
分享:基于集成算法的混凝土中鋼筋直徑渦流檢測
隨著電力基建工程規(guī)模的不斷擴(kuò)大,鋼筋作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)類建筑施工中的必需材料,其質(zhì)量直接影響著工程的質(zhì)量安全。鋼筋直徑是衡量鋼筋質(zhì)量的重要參數(shù),因此,準(zhǔn)確測量鋼筋直徑成為保證電力基建工程安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。
工程上鋼筋直徑檢測方法有破壞法和無損檢測法。無損檢測技術(shù)可[1-3]在不破壞材料結(jié)構(gòu)的前提下,獲取混凝土內(nèi)部的鋼筋信息。
常用的混凝土無損檢測方法有雷達(dá)波法、射線掃描法、電磁感應(yīng)法。
雷達(dá)波法[4-6]利用電磁波在不同介質(zhì)中的傳播特性,將高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式發(fā)射至混凝土內(nèi)部,再利用接收天線接收反射波并進(jìn)行分析,從而確定材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和狀態(tài)。射線掃描法[7-8]主要是采用X射線和γ射線高能電磁波,通過設(shè)備加速器對待測構(gòu)件進(jìn)行穿透檢測,然后根據(jù)得到的圖像進(jìn)行判別和識別。這兩種方法存在儀器體積大、檢測成本高、可能對人員有傷害等弊端。
電磁感應(yīng)法[9-10]是利用電磁感應(yīng)原理,通過接收感應(yīng)回來的二次感應(yīng)磁場信號強(qiáng)度分析混凝土構(gòu)件中鋼筋的位置及保護(hù)層厚度,具有儀器設(shè)備小、造價(jià)低、對人體無危害等優(yōu)點(diǎn)。近年來,電磁渦流檢測技術(shù)受到越來越多的重視。
同時(shí),為了提高精度,越來越多的智能算法應(yīng)用于鋼筋直徑檢測中,如BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[11-12]、GA-BP[13]改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、SVM(支持向量機(jī))[14]、SVR(支持向量回歸)[15]等。
相比于單一智能算法,集成算法[16]通過結(jié)合多個(gè)不同的基學(xué)習(xí)器,能夠減少單一模型的偏差和方差,從而顯著提高預(yù)測模型的準(zhǔn)確性。此外,集成學(xué)習(xí)模型在處理噪聲和異常值時(shí)的表現(xiàn)也更加穩(wěn)定,能夠提高模型的泛化能力。在實(shí)際應(yīng)用中,集成算法在提升光纖陀螺溫度補(bǔ)償[17]、預(yù)測加工刀具[18]的剩余使用壽命等復(fù)雜問題上,表現(xiàn)出良好的性能。
針對提高檢測精度的目標(biāo),文章提出了基于隨機(jī)森林-支持向量機(jī)Stacking集成算法的混凝土中鋼筋直徑渦流檢測方法。筆者首先設(shè)計(jì)了鋼筋直徑渦流動(dòng)態(tài)檢測試驗(yàn)過程,獲得了檢測信號樣本,并進(jìn)行了數(shù)據(jù)預(yù)處理,最后采用基于隨機(jī)森林-支持向量機(jī)的Stacking集成算法,構(gòu)建了混凝土鋼筋直徑預(yù)測算法。
1. 混凝土中鋼筋直徑渦流檢測原理
混凝土中鋼筋直徑渦流檢測技術(shù)基于法拉第電磁感應(yīng)原理[19-21],通過測量因鐵磁性材料切割磁感線或處于變化磁場中而產(chǎn)生的渦流和感應(yīng)電壓來實(shí)現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)的檢測,其原理如圖1所示。
渦流檢測時(shí),通過測量檢測線圈的感應(yīng)電壓變化,能夠推斷出鋼筋的特性。若將鋼筋直徑渦流檢測效應(yīng)類比為變壓器,鋼筋視作一個(gè)短路線圈,則鋼筋(短路線圈)與檢測線圈(變壓器的另一部分)之間的相互作用類似于變壓器的工作機(jī)制,渦流效應(yīng)等效圖如圖2所示。
如圖2所示,檢測線圈L1類比于變壓器一次側(cè),R1為一次側(cè)的等效電阻。鋼筋的短路線圈L2類比于變壓器二次側(cè),R2表示二次側(cè)的等效電阻。檢測線圈與鋼筋的短路線圈存在互感系數(shù)M,即
