基于YOLO v5的帶涂層鋼結(jié)構(gòu)亞表面缺陷脈沖渦流熱成像智能檢測

張玉彬，劉鵬謙，陳麗娜，韓雅鴿，劉 蕊，謝 靜，徐長航

基于YOLO v5的帶涂層鋼結(jié)構(gòu)亞表面缺陷脈沖渦流熱成像智能檢測

張玉彬，劉鵬謙，陳麗娜，韓雅鴿，劉 蕊，謝 靜，徐長航

（中國石油大學(xué)（華東） 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580）

帶涂層鋼結(jié)構(gòu)亞表面缺陷的存在例如腐蝕、鋼基體裂紋及涂層脫粘等，會(huì)對整體結(jié)構(gòu)的性能產(chǎn)生影響，并加速涂層系統(tǒng)退化過程。因此，提出一種基于YOLO v5的帶涂層鋼結(jié)構(gòu)亞表面缺陷脈沖渦流熱成像智能檢測方法。這一方法可以在不移除涂層的情況下自動(dòng)檢測帶涂層鋼結(jié)構(gòu)亞表面缺陷，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。通過所提方法，在保留涂層的情況下，對帶涂層鋼結(jié)構(gòu)中的腐蝕、裂紋、脫粘等亞表面缺陷進(jìn)行智能檢測。檢測結(jié)果表明，本文所提方法能夠精確地識(shí)別和分類帶涂層鋼結(jié)構(gòu)的4種亞表面缺陷類型：鋼基體裂紋、脫粘、嚴(yán)重質(zhì)量損失（如腐蝕凹坑、腐蝕磨損）以及輕微質(zhì)量損失（如腐蝕薄層）。4種缺陷類型的檢測精度分別高達(dá)96%、97%、95%和93%，同時(shí)滿足實(shí)時(shí)性檢測需求。

帶涂層鋼結(jié)構(gòu)；缺陷智能檢測；脈沖渦流熱成像；YOLO v5

0 引言

帶涂層鋼結(jié)構(gòu)因具備防腐、延壽、維護(hù)簡便和施工簡單等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于土木建筑、海洋工程、航天工程等重要基礎(chǔ)設(shè)施中[1-2]。然而，帶涂層鋼結(jié)構(gòu)在施工、服役的過程中可能會(huì)產(chǎn)生各種類型的缺陷，如腐蝕、鋼基體裂紋及涂層脫粘等。缺陷的存在會(huì)對整體結(jié)構(gòu)的性能產(chǎn)生影響，并加速涂層系統(tǒng)退化，威脅結(jié)構(gòu)安全[3-4]。因此，應(yīng)用無損檢測技術(shù)在不移除涂層的情況下檢測帶涂層鋼結(jié)構(gòu)亞表面缺陷具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

近年來，幾種無損檢測技術(shù)（non-destructive testing，NDT）已被用于涂層亞表面和涂層相關(guān)缺陷的檢測。交流阻抗譜技術(shù)（electrochemical impedance spectroscopy，EIS）是較為常見的有機(jī)涂層探傷技術(shù)，是利用小振幅正弦波電位當(dāng)作擾動(dòng)信號的頻率域電化學(xué)方法[5-6]，具備對涂層結(jié)構(gòu)干擾小，測試可用頻率范圍廣，多角度給出涂層界面服役狀態(tài)及涂層失效特征等優(yōu)勢。這種方法同時(shí)也具有一定的局限性，包括不適合現(xiàn)場檢測，測試結(jié)果依賴于等效電路，阻抗譜體系判辨困難等。X射線可以穿透有機(jī)涂層而保持較少衰減，然而X射線檢測所需時(shí)間長，現(xiàn)場輻射劑量大，對操作者具有身體傷害[7]。超聲波檢測技術(shù)利用超聲波探頭對有機(jī)涂層涂覆的金屬表面發(fā)射脈沖，脈沖在均質(zhì)材料內(nèi)部以恒定速率傳播，脈沖到達(dá)材料界面反射回探頭，通過測量脈沖傳播時(shí)間計(jì)算被檢測材料厚度，判斷出有機(jī)涂層涂覆鋼混合結(jié)構(gòu)中可能會(huì)出現(xiàn)的脫粘、鼓泡和腐蝕缺陷[8-9]。然而，超聲波檢測技術(shù)需要被測試件表面光滑，無法做到直觀反映缺陷特征，需要依靠檢測人員的經(jīng)驗(yàn)[10]。

