面向水利監(jiān)管的違采事件檢測(cè)并行化方法研究

馬斌 徐海軍 陳嘉靖

摘 要：現(xiàn)有卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)方法不能滿足高檢測(cè)精度和速度的要求。針對(duì)此不足，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)選取目標(biāo)檢測(cè)算法，以ＤａｒｋＮｅｔ５３ 網(wǎng)絡(luò)模型為基礎(chǔ)，結(jié)合黃河流域違采事件特點(diǎn)，對(duì)模型加入并行化設(shè)計(jì)，以檢測(cè)速度和檢測(cè)精度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并行化后的ＨＯ－ＤａｒｋＮｅｔ 網(wǎng)絡(luò)模型的加速效果。結(jié)果表明：并行化前ＨＯ－ＤａｒｋＮｅｔ 模型的精確率約７５％、召回率約９６％、ｍＡＰ＠ ０．５ 為９８．５８％、ｍＡＰ＠ ０．５ ∶ ０．９５ 為６４．２５％，與ＤａｒｋＮｅｔ５３ 模型相比，并行化前ＨＯ－ＤａｒｋＮｅｔ 模型的ｍＡＰ＠ ０．５、ｍＡＰ＠ ０．５ ∶ ０．９５ 值分別提升了７．９８％、８．７９％；與并行處理前ＨＯ－ＤａｒｋＮｅｔ 模型相比，并行處理后ＨＯ－ＤａｒｋＮｅｔ 模型的ｍＡＰ 精度值未發(fā)生太大變化，但其加速比提高了２．３２，對(duì)于視頻圖像的處理速度為２１ ｆｐｓ／ ｓ，達(dá)到視頻圖像處理速度標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：ＨＯ－ＤａｒｋＮｅｔ 模型；水利監(jiān)管；違采事件檢測(cè)；并行化；黃河

中圖分類號(hào)：ＴＶ８５３；ＴＶ８８２．１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．１０．０２２

引用格式：馬斌，徐海軍，陳嘉靖．面向水利監(jiān)管的違采事件檢測(cè)并行化方法研究［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（１０）：１２２－１２５．

近年來(lái)，頻繁發(fā)生的黃河違規(guī)采砂事件對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重破壞。為此，相關(guān)部門提出開展黃河河道采砂專項(xiàng)整治行動(dòng)，通過(guò)強(qiáng)化法治管理，維護(hù)河道采砂秩序，促進(jìn)黃河流域生態(tài)系統(tǒng)平穩(wěn)發(fā)展［１］ 。在眾多檢測(cè)技術(shù)中，目標(biāo)檢測(cè)算法在水文檢測(cè)、水位信息智能識(shí)別、砂石檢測(cè)［２］ 等方面發(fā)揮著重要作用，其中基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)算法應(yīng)用尤其廣泛［３］ 。深度學(xué)習(xí)是在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加網(wǎng)絡(luò)深度提高計(jì)算機(jī)提取數(shù)據(jù)特征的能力［４］ 。然而，增加網(wǎng)絡(luò)深度會(huì)加大運(yùn)算量，影響檢測(cè)效率。采用數(shù)據(jù)并行、模型并行等方法對(duì)多模型進(jìn)行優(yōu)化，可以加速運(yùn)算。數(shù)據(jù)并行是指在完整模型基礎(chǔ)上，通過(guò)把數(shù)據(jù)劃分為若干份，實(shí)現(xiàn)多批次數(shù)據(jù)同時(shí)訓(xùn)練。此時(shí)并行設(shè)備數(shù)量會(huì)受到批數(shù)據(jù)大小的限制，當(dāng)批數(shù)據(jù)過(guò)大時(shí)，達(dá)到相同收斂精度所需的迭代次數(shù)會(huì)大幅度增加。模型并行是指將模型按層或者其他方式分解為若干份來(lái)進(jìn)行訓(xùn)練，這種方法通常用于拆分大型模型，以加速訓(xùn)練過(guò)程，但其擴(kuò)展性較差。目前，ＰｙＴｏｒｃｈ 和ＴｅｎｓｏｒＦｌｏｗ 等主流深度學(xué)習(xí)框架都采用數(shù)據(jù)并行方式。

