环境复杂的煤矿井下场景中,YOLO11 在检测精度与实时性方面优势突出,可作为采煤工作面隐患实时检测的优选方案。

(编辑:HHans-Yuan)

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