脈沖渦流熱成像檢測技術(shù)（eddy current pulsed thermography，ECPT）是一種新興的紅外熱成像技術(shù)，它結(jié)合了渦流加熱、熱傳導(dǎo)和紅外熱成像等多種物理過程對缺陷和材料進(jìn)行表征，具有快速、大面積、高分辨率、高靈敏度和檢測結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)[11]。與光激勵(lì)熱成像技術(shù)相比，ECPT還有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即熱量直接在材料表面以下的內(nèi)部薄層中產(chǎn)生，因此，吸收系數(shù)等表面性質(zhì)對產(chǎn)生的熱量無影響，能夠消除了涂層反射和光照不均對實(shí)驗(yàn)的干擾。已有研究表明脈沖渦流熱成像檢測技術(shù)能夠檢測鋼結(jié)構(gòu)腐蝕層下的裂紋或檢測油漆涂層下的腐蝕[12-13]。然而使用脈沖渦流熱成像技術(shù)檢測帶涂層鋼結(jié)構(gòu)中涂層下腐蝕、鋼基體裂紋、涂層脫粘等亞表面缺陷的研究仍然存在空白，因此，本文使用脈沖渦流熱成像檢測技術(shù)對帶涂層鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行亞表面缺陷的檢測，為此類結(jié)構(gòu)的缺陷檢測提供技術(shù)支持。

然而，脈沖渦流熱成像檢測結(jié)果以紅外圖像的形式呈現(xiàn)，一次檢測會(huì)產(chǎn)生大量紅外圖像。單憑人眼進(jìn)行缺陷識(shí)別效率較低，尤其是對于質(zhì)量較差的圖像，人眼難以做出準(zhǔn)確判斷，存在可靠性低和效率低的問題。因此，將目標(biāo)檢測技術(shù)應(yīng)用于紅外熱成像檢測變得至關(guān)重要，這將顯著提高檢測效率，實(shí)現(xiàn)對缺陷的智能化檢測。目前在紅外熱成像領(lǐng)域應(yīng)用較多的目標(biāo)檢測主要局限于一些傳統(tǒng)算法，例如基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解[14]的目標(biāo)檢測算法，雖然實(shí)現(xiàn)簡單且計(jì)算速度快，但其缺點(diǎn)在于難以解決工程復(fù)雜背景的問題；基于低秩稀疏恢復(fù)[15]的目標(biāo)檢測算法可以用于檢測信噪比不高的紅外圖像，可靠性高，但是存在檢測速度慢、過程復(fù)雜的缺點(diǎn)。近年來，隨著人工智能領(lǐng)域的高速發(fā)展，基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測算法逐漸引起了人們的關(guān)注。這些算法具備極大的潛力和優(yōu)勢，成為目標(biāo)檢測領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測算法是利用大量的數(shù)據(jù)和多層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行訓(xùn)練，獨(dú)立提取出圖像特征，主要是通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（convolutional neural network，CNN）來實(shí)現(xiàn)[16-17]。其中基于回歸的YOLO（you only look once）算法具有深層卷積結(jié)構(gòu)，可一次性對多個(gè)邊框位置和類別進(jìn)行識(shí)別。該算法自2016年[18]被提出后，經(jīng)過不斷優(yōu)化與改進(jìn)，其精確度和實(shí)時(shí)性得到了顯著提高。YOLO v5以能夠?qū)崿F(xiàn)高速和高效的檢測而著稱，它的速度和精度平衡使其適用于許多實(shí)際應(yīng)用，如無人機(jī)視覺、工業(yè)檢測等[19-20]。本研究將基于YOLO v5建立針對帶涂層鋼結(jié)構(gòu)亞表面缺陷的智能ECPT檢測方法，對結(jié)構(gòu)中不同類型的缺陷進(jìn)行智能識(shí)別與分類。