本文以面向水利監(jiān)管的違采事件為研究對(duì)象，首先改進(jìn)檢測(cè)算法模型，減少梯度信息量，再采用并行運(yùn)算提高模型訓(xùn)練速度和檢測(cè)速度，最后基于違采事件監(jiān)管數(shù)據(jù)集驗(yàn)證模型并行后的加速效果，以期為快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)違采事件提供新技術(shù)。

１ 理論方法

１．１ 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎａｌ Ｎｅｕｒａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ＣＮＮ）模型［５］結(jié)構(gòu)分為卷積層、池化層和全連接層。卷積層從輸入特征圖像通道提取特征信息［６］ ；池化層對(duì)提取的特征信息進(jìn)行下采樣，減輕網(wǎng)絡(luò)模型的過(guò)擬合程度；全連接層連接提取的特征圖像，使用分類器得到最終分類結(jié)果。在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，通常會(huì)在若干個(gè)卷積層和池化層之后引入全連接層，池化層伴隨卷積層交替顯示。

１．２ 目標(biāo)檢測(cè)算法

ｏｎｅ?ｓｔａｇｅ 和ｔｗｏ?ｓｔａｇｅ 算法是基于深度學(xué)習(xí)的主要目標(biāo)檢測(cè)算法［７－８］ 。ｔｗｏ?ｓｔａｇｅ 算法先通過(guò)某種方式生成一些候選框，再通過(guò)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)候選框進(jìn)行分類。常見的ｔｗｏ?ｓｔａｇｅ 目標(biāo)檢測(cè)算法有Ｆａｓｔｅｒ－ＲＣ?ＮＮ［９］ 、Ｒ－ＦＣＮ［１０］ 算法，此類算法要進(jìn)行多次檢測(cè)和分類，運(yùn)行較慢。而ｏｎｅ?ｓｔａｇｅ 目標(biāo)檢測(cè)算法只需將數(shù)據(jù)一次傳送進(jìn)網(wǎng)絡(luò)，就可以預(yù)測(cè)出所有的邊界框。常見的ｏｎｅ?ｓｔａｇｅ 目標(biāo)檢測(cè)算法有ＳＳＤ 和ＹＯＬＯ ｖ３ 算法，此類算法沒有單獨(dú)的候選區(qū)域提取過(guò)程，不需要產(chǎn)生候選框，僅一個(gè)前饋ＣＮＮ 網(wǎng)絡(luò)就可以完成目標(biāo)的位置檢測(cè)和分類預(yù)測(cè)任務(wù)，因此ｏｎｅ?ｓｔａｇｅ 目標(biāo)檢測(cè)算法簡(jiǎn)便快捷、運(yùn)行較快。ｏｎｅ?ｓｔａｇｅ 目標(biāo)檢測(cè)算法中ＤａｒｋＮｅｔ５３網(wǎng)絡(luò)模型作為基于殘差網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，被廣泛應(yīng)用于目標(biāo)檢測(cè)領(lǐng)域。本文基于ＤａｒｋＮｅｔ５３ 網(wǎng)絡(luò)模型展開違采事件檢測(cè)研究。

