留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于改进时空图卷积神经网络的钻杆计数方法

杜京义 党梦珂 乔磊 魏美婷 郝乐

杜京义,党梦珂,乔磊,等. 基于改进时空图卷积神经网络的钻杆计数方法[J]. 工矿自动化,2023,49(1):90-98.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022030098
引用本文: 杜京义,党梦珂,乔磊,等. 基于改进时空图卷积神经网络的钻杆计数方法[J]. 工矿自动化,2023,49(1):90-98.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022030098
DU Jingyi, DANG Mengke, QIAO Lei, et al. Drill pipe counting method based on improved spatial-temporal graph convolution neural network[J]. Journal of Mine Automation,2023,49(1):90-98.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022030098
Citation: DU Jingyi, DANG Mengke, QIAO Lei, et al. Drill pipe counting method based on improved spatial-temporal graph convolution neural network[J]. Journal of Mine Automation,2023,49(1):90-98.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022030098

基于改进时空图卷积神经网络的钻杆计数方法

doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022030098
基金项目: 陕西省科技厅自然科学基金项目(2018JQ5197);陕西省重点研发计划项目(2019GY-097)。
详细信息
    作者简介:

    杜京义(1965—),男,山东淄博人,教授,硕士研究生导师,主要研究方向为检测技术及其自动化,E-mail:517571853@qq.com

    通讯作者:

    党梦珂(1998—),男,陕西武功人,硕士研究生,主要研究方向为目标检测与动作识别,E-mail:2447439418@qq.com

  • 中图分类号: TD713

Drill pipe counting method based on improved spatial-temporal graph convolution neural network

  • 摘要: 针对现有钻杆计数方法存在劳动重复、计数误差较大、未考虑动作的时序信息等问题,提出了一种基于改进时空图卷积神经网络(MST−GCN)模型的钻杆计数方法。首先,通过矿用监控摄像头获取井下打钻视频数据,采用Alphapose算法在图像序列中提取人体的关键点信息,得到单帧图像上的人体骨架和连续图像序列上的骨架序列数据,进而构建表征人体动作的骨架序列;然后,在时空图卷积神经网络(ST−GCN)模型的基础上设计了MST−GCN模型,采用远空间分区策略关注骨架上距离较远的关键点运动信息,通过注意力机制网络SENet融合原空间特征与远空间特征,从而有效识别骨架序列上的动作类别;最后,在打钻视频上利用支持向量机辨识打钻姿势来决定是否保存骨架序列,若骨架序列长度保存到150帧则使用MST−GCN模型识别动作类别,并根据实际打钻时间设置相邻动作的识别间隔,从而记录动作数量,实现钻杆计数。实验结果表明:在自建的数据集上,MST−GCN模型的识别准确率为91.1%,比ST−GCN、Alphapose−LSTM和NST−GCN动作识别模型的准确率分别提升了6.2%,19.0%和4.8%,模型的损失值收敛在0.2以下,学习能力更强。在相同条件的打钻视频上,MST−GCN模型、人工方法和改进ResNet方法的平均误差依次为0.25,0.75,21次,说明MST−GCN模型的计数效果更好。在真实打钻1 300根的现场应用中,MST−GCN模型的平均误差为9根,误计数结果低,能够满足实际需求。

     

  • 图  1  打钻过程中的3种动作

    Figure  1.  Three kinds of action during drilling

    图  2  基于改进时空图卷积神经网络的钻杆计数方法原理

    Figure  2.  Principle of drill pipe counting method based on improved multi spatial-temporal graph convolution neural network

    图  3  人体骨架数据

    Figure  3.  Skeleton data of human body

    图  4  MST−GCN模型原理

    Figure  4.  Principle of multi spatial-temporal graph convolution neural network model