1 ECPT檢測原理

ECPT是一種結(jié)合了渦流檢測技術(shù)和紅外熱成像技術(shù)的無損檢測方法，涵蓋了電磁感應(yīng)、熱量傳導(dǎo)和熱輻射等多種物理過程。圖1詳細(xì)描述了ECPT檢測帶涂層鋼結(jié)構(gòu)亞表面缺陷的檢測原理。如圖1所示，勵(lì)磁線圈內(nèi)的高頻交變電流在鋼結(jié)構(gòu)和涂層材料中產(chǎn)生渦流，而涂層材料由于其電磁屬性較差，涂層材料內(nèi)部的渦流非常微弱，可以忽略不計(jì)。因此涂層結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的焦耳熱很少。與此同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部渦流產(chǎn)生的焦耳熱引起鋼結(jié)構(gòu)溫度大幅度升高，鋼結(jié)構(gòu)與涂層結(jié)構(gòu)之間的溫度梯度導(dǎo)致了帶涂層鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱傳導(dǎo)和附加溫升，熱傳導(dǎo)持續(xù)至整個(gè)帶涂層鋼結(jié)構(gòu)最終達(dá)到熱平衡。在缺陷檢測中，帶涂層鋼結(jié)構(gòu)中存在的缺陷，如腐蝕凹坑、腐蝕磨損、腐蝕薄層、鋼基體裂紋、涂層脫粘等，將以不同的方式對結(jié)構(gòu)的產(chǎn)熱和傳熱過程產(chǎn)生影響，這些影響將導(dǎo)致涂層表面溫度分布異常，這種溫度分布的異?？梢杂眉t外熱像儀捕捉并記錄下來，在獲取的紅外熱像圖中能夠觀察到缺陷的存在及特征。

2 YOLO v5模型

YOLO v5是一種基于YOLO架構(gòu)的目標(biāo)檢測模型，包括YOLO v5s，YOLO v5m，YOLO v5l，YOLO v5x四個(gè)版本，圖2展示了YOLO v5四種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基于COCO數(shù)據(jù)集的算法性能測試圖，其中YOLO v5s整體網(wǎng)絡(luò)最小，訓(xùn)練速度最快，平均精度（average precision，AP）也最低，適用于檢測較大目標(biāo)，追求速度的應(yīng)用場景；另外3種網(wǎng)絡(luò)在此基礎(chǔ)上不斷加寬加深，平均精度不斷提升的同時(shí)，耗時(shí)也在加長。

圖1 帶涂層鋼結(jié)構(gòu)缺陷ECPT檢測原理

圖2 YOLO v5算法性能測試

圖3展示了YOLO v5的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，其延續(xù)了one-stage結(jié)構(gòu)的組成，包含輸入端、骨干部分Backbone、頸部Neck、預(yù)測Prediction四個(gè)步驟，接下來進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖3 YOLO v5網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.1 輸入端

YOLO v5在輸入端部分采用Mosaic數(shù)據(jù)增強(qiáng)，使得模型訓(xùn)練在單個(gè)GPU上也能取得理想的效果，Mosaic數(shù)據(jù)增強(qiáng)對4張圖片采用隨機(jī)縮放、隨機(jī)裁剪、隨機(jī)排布的方式進(jìn)行拼接，如圖4所示。該處理方式極大地充盈了訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，且隨機(jī)縮放使得小目標(biāo)占比增大，提高了網(wǎng)絡(luò)模型的魯棒性。

(a) 示例1(a) Example 1(b) 示例2(b) Example 2

2.2 Backbone

Focus結(jié)構(gòu)首次在YOLO系列網(wǎng)絡(luò)中使用，其重點(diǎn)在于切片操作，增加特征圖維度。CSPDarknet53是在Darknet53的基礎(chǔ)上借鑒CSPNet產(chǎn)生的骨干結(jié)構(gòu)，CSP結(jié)構(gòu)（如圖5所示）的應(yīng)用有效解決了計(jì)算瓶頸，減少了內(nèi)存需要，提高了CNN學(xué)習(xí)特征的能力，使得模型輕量化與準(zhǔn)確率并存。

圖5 CSP結(jié)構(gòu)