２ 違采事件檢測(cè)模型構(gòu)建與并行化分析

２．１ 違采目標(biāo)群選取

通過(guò)調(diào)查黃河流域違規(guī)采砂事件發(fā)現(xiàn)，違采人通常利用手推車、裝載車、挖掘機(jī)等進(jìn)行采砂，再進(jìn)行非法售賣。因此，本文主要選取違采人、采砂工具等作為特定的違采目標(biāo)群來(lái)進(jìn)行模型設(shè)計(jì)。２．２ 違采事件檢測(cè)模型構(gòu)建ＤａｒｋＮｅｔ５３ 網(wǎng)絡(luò)模型由卷積層和殘差層組成，使用大量殘差跳層連接，其包含的梯度信息數(shù)量多、重復(fù)率高。針對(duì)此問題，提出改進(jìn)的ＨＯ－ＤａｒｋＮｅｔ 網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)構(gòu)建違采事件檢測(cè)模型。在ＨＯ－ＤａｒｋＮｅｔ 網(wǎng)絡(luò)模型中，把基礎(chǔ)層次的特征圖劃分成２ 個(gè)部分，再使用跨階段的層次結(jié)構(gòu)將它們合并，可以減少網(wǎng)絡(luò)模型中大量重復(fù)的梯度信息，提高網(wǎng)絡(luò)模型的處理速度。ＨＯＤａｒｋＮｅｔ網(wǎng)絡(luò)模型單個(gè)模塊（ＨＯ＿Ｘ）結(jié)構(gòu)見圖１，圖中ＣＢＬ 為Ｃｏｎｖ（卷積）、ＢＮ（批量歸一化）、Ｌｅａｋｙ＿ｒｅｌｕ 激活函數(shù)三者結(jié)合的組件；Ｒｅｓ ｕｎｉｔ 組件借鑒Ｒｅｓｎｅｔ 網(wǎng)絡(luò)中的殘差結(jié)構(gòu)，可以增加網(wǎng)絡(luò)深度；Ｃｏｎｃａｔ 組件的作用是張量拼接，會(huì)擴(kuò)大維度的張量。

３ 數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

數(shù)據(jù)獲取方式有實(shí)地拍攝和網(wǎng)上圖像爬取。本研究通過(guò)實(shí)地拍攝獲?。?０００ 張圖像，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)獲得３５ ０００ 張圖像，共獲?。矗?０００ 張圖像作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集。由于采集的數(shù)據(jù)集會(huì)受到圖像尺寸、圖像清晰度、目標(biāo)受遮擋程度等因素的影響，因此需要對(duì)采集圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、人工篩選。采用Ｌａｂｅｌｉｍｇ 軟件對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行標(biāo)注，制作成ＶＯＣ 格式的數(shù)據(jù)集，在Ａｎ?ｎｏｔａｔｉｏｎ 文件路徑下生成與標(biāo)注圖像相對(duì)應(yīng)的ｘｍｌ 文件。對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理后，得到違規(guī)采砂數(shù)據(jù)集分類數(shù)量如下：違采人圖像３ １４２ 張，鏟車圖像２ ８１２張，灰斗車圖像２ ７４６ 張，鏟子圖像２ ６００ 張，挖掘機(jī)圖像３ ０６８ 張，汽車圖像２ ７５０ 張，拉砂車圖像３ ３５２ 張。

４ 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用精確率、召回率和平均精確度（ｍＡＰ）對(duì)模型效果進(jìn)行評(píng)估。精確率是指正確預(yù)測(cè)的正例個(gè)數(shù)占所有預(yù)測(cè)為正例的樣本個(gè)數(shù)的比率［１１］ 。召回率是指所有被正確識(shí)別的目標(biāo)數(shù)量占所有被識(shí)別目標(biāo)數(shù)量的比率［１２］ 。ｍＡＰ 表示一個(gè)模型在多個(gè)類別上的檢測(cè)準(zhǔn)確性，用ｍＡＰ＠ ０．５ 表示ＩｏＵ（Ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎ ｏｖｅｒ Ｕｎｉｏｎ）閾值為０．５ 時(shí)的平均精確度，用ｍＡＰ＠ ０．５ ∶ ０．９５ 表示ＩｏＵ 閾值為０．５～０．９５時(shí)的平均精確度。

衡量并行算法性能的指標(biāo)有加速比和并行效率［１３］ 。加速比反映系統(tǒng)運(yùn)行并行程序時(shí)發(fā)揮并行能力的程度，其與硬件、軟件都有關(guān)系。并行效率是衡量并行計(jì)算系統(tǒng)利用多個(gè)處理單元或計(jì)算資源時(shí)的有效性和性能提升程度的指標(biāo)，反映實(shí)際執(zhí)行時(shí)間與理論最佳執(zhí)行時(shí)間之間的差異。

