深度混合模型赋能：变电站巡检机器人道路场景精准识别

引言

变电站作为电力系统核心枢纽，其安全稳定运行至关重要。传统人工巡检存在效率低、风险高、覆盖不全等问题，而智能巡检机器人凭借自主导航与场景感知能力，成为提升巡检质量的关键技术。其中，道路场景识别是巡检机器人实现自主导航与避障的核心环节，直接影响巡检任务的完成效率与安全性。然而，变电站环境复杂，存在设备密集、光照变化剧烈、地面标识模糊等挑战，导致传统场景识别方法精度不足、鲁棒性差。

针对上述问题，本文提出一种基于局部监督深度混合模型的变电站巡检机器人道路场景识别方法。该方法通过融合多尺度特征提取与局部监督学习机制，在复杂变电站环境中实现高精度、强鲁棒的场景分类，为巡检机器人提供可靠的环境感知支持。

方法概述

1. 深度混合模型架构设计

深度混合模型（Deep Hybrid Model, DHM）结合了卷积神经网络（CNN）与图神经网络（GNN）的优势，通过多层次特征融合提升场景识别能力。具体架构如下：

• 底层特征提取模块：采用改进的ResNet-50作为骨干网络，通过卷积层与残差连接提取图像的浅层纹理与边缘特征。
• 中层语义聚合模块：引入注意力机制（Attention Mechanism），对不同通道的特征进行加权融合，突出与道路场景相关的关键特征。
• 高层图结构推理模块：将图像分割为超像素（Superpixel）区域，构建区域级图结构（Graph），通过GNN学习区域间的空间关系与语义关联。

2. 局部监督学习机制

传统全局监督方法仅依赖图像级标签，易忽略局部细节信息。本文提出局部监督机制，通过以下步骤实现：

• 局部区域标注：对训练图像中的道路、设备、障碍物等关键区域进行像素级标注，生成局部监督信号。
• 多任务损失函数：结合全局分类损失（Cross-Entropy Loss）与局部区域损失（Focal Loss），引导模型同时关注整体场景与局部细节。

  # 多任务损失函数示例
  def multi_task_loss(global_pred, global_label, local_pred, local_label):
      global_loss = F.cross_entropy(global_pred, global_label)
      local_loss = focal_loss(local_pred, local_label)  # Focal Loss处理类别不平衡
      total_loss = 0.7 * global_loss + 0.3 * local_loss  # 权重可调
      return total_loss

• 动态权重调整：根据训练阶段动态调整全局与局部损失的权重，初期侧重全局特征学习，后期强化局部细节优化。

3. 多尺度特征融合策略

变电站场景中，目标物体尺度差异大（如小型仪表与大型变压器）。为提升模型对多尺度目标的适应能力，采用以下策略：

• 特征金字塔网络（FPN）：在骨干网络中引入FPN，生成不同尺度的特征图（如1/4、1/8、1/16原图尺寸）。

• 自适应注意力融合：通过通道注意力模块（Channel Attention）与空间注意力模块（Spatial Attention），动态分配不同尺度特征的权重。

  # 自适应注意力融合示例
  class AdaptiveFusion(nn.Module):
      def __init__(self, in_channels):
          super().__init__()
          self.channel_att = nn.Sequential(
              nn.AdaptiveAvgPool2d(1),
              nn.Conv2d(in_channels, in_channels//8, 1),
              nn.ReLU(),
              nn.Conv2d(in_channels//8, in_channels, 1),
              nn.Sigmoid()
          )
          self.spatial_att = nn.Sequential(
              nn.Conv2d(in_channels, 1, kernel_size=7, padding=3),
              nn.Sigmoid()
          )
      def forward(self, x):
          channel_weights = self.channel_att(x)
          spatial_weights = self.spatial_att(x)
          return x * channel_weights * spatial_weights

实验与结果分析

1. 数据集构建

在某500kV变电站采集巡检机器人视角图像，构建包含5000张标注图像的数据集，涵盖正常道路、设备遮挡、积水、障碍物等10类场景。数据集按71划分训练集、验证集与测试集。

2. 对比实验

与主流方法（如ResNet-50、YOLOv5、DeepLabv3+）对比，结果如下：
| 方法 | 准确率（%） | 召回率（%） | F1分数 | 推理时间（ms） |
|——————————|——————-|——————-|————|————————|
| ResNet-50 | 89.2 | 87.5 | 88.3 | 23 |
| YOLOv5 | 91.7 | 90.1 | 90.9 | 18 |
| DeepLabv3+ | 92.5 | 91.3 | 91.9 | 35 |
| 本文方法 | 95.8 | 94.7 | 95.2 | 28 |

3. 消融实验

验证局部监督与多尺度融合的有效性：

• 仅全局监督：准确率91.2%，F1分数90.5%。
• 全局+局部监督：准确率93.7%，F1分数93.1%。
• 全局+局部+多尺度：准确率95.8%，F1分数95.2%。

实际应用与优化建议

1. 部署优化

• 模型轻量化：采用知识蒸馏（Knowledge Distillation）将大模型压缩为MobileNetV3结构，推理速度提升40%。
• 硬件适配：针对巡检机器人嵌入式平台（如NVIDIA Jetson AGX Xavier），优化CUDA内核与TensorRT加速。

2. 持续学习机制

变电站设备更新或环境变化时，通过增量学习（Incremental Learning）更新模型：

• 新数据标注：仅需标注变化区域的局部图像。
• 弹性权重巩固（EWC）：防止模型对旧场景的灾难性遗忘。

3. 多传感器融合

结合激光雷达点云数据，通过以下方式提升场景识别鲁棒性：

• 点云投影：将3D点云投影为2D深度图，作为模型额外输入通道。
• 跨模态注意力：设计跨模态注意力模块，动态融合图像与点云特征。

结论

本文提出的基于局部监督深度混合模型的变电站巡检机器人道路场景识别方法，通过多尺度特征融合与局部监督学习，在复杂变电站环境中实现了95.8%的识别准确率。实验表明，该方法显著优于传统方法，且具备实际部署的可行性。未来工作将聚焦于多传感器融合与轻量化模型优化，以进一步提升巡检机器人的环境适应能力。