2.3 Neck

YOLO v5在結(jié)構(gòu)頸部使用特征金字塔網(wǎng)絡(luò)（feature pyramid network，F(xiàn)PN）與路徑聚合網(wǎng)絡(luò)（path aggregation network，PAN）相結(jié)合的結(jié)構(gòu)（如圖6所示），其中PAN借鑒了圖像分割領(lǐng)域PANet的設(shè)計(jì)思路。FPN自上向下傳達(dá)強(qiáng)語義特征，特征金字塔自下朝上傳達(dá)強(qiáng)定位特征，提高了網(wǎng)絡(luò)特征融合的能力。

圖6 FPN＋PAN結(jié)構(gòu)

2.4 Prediction

YOLO v5目標(biāo)檢測的損失函數(shù)由分類損失函數(shù)（classification loss）和回歸損失函數(shù)（bounding box regression loss）構(gòu)成。YOLO v5采用CIoU（complete intersection over union）作回歸損失函數(shù)，提高了邊界框回歸的速度和精度。在目標(biāo)檢測的后續(xù)處理過程中，YOLO v5采用加權(quán)非極大值抑制（non-maximum suppression，NMS）的方法改進(jìn)了遮擋重疊目標(biāo)的檢測效果。

3 YOLO v5缺陷智能化識(shí)別模型訓(xùn)練

3.1 帶涂層鋼結(jié)構(gòu)亞表面缺陷紅外圖像數(shù)據(jù)集

模型訓(xùn)練所需數(shù)據(jù)集來自帶涂層鋼結(jié)構(gòu)亞表面缺陷ECPT檢測實(shí)驗(yàn)。訓(xùn)練所用數(shù)據(jù)集包含1009張紅外圖像，涵蓋4種類型的缺陷特征，分別是帶涂層鋼結(jié)構(gòu)嚴(yán)重質(zhì)量損失（腐蝕磨損、腐蝕凹坑），輕微質(zhì)量損失（腐蝕薄層），鋼基體裂紋，涂層脫粘。其中909張圖像作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，10張圖像作為訓(xùn)練驗(yàn)證數(shù)據(jù)集，90張圖像作為測試數(shù)據(jù)集，如表1所示。

3.2 缺陷智能化識(shí)別模型評估指標(biāo)

為了對訓(xùn)練結(jié)果進(jìn)行評估，選用模型權(quán)重、訓(xùn)練時(shí)長、召回率、準(zhǔn)確率以及均值平均精度（mean average precision, mAP）等不同參數(shù)進(jìn)行多方面評估。其中，準(zhǔn)確率Precision是一個(gè)二分類統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，指的是在判斷為真的樣本中真樣本的占比，召回率Recall指的是在真樣本中被判斷為真的樣本占比，相關(guān)計(jì)算公式為：

公式(1)與(2)中：TP表示正樣本被正確識(shí)別的數(shù)量；FP表示負(fù)樣本被錯(cuò)誤地識(shí)別成了正樣本的數(shù)量；FN表示正樣本被錯(cuò)誤地識(shí)別成負(fù)樣本的數(shù)量。以準(zhǔn)確率作為縱坐標(biāo)，召回率作為橫坐標(biāo)組合構(gòu)成-關(guān)系曲線，-曲線下圍成的面積用平均精度AP表示，所有類別AP平均值即均值平均精度mAP，其值越大代表模型對此類別目標(biāo)的檢測準(zhǔn)確度越高。

表1 帶涂層鋼結(jié)構(gòu)缺陷數(shù)據(jù)集信息

3.3 模型訓(xùn)練環(huán)境與參數(shù)