５ 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采用ＨＯ－ＤａｒｋＮｅｔ 網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)違采事件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使用獲取的違規(guī)采砂數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試，批處理大小設(shè)置為３２，訓(xùn)練次數(shù)為５ ０００ 次，測(cè)試次數(shù)為１ ０００次，初始學(xué)習(xí)率設(shè)為０．００１，在測(cè)試第２ ０００ 次和第４ ０００ 次后各設(shè)置學(xué)習(xí)率為０．０００ １、０．０００ ０１ 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)效果見圖３ 和表１。

閾值為５０ 時(shí)可以實(shí)現(xiàn)精確率和召回率的平衡，此時(shí)ＨＯ－ＤａｒｋＮｅｔ 網(wǎng)絡(luò)模型的精確率在７５％附近波動(dòng)，召回率在９６％ 附近波動(dòng)。與ＤａｒｋＮｅｔ５３ 模型相比，ＨＯ－ＤａｒｋＮｅｔ模型的ｍＡＰ＠ ０．５、ｍＡＰ＠ ０．５ ∶ ０．９５ 值分別提升了７．９８％、８．７９％，ＨＯ－ＤａｒｋＮｅｔ 網(wǎng)絡(luò)模型性能有所提高。

在處理速度方面，標(biāo)準(zhǔn)的視頻圖像處理速度為２４～３０ ｆｐｓ／ ｓ。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，ＨＯ－ＤａｒｋＮｅｔ 網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)于視頻圖像的處理速度為６ ｆｐｓ／ ｓ，不能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用需求。因此，采用并行方法進(jìn)一步對(duì)ＨＯ－ＤａｒｋＮｅｔ網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行改進(jìn)，以提高處理速度。

為驗(yàn)證并行化設(shè)計(jì)的有效性，本實(shí)驗(yàn)繼續(xù)采用上述違規(guī)采砂數(shù)據(jù)集，設(shè)置數(shù)據(jù)集為２０ ０００ 張圖像，其中：１６ ０００ 張為訓(xùn)練圖像，４ ０００ 張為驗(yàn)證圖像，參數(shù)設(shè)置保持不變。并行處理前ＨＯ－ＤａｒｋＮｅｔ 網(wǎng)絡(luò)模型的加速比為１．００，并行處理后ＨＯ－ＤａｒｋＮｅｔ 網(wǎng)絡(luò)模型的ｍＡＰ ＠ ０． ５ 值為９０． ４０％， ｍＡＰ ＠ ０． ５ ∶ ０． ９５ 值為５５．３９％，加速比為３．３２。并行處理后ＨＯ－ＤａｒｋＮｅｔ 網(wǎng)絡(luò)模型的ｍＡＰ 精度值未發(fā)生太大變化，而檢測(cè)速度有了大幅度提升。同時(shí)經(jīng)過(guò)多次檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，并行處理后ＨＯ－ＤａｒｋＮｅｔ 網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)于視頻圖像的處理速度為２１ ｆｐｓ／ ｓ，達(dá)到視頻圖像處理速度標(biāo)準(zhǔn)。

６ 結(jié)論

本文圍繞黃河流域違規(guī)采砂事件，對(duì)面向水利監(jiān)管的違采事件檢測(cè)方法進(jìn)行并行化研究。通過(guò)分析ＤａｒｋＮｅｔ５３ 網(wǎng)絡(luò)模型基本結(jié)構(gòu)，結(jié)合檢測(cè)背景、需求和目標(biāo)等特點(diǎn)，對(duì)卷積計(jì)算過(guò)程進(jìn)行并行化分析，構(gòu)建并行化ＨＯ－ＤａｒｋＮｅｔ 網(wǎng)絡(luò)模型。相比于ＤａｒｋＮｅｔ５３ 網(wǎng)絡(luò)模型，并行化的ＨＯ－ＤａｒｋＮｅｔ 網(wǎng)絡(luò)模型可以顯著提高檢測(cè)速度。

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【責(zé)任編輯 栗 銘】