    图  5  原空间分区策略

    Figure  5.  Original spatial partitioning strategy

    图  6  远空间分区策略

    Figure  6.  Remote spatial partitioning strategy

    图  7  SENet模块融合空间特征

    Figure  7.  Fusion spatial features of the SENet module

    图  8  时空特征提取单元结构

    Figure  8.  Structure of spatio-temporal feature extraction unit

    图  9  打钻姿势与非打钻姿势

    Figure  9.  Drilling posture and non-drilling posture

    图  10  打钻姿势识别流程

    Figure  10.  Drill pose recognition process

    图  11  MST−GCN与ST−GCN模型的训练损失曲线

    Figure  11.  Training loss curves of MST-GCN model and ST-GCN model

    图  12  现场测试打钻画面

    Figure  12.  Field test drilling screen

    表  1  消融实验结果比较

    Table  1.   Comparison of ablation experiment results

    基准模型编号分区策略特征融合准确率/%
    原空间
    分区策略
    远空间
    分区策略
    ADDSENet
    ST−GCN1×××84.9
    2×××83.1
    3×87.9
    4×91.1
    下载: 导出CSV

    表  2  不同模型的动作识别结果

    Table  2.   Action recognition results of different models

    模型方法准确率/%
    Alphapose−LSTM[15]72.1
    NST−GCN[16]86.3
    MST−GCN91.1
    下载: 导出CSV

    表  3  3种计数方法的动作识别结果

    Table  3.   Action recognition results of three counting methods

    打钻
    视频
    真实钻
    杆/根
    人工方法改进ResNet[9]本文方法
    上杆/次卸杆/次上杆/次卸杆/次上杆/次卸杆/次
    18080800887980
    2100102101013498102
    平均误差0.75210.25
    下载: 导出CSV

    表  4  全部钻孔的实验结果

    Table  4.   The results of all drilling experiments

    钻孔编号真实钻杆/根识别结果
    上杆/次卸杆/次均值/次
    140403839
    245454545
    343434343
    453535353
    547504346.5
    656545454
    746464545.5
    8106119100109.5
    910611399106
    1080798079.5
    1180827980.5
    1280848082
    1380838182
    1480828081
    1580837981
    1680787576.5
    1798105102103.5
    1810010796101.5
    总计1300134612721309
    下载: 导出CSV
  • [1] 梁运培, 郑梦浩, 李全贵, 等. 我国煤与瓦斯突出预测与预警研究综述[J/OL]. 煤炭学报: 1-24[2022-12-08]. DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2022.0965.

    LIANG Yunpei, ZHENG Menghao, LI Quangui, et al. A review on prediction and early warning methods of coal and gas outburst[J/OL]. Journal of China Coal Society: 1-24[2022-12-08]. DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2022.0965.
    [2] PAN Xiaokang,CHENG Hao,CHEN Jie,et al. An experimental study of the mechanism of coal and gas outbursts in the tectonic regions[J]. Engineering Geology,2020,279:105883. DOI: 10.1016/j.enggeo.2020.105883.
    [3] 谢和平,周宏伟,薛东杰,等. 我国煤与瓦斯共采:理论、技术与工程[J]. 煤炭学报,2014,39(8):1391-1397.

    XIE Heping,ZHOU Hongwei,XUE Dongjie,et al. Theory,technology and engineering of simultaneous exploitation of coal and gas in China[J]. Journal of China Coal Society,2014,39(8):1391-1397.
    [4] 李东前. 煤矿瓦斯防治技术研究[J]. 当代化工研究,2021(10):99-100. doi: 10.3969/j.issn.1672-8114.2021.10.049

    LI Dongqian. Study on coal mine gas prevention and control technology[J]. Modern Chemical Research,2021(10):99-100. doi: 10.3969/j.issn.1672-8114.2021.10.049
    [5] 李树刚,包若羽,张天军,等. 本煤层瓦斯抽采钻孔合理密封深度确定[J]. 西安科技大学学报,2019,39(2):183-188,216.

    LI Shugang,BAO Ruoyu,ZHANG Tianjun,et al. Determining the rational sealing depth for horizontal gas drainage borehole[J]. Journal of Xi'an University of Science and Technology,2019,39(2):183-188,216.
    [6] 孙志飞,吴银成,胡云. 钻杆长度测量方法[J]. 工矿自动化,2015,41(3):51-53.