由于本研究收集的紅外數(shù)據(jù)集的體量相對較小。因此，從零開始訓(xùn)練一個(gè)具有出色的目標(biāo)識(shí)別和定位能力的YOLO v5模型是一項(xiàng)非常困難的任務(wù)。因此本研究采用遷移學(xué)習(xí)的方法，使用在COCO數(shù)據(jù)集預(yù)訓(xùn)練的YOLO v5模型作為初始模型，然后在收集到的紅外數(shù)據(jù)集上進(jìn)行微調(diào)。這樣可以將來自大規(guī)模數(shù)據(jù)集的知識(shí)遷移到紅外數(shù)據(jù)集上，提高模型的性能。本研究所使用的模型訓(xùn)練環(huán)境在Windows 10操作系統(tǒng)下運(yùn)行。其中，所采用的CPU為Intel(R) Core(TM) i5-8300H，主頻為2.30GHz；GPU部分則選用了GeForce RTX 2080Ti。模型的訓(xùn)練與構(gòu)建過程基于PyTorch動(dòng)態(tài)開發(fā)框架，編程語言選擇了Python 3.8版本。訓(xùn)練參數(shù)被設(shè)定為：圖像尺寸為640×640，訓(xùn)練輪次總數(shù)為60，每輪批量大小為1，優(yōu)化器選定為Adam。

3.4 模型訓(xùn)練結(jié)果

以網(wǎng)絡(luò)寬度最大，深度最深的YOLO v5x網(wǎng)絡(luò)為例，圖7展示了缺陷智能化識(shí)別模型的訓(xùn)練結(jié)果。圖7給出了YOLO v5模型的訓(xùn)練結(jié)果，隨著訓(xùn)練輪次的不斷增加，模型的各個(gè)評估參數(shù)也在不斷變化。YOLO v5使用GIoU Loss作為預(yù)測框的損失函數(shù)，第一行第一張圖即為GIoU損失函數(shù)均值，隨著訓(xùn)練輪次的增加損失函數(shù)均值不斷減小，表明預(yù)測框越來越精準(zhǔn)。第一行第二張圖中的Objectness為目標(biāo)檢測損失函數(shù)均值，隨著訓(xùn)練輪次的增加不斷減小，表明缺陷檢測準(zhǔn)確率不斷升高。第一行第3張圖中的Classification為目標(biāo)分類損失函數(shù)均值，隨著訓(xùn)練輪次增加不斷減小，表明缺陷分類正確率不斷提高。第一行第4張圖和第5張圖中的Precision和Recall為目標(biāo)檢測的精度和召回率，隨著訓(xùn)練輪次增加不斷提高，表明缺陷檢測中識(shí)別為缺陷的樣本即召回率不斷增加，且其中真實(shí)缺陷樣本的比重即精度不斷增大，訓(xùn)練結(jié)束時(shí)召回率可達(dá)100%，精度在70%以上，且訓(xùn)練過程中召回率和精度的波動(dòng)較小，訓(xùn)練結(jié)果較好。第二行前三張圖分別為驗(yàn)證集的GIoU損失函數(shù)均值，目標(biāo)檢測損失函數(shù)均值和目標(biāo)分類損失函數(shù)均值，說明隨著訓(xùn)練輪次的增加，目標(biāo)檢測準(zhǔn)確率和分類正確率不斷提高。第二行第四張圖中的mAP@0.5表示IoU閾值大于0.5的均值平均精度，隨訓(xùn)練輪次的不斷增加，在第20個(gè)輪次之后，模型的mAP@0.5已達(dá)到100%，表明模型的訓(xùn)練效果較好。第二行第5張圖中的mAP@0.5:0.95表示在不同IoU閾值（從0.5到0.95，步長0.05）上的均值平均精度，隨訓(xùn)練輪次的不斷增加，在第30個(gè)輪次之后，模型的mAP@0.5:0.95已達(dá)到80%，訓(xùn)練結(jié)果較為理想。

圖7 YOLO v5模型訓(xùn)練結(jié)果

圖8～圖11分別展示了YOLO v5x檢測器對鋼基體裂紋缺陷、涂層脫粘缺陷、嚴(yán)重質(zhì)量損失缺陷、輕微質(zhì)量損失缺陷的識(shí)別及分類效果。