(1) |
式中:k為耦合系數(shù),取值范圍為0~1;L1,L2為變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的等效電感。
由基爾霍夫定律
(2) |
(3) |
式中:j為虛數(shù)單位,ω為角頻率,U為電壓。
令
(4) |
即存在如下關(guān)系
(5) |
根據(jù)式(1)~(5)可得,通過檢測線圈上的電壓、電流曲線可獲取一次側(cè)等效阻抗Z的特性。L1、R1反映了檢測線圈的特性。L2、R2反映了鋼筋的特性。M反映了檢測線圈與鋼筋之間的提離效應(yīng)特性。
綜上所述,合理地設(shè)計(jì)檢測線圈(即L1、R1固定),有規(guī)律地改變檢測線圈與鋼筋直徑的距離(M可變),獲取檢測線圈上的電壓、電流曲線(Z特性),則可分析出鋼筋的特性(例如直徑等)。
2. 鋼筋直徑渦流檢測試驗(yàn)設(shè)計(jì)
2.1 鋼筋直徑渦流檢測有限元模型
采用ANSYS MAXWELL電磁場仿真軟件建立鋼筋直徑渦流檢測的三維有限元模型(見圖3),研究在不同直徑鋼筋條件下的多陣列渦流檢測線圈響應(yīng)信號,實(shí)現(xiàn)混凝土中鋼筋直徑檢測。混凝土參數(shù)設(shè)置如表1所示。
參數(shù) | 混凝土 | 鋼筋 |
---|---|---|
體電導(dǎo)率/(S · m-1) | 0.001 | 0.01 |
密度/(kg · m-3) | 2 300 | 4 600 |
相對介電常數(shù) | 7~10 | 1 000 |
多陣列渦流檢測線圈模型如圖4所示,最外圍的大線圈為激勵(lì)線圈,其中O1為激勵(lì)線圈的外半徑,O2為內(nèi)半徑,h為高度,N1為匝數(shù)。位于中心的圓形線圈為感應(yīng)線圈,其中r1為感應(yīng)線圈的外半徑,r2為內(nèi)半徑,h1為高度,N2為匝數(shù)。4個(gè)水平放置的圓形線圈為輔助線圈,其中a為4個(gè)輔助線圈的外半徑,b為內(nèi)半徑,h2為4個(gè)定位線圈的高度,N3為4個(gè)定位線圈的匝數(shù),其參數(shù)設(shè)置如表2所示。
參數(shù) | 激勵(lì)線圈 | 感應(yīng)線圈 | 輔助線圈 |
---|---|---|---|
外徑 | R1=240 mm | r1=80 mm | a=47 mm |
內(nèi)徑 | R2=220 mm | r2=70 mm | b=45 mm |
高度 | h=10 mm | h1=5 mm | h2=5 mm |
匝數(shù) | N1=340 | N2=340 | N3=110 |
2.2 鋼筋直徑渦流動(dòng)態(tài)檢測試驗(yàn)過程
采用渦流檢測技術(shù)測量鋼筋直徑,當(dāng)探頭與鋼筋之間的距離變化時(shí),渦流的分布和強(qiáng)度會(huì)發(fā)生改變,從而使得感應(yīng)電壓也隨之變化,筆者據(jù)此設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)檢測試驗(yàn)過程,尋找鋼筋直徑在不同提離高度處時(shí)與檢測線圈上響應(yīng)信號的對應(yīng)關(guān)系,具體步驟如下。
(1)步驟1:選擇激勵(lì)信號。采用正弦波作為激勵(lì)信號,加載到激勵(lì)線圈上。激勵(lì)電壓為12 V,頻率為1 000 Hz。
(2)步驟2:在固定鋼筋直徑下動(dòng)態(tài)測量。固定鋼筋直徑,例如在鋼筋直徑為6 mm的情況下,多陣列渦流檢測線圈從提離高度15 mm到35 mm動(dòng)態(tài)等間隔地選取21個(gè)位置點(diǎn)進(jìn)行測量,獲取感應(yīng)線圈和4個(gè)輔助線圈的電壓響應(yīng)信號。
(3)步驟3:多組鋼筋直徑下動(dòng)態(tài)測量。
采用國家標(biāo)準(zhǔn)鋼筋10組,直徑分別為6,6.5,8,12,14,16,18,20,22,25 mm,重復(fù)步驟2的動(dòng)態(tài)測量過程。
通過上述動(dòng)態(tài)檢測試驗(yàn)過程,共采集210個(gè)樣本,采集的部分樣本參數(shù)如表3所示。
提離高度/mm | 電壓幅值/V | 鋼筋直徑/mm | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
