Automatic Railroad Track Components Inspection Using Hybrid Deep Learning Framework

计算机科学 人工智能 分割 磁道(磁盘驱动器) 目标检测 计算机视觉 卷积神经网络 组分(热力学) 深度学习 图像分割 可扩展性 人工神经网络 推论 模式识别(心理学) 物理 数据库 热力学 操作系统
作者
Yunpeng Wu,Ping Chen,Yong Qin,Yu Qian,Fei Xu,Limin Jia
出处
期刊:IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:72: 1-15 被引量:24
标识
DOI:10.1109/tim.2023.3265636
摘要

Regular inspections on track components such as the clip, spike, and rail are essential to maintain track quality and ensure railroad operating safety. Unfortunately, traditional image processing (IP)-based systems have limited accuracy. Existing convolutional neural network (CNN)-based approaches are designed for either detection or saliency segmentation of a specific track component (e.g. fastener or rail only). The overall track condition could not be evaluated because not all the track components are inspected simultaneously. This paper presents an all-in-one YOLO (AOYOLO) framework for multi-task track component inspection. First, a newly developed ConvNeXt-based backbone is constructed in AOYOLO to produce suitable hyperfeatures for both detection and segmentation tasks. Second, a novel U-shaped salient object segmentation branch is incorporated into AOYOLO to supplement the object detection branch, improving both the rail surface defect segmentation and the detection of other components. Advanced data augmentations are integrated to further enhance the accuracy and scalability of the network. Extensive experiments conducted on a track dataset established with images taken by drone indicate that the proposed system is able to: (1) achieve 95.6% mAP for track components inspection at a real-time speed of 147 fps, and (2) reach 93.6% accuracy on RSDs detection, which surpass the current state-of-the-art models. The exceptional inference speed and superior detection accuracy have great potential for field applications.
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