圖8展示了模型對鋼基體裂紋的識(shí)別效果，對于不同寬度和深度的裂紋缺陷，該模型都可以實(shí)現(xiàn)有效識(shí)別和分類，置信范圍為0.94～0.96，精確識(shí)別裂紋中心的低溫特征并正確分類。圖9展示了模型對涂層脫粘的識(shí)別效果，對于不同面積的脫粘缺陷，置信度高達(dá)0.97，精確識(shí)別脫粘缺陷的低溫區(qū)域并正確分類。圖10展示了模型對嚴(yán)重質(zhì)量損失（腐蝕凹坑、腐蝕磨損）的識(shí)別效果，對于不同面積和深度的嚴(yán)重質(zhì)量損失缺陷，置信度達(dá)到了0.95，能夠精確識(shí)別嚴(yán)重質(zhì)量損失的強(qiáng)低溫特征并正確分類。圖11展示了模型對輕微質(zhì)量損失（腐蝕薄層）的識(shí)別效果，對于不同面積和厚度的缺陷，置信范圍為0.89～0.93，能夠精確識(shí)別輕微質(zhì)量損失的弱低溫特征并正確分類，且由于該缺陷低溫特征較弱，模型識(shí)別效果稍遜于其他類型缺陷。高置信度的檢測結(jié)果表明，該模型具有較好的魯棒性和相對可靠的性能，能夠?qū)崿F(xiàn)帶涂層鋼結(jié)構(gòu)亞表面缺陷的準(zhǔn)確檢測。

(a)(b)

(a)(b)

(a)(b)

(a)(b)

4 YOLO v5四種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的檢測性能對比

本章從網(wǎng)絡(luò)深度、模型權(quán)重、模型參數(shù)、錨框生成數(shù)量、訓(xùn)練時(shí)長、單幀推理速度、不同閾值下均值平均精度等方面對YOLO v5四種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)YOLO v5s，YOLO v5m，YOLO v5l，YOLO v5x的訓(xùn)練檢測性能對比分析，如表2所示。同時(shí)，圖12展示4種網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練過程中的GIoU損失函數(shù)，目標(biāo)檢測損失函數(shù)，目標(biāo)分類損失函數(shù)的變化趨勢；圖13給出了4種網(wǎng)絡(luò)模型的均值平均精度變化曲線，精確率曲線和召回率曲線。

由表2可以看出，從YOLO v5s到Y(jié)OLO v5x，網(wǎng)絡(luò)層數(shù)逐漸增加，網(wǎng)絡(luò)深度不斷加深，隨著網(wǎng)絡(luò)模型逐漸復(fù)雜，模型權(quán)重也從14.1MB逐漸增大到177.5MB。4種網(wǎng)絡(luò)模型在訓(xùn)練過程中平均每個(gè)目標(biāo)生成的自適應(yīng)錨框數(shù)量都在5.5左右，而訓(xùn)練過程中使用的模型參數(shù)以數(shù)量級的形式增長，使得從YOLO v5s到Y(jié)OLO v5x的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)長由0.913h增加到1.783h，模型的速度消耗逐漸增大，耗時(shí)加長。模型訓(xùn)練完成使用驗(yàn)證集進(jìn)行檢測驗(yàn)證時(shí)，隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷加深，模型單幀推理速度從YOLO v5s的0.009s稍稍加長到Y(jié)OLO v5x的0.017s，仍保持了較快的推理速度。同時(shí)，4種網(wǎng)絡(luò)模型的驗(yàn)證集檢測中IoU閾值大于0.5的均值平均精度都達(dá)到了99.5%，在不同閾值上的均值平均精度分別達(dá)到了88.2%，92.9%，87.0%，89.4%，可以看出，不同閾值上的mAP與網(wǎng)絡(luò)深度并不完全遵循正相關(guān)的規(guī)律，YOLO v5m的mAP值更高一些，證明對于帶涂層鋼結(jié)構(gòu)亞表面缺陷紅外圖像數(shù)據(jù)集，YOLO v5m網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練效果更好，該模型的網(wǎng)絡(luò)深度更適合此類型數(shù)據(jù)集的特征提取和融合。