輔助線圈1 | 輔助線圈2 | 輔助線圈3 | 輔助線圈4 | 感應(yīng)線圈 | ||
15 | 0.812 1 | 0.749 3 | 0.772 7 | 0.839 8 | 2.040 5 | 6 |
25 | 0.874 2 | 0.756 0 | 0.754 7 | 0.869 8 | 2.121 3 | 18 |
20 | 0.829 9 | 0.756 8 | 0.761 4 | 0.795 2 | 1.976 4 | 6.5 |
16 | 0.859 1 | 0.766 4 | 0.746 4 | 0.825 5 | 1.992 5 | 16 |
31 | 0.842 0 | 0.768 4 | 0.730 9 | 0.857 3 | 2.025 9 | 8 |
18 | 0.835 5 | 0.777 3 | 0.731 5 | 0.794 6 | 2.000 3 | 14 |
17 | 0.885 5 | 0.780 2 | 0.747 1 | 0.806 0 | 2.198 0 | 16 |
16 | 0.853 9 | 0.780 3 | 0.776 4 | 0.809 9 | 2.074 6 | 12 |
23 | 0.888 3 | 0.780 4 | 0.764 0 | 0.804 5 | 2.105 9 | 20 |
18 | 0.847 3 | 0.780 5 | 0.710 0 | 0.754 3 | 1.927 4 | 16 |
33 | 0.827 7 | 0.781 0 | 0.754 3 | 0.833 1 | 2.071 7 | 20 |
27 | 0.897 0 | 0.784 6 | 0.735 6 | 0.806 0 | 2.069 8 | 25 |
32 | 0.889 3 | 0.786 4 | 0.770 8 | 0.800 0 | 2.172 0 | 22 |
34 | 0.865 4 | 0.786 6 | 0.807 8 | 0.826 0 | 2.172 7 | 14 |
29 | 0.863 5 | 0.786 7 | 0.800 3 | 0.803 8 | 2.074 2 | 12 |
20 | 0.808 7 | 0.788 6 | 0.747 6 | 0.748 9 | 1.877 7 | 8 |
3. 基于集成算法的鋼筋直徑預(yù)測算法
3.1 算法描述
采用Stacking集成學(xué)習(xí)框架(見圖5)進(jìn)行鋼筋直徑預(yù)測,該框架通過結(jié)合多個(gè)基學(xué)習(xí)器的預(yù)測結(jié)果,并使用這些結(jié)果作為新特征輸入到元學(xué)習(xí)器中,以提高模型的預(yù)測性能。
(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理
采用鋼筋直徑作為模型輸出,將提離高度、輔助線圈1~4的電壓幅值、感應(yīng)線圈電壓幅值作為模型輸入。對模型輸入、輸出進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,以消除量綱影響。
標(biāo)準(zhǔn)化公式為
(6) |
式中:z為標(biāo)準(zhǔn)化后的值;x為原始數(shù)據(jù);μ為數(shù)據(jù)的均值;σ為數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差。
(2)數(shù)據(jù)集劃分
將標(biāo)準(zhǔn)化后的輸入輸出數(shù)據(jù),按照n∶1的比例隨機(jī)劃分為訓(xùn)練集和測試集。
(3)K折交叉驗(yàn)證
將原始訓(xùn)練集隨機(jī)分成K等份,每個(gè)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)器將其中的1份作為K折測試集,剩下的K-1份作為K折訓(xùn)練集。使用K折訓(xùn)練集訓(xùn)練每個(gè)基學(xué)習(xí)器,并對K折測試集進(jìn)行預(yù)測,合并每個(gè)基學(xué)習(xí)器的預(yù)測結(jié)果,作為元學(xué)習(xí)器的訓(xùn)練集。
(4)基學(xué)習(xí)器的選擇
支持向量機(jī)(SVM)[22]是一種基于最大間隔原則的監(jiān)督學(xué)習(xí)算法,通過尋求找到一個(gè)超平面,盡可能多地穿過訓(xùn)練數(shù)據(jù)點(diǎn),降低預(yù)測值與真實(shí)值的誤差。由于SVM擅長捕