    SUN Zhifei,WU Yincheng,HU Yun. Length measurement methods of drill pipe[J]. Industry and Mine Automation,2015,41(3):51-53.
    [7] 徐钊,房咪咪,周红伟,等. 基于电驻波的锚杆长度无损测量方法[J]. 工矿自动化,2013,39(9):112-115. doi: 10.7526/j.issn.1671-251X.2013.09.029

    XU Zhao,FANG Mimi,ZHOU Hongwei,et al. Non-destructive measurement method of anchor stock length based on electricity standing wave[J]. Industry and Mine Automation,2013,39(9):112-115. doi: 10.7526/j.issn.1671-251X.2013.09.029
    [8] 董立红,王杰,厍向阳. 基于改进Camshift算法的钻杆计数方法[J]. 工矿自动化,2015,41(1):71-76.

    DONG Lihong,WANG Jie,SHE Xiangyang. Drill counting method based on improved Camshift algorithm[J]. Industry and Mine Automation,2015,41(1):71-76.
    [9] 高瑞,郝乐,刘宝,等. 基于改进ResNet网络的井下钻杆计数方法[J]. 工矿自动化,2020,46(10):32-37.

    GAO Rui,HAO Le,LIU Bao,et al. Research on underground drill pipe counting method based on improved ResNet network[J]. Industry and Mine Automation,2020,46(10):32-37.
    [10] 党伟超,姚远,白尚旺,等. 煤矿探水卸杆动作识别研究[J]. 工矿自动化,2020,46(7):107-112.

    DANG Weichao,YAO Yuan,BAI Shangwang,et al. Research on unloading drill-rod action identification in coal mine water exploration[J]. Industry and Mine Automation,2020,46(7):107-112.
    [11] YAN Sijie, XIONG Yuanjun, LIN Dahua. Spatial temporal graph convolutional networks for skeleton-based action recognition[C]. Proceedings of the AAAI Conference on Artificial Intelligence, New Orleans, 2018: 5361-5368.
    [12] FANG Haoshu, XIE Shuqin, TAI Yuwing, et al. RMPE: regional multi-person pose estimation[C]. Proceedings of the IEEE International Conference on Computer Vision, Venice, 2017: 2334-2343.
    [13] HU Jie, SHEN Li, SUN Gang. Squeeze-and-excitation networks[C]. Proceedings of the IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, Salt Lake City, 2018: 7132-7141.
    [14] KE Qiuhong, BENNAMOUN M, AN Senjian, et al. A new representation of skeleton sequences for 3D action recognition[C]. Proceedings of the IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, Honolulu, 2017: 3288-3297.
    [15] 卫少洁,周永霞. 一种结合Alphapose和LSTM的人体摔倒检测模型[J]. 小型微型计算机系统,2019,40(9):1886-1890. doi: 10.3969/j.issn.1000-1220.2019.09.014

    WEI Shaojie,ZHOU Yongxia. Human body fall detection model combining Alphapose and LSTM[J]. Journal of Chinese Computer Systems,2019,40(9):1886-1890. doi: 10.3969/j.issn.1000-1220.2019.09.014
    [16] 杨世强, 李卓, 王金华, 等. 基于新分区策略的ST−GCN人体动作识别[J/OL]. 计算机集成制造系统: 1-16[2022-03-29]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.5946.TP.20211022.1500.014.html.

    YANG Shiqiang, LI Zhuo, WANG Jinhua, et al. ST-GCN human action based on new partition strategy[J/OL]. Computer Integrated Manufacturing Systems: 1-16[2022-03-29]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.5946.TP.20211022.1500.014.html.
  • 加载中
图(12) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  181
  • HTML全文浏览量:  77
  • PDF下载量:  28
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2022-03-29
  • 修回日期:  2022-12-28
  • 网络出版日期:  2022-09-08

目录

    /

    返回文章
    返回