圖12展示了不同模型的訓(xùn)練過程，通過GIoU損失函數(shù)（邊界框損失函數(shù)），目標(biāo)檢測損失函數(shù)，目標(biāo)分類損失函數(shù)進(jìn)行對比，損耗值表示預(yù)測值和真實(shí)值之間的差值。GIoU損失函數(shù)與預(yù)測框的識(shí)別效果成反比；目標(biāo)檢測損失函數(shù)為目標(biāo)檢測置信度的損耗均值，該值與目標(biāo)置信度成反比；目標(biāo)分類損失函數(shù)為分類的平均損耗，該值與分類效果成反比。如圖12所示，YOLO v5m和YOLO v5x模型在訓(xùn)練過程中的收斂損失要略優(yōu)于YOLO v5s和YOLO v5l模型，YOLO v5m在保證模型輕量化的同時(shí)仍能夠更好地定位缺陷位置。在訓(xùn)練初期，前10個(gè)輪次的損失函數(shù)均值迅速下降，當(dāng)訓(xùn)練輪次達(dá)到40時(shí)，損耗值基本趨于穩(wěn)定，各損失函數(shù)的收斂位置均少于0.01，模型具有較強(qiáng)的魯棒性，從而能夠?qū)崿F(xiàn)有效預(yù)測。

如圖13(a)(b)及表2所示，4種網(wǎng)絡(luò)模型均具有非常高的mAP值，mAP值越高，說明訓(xùn)練后的模型性能越好，4種網(wǎng)絡(luò)模型的mAP@0.5值均為99.5%，而YOLO v5m的mAP@0.5:0.95值達(dá)到92.9%，略高于其他3種網(wǎng)絡(luò)，可以得出，基于帶涂層鋼結(jié)構(gòu)亞表面缺陷紅外圖像數(shù)據(jù)集的模型訓(xùn)練中YOLO v5m的訓(xùn)練效果較好，沒有出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象。圖13(c)(d)展示了4種網(wǎng)絡(luò)模型的精確率曲線和召回率曲線，從對比曲線可以看出，4種網(wǎng)絡(luò)模型的曲線均上升平緩，無明顯振蕩，YOLO v5m模型表現(xiàn)最好，曲線波動(dòng)最小，訓(xùn)練效果最為理想，YOLO v5x模型訓(xùn)練過程中有明顯波動(dòng)。

表2 四種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)訓(xùn)練檢測性能對比

圖12 不同模型的損失函數(shù)比較 (a) GIoU損失函數(shù)曲線；(b) 目標(biāo)檢測損失函數(shù)曲線；(c) 目標(biāo)分類損失函數(shù)曲線

(a)(b) (c)(d)

為深入探究4種網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)檢測能力，使用訓(xùn)練完成的4種網(wǎng)絡(luò)模型分別對含90張紅外圖像的測試集進(jìn)行缺陷檢測，檢測結(jié)果通過多個(gè)性能指標(biāo)展示，如表3所示。對于包含待檢測RGB圖像90張，缺陷目標(biāo)90個(gè)的測試數(shù)據(jù)集，4種網(wǎng)絡(luò)模型分別以16張的批量大小對其進(jìn)行了缺陷檢測試驗(yàn)，從精確率、召回率、均值平均精度、模型推理速度等方面對網(wǎng)絡(luò)模型的檢測能力進(jìn)行衡量。4種網(wǎng)絡(luò)模型對測試集中正樣本的召回率均為1，而缺陷識(shí)別精確率卻遵循YOLO v5m＞YOLO v5l＞YOLO v5x＞YOLO v5s 的規(guī)律，YOLO v5m對該測試集缺陷檢測的精確率最高，可達(dá)85.1%。這表明對于帶涂層鋼結(jié)構(gòu)亞表面缺陷紅外圖像數(shù)據(jù)集，盡管相較于YOLO v5x的網(wǎng)絡(luò)深度和寬度仍有一定差距，在當(dāng)前訓(xùn)練數(shù)據(jù)量和訓(xùn)練輪次等條件限制的情況下，YOLO v5m仍為缺陷識(shí)別效果最理想，最為合適的目標(biāo)檢測網(wǎng)絡(luò)。隨著網(wǎng)絡(luò)深度和寬度的不斷增加，模型的單幀推理耗時(shí)及非極大值抑制篩選耗時(shí)也在相應(yīng)延長，從而導(dǎo)致模型的單幀缺陷檢測總耗時(shí)也在相應(yīng)加長，約為9.9ms，仍保持了較快的推理速度，滿足嵌入化模型快速實(shí)時(shí)檢測的需要。

表3 基于測試集的網(wǎng)絡(luò)性能比較

5 結(jié)論

本研究基于YOLO v5建立了針對帶涂層鋼結(jié)構(gòu)亞表面缺陷的智能ECPT檢測方法，得到以下結(jié)論：

1）該方法能夠準(zhǔn)確識(shí)別和分類鋼基體裂紋缺陷、涂層脫粘缺陷、嚴(yán)重質(zhì)量損失（腐蝕凹坑、腐蝕磨損）、輕微質(zhì)量損失（腐蝕薄層）4種類型的缺陷，缺陷置信度分別可以達(dá)到0.96、0.97、0.95、0.93，其中由于輕微質(zhì)量損失缺陷的低溫特征較弱，模型檢測精度略低于其他缺陷。

2）為探究YOLO v5四種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對帶涂層鋼結(jié)構(gòu)亞表面缺陷的檢測能力，本研究從網(wǎng)絡(luò)深度，模型權(quán)重，模型參數(shù)，錨框生成數(shù)量，訓(xùn)練時(shí)長，GIoU損失函數(shù)，目標(biāo)檢測損失函數(shù)，目標(biāo)分類損失函數(shù)，單幀推理速度，均值平均精度（mAP），精確率，召回率等方面對YOLO v5四種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的訓(xùn)練檢測性能實(shí)行對比分析，得出對于帶涂層鋼結(jié)構(gòu)亞表面缺陷紅外圖像數(shù)據(jù)集，在當(dāng)前訓(xùn)練數(shù)據(jù)量和訓(xùn)練輪次的條件下，網(wǎng)絡(luò)層數(shù)263層，模型權(quán)重43.4MB，模型參數(shù)2.14979×107，訓(xùn)練時(shí)長1.096h，損失函數(shù)收斂值低于0.01的YOLO v5m模型以0.004s的單幀推理速度，99.5%的mAP@0.5值，92.9%的mAP@0.5: 0.95值，85.1%的精確率，100%的召回率，展現(xiàn)了較快的檢測速度、較高的檢測精度及較為理想的檢測效果。

綜上所述，本文提出的基于YOLO v5建立了針對帶涂層鋼結(jié)構(gòu)亞表面缺陷的智能ECPT檢測方法能夠?qū)崿F(xiàn)對帶涂層鋼結(jié)構(gòu)亞表面缺陷的智能化檢測，并滿足輕量化嵌入模型的需要。

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YOLO v5-based Intelligent Detection for Eddy Current Pulse Thermography of Subsurface Defects in Coated Steel Structures

ZHANG Yubin，LIU Pengqian，CHEN Lina，HAN Yage，LIU Rui，XIE Jing，XU Changhang

(,,266580,)

Subsurface defects in coated steel structures, such as corrosion, steel matrix cracks, and coating debonding, affect the overall structural performance and accelerate the degradation of coating systems. Therefore, this study proposes a YOLO v5-based intelligent detection method for pulsed eddy current thermography of subsurface defects in coated steel structures. This method can automatically detect subsurface defects in coated steel structures without removing the coating, which is of significant importance for engineering applications. The proposed method intelligently detects subsurface defects such as corrosion, cracks, and debonding in coated steel structures without removing the coating. The detection results show that the proposed method can accurately identify and classify four types of subsurface defects in coated steel structures: cracks in the steel matrix, debonding, severe quality loss (corrosion pits and corrosion abrasion), and slight quality loss (thin corrosion layers); the four defect types can be detected with accuracies of 96%, 97%, 95%, and 93%, respectively, while meeting real-time inspection requirements.

coated steel structures, intelligent defect detection, eddy current pulse thermography, YOLO v5

TP391

A

1001-8891(2023)10-1029-09

2023-08-11；

2023-09-24.

張玉彬（1998-），男，河南商丘人，博士研究生，主要從事紅外熱成像無損檢測技術(shù)研究。E-mail:zzhyubin@163.com。

徐長航（1976-），男，山東巨野人，博士，教授，主要從事安全工程信息化與智能安全工程方面的研究。E-mail: chxu@upc.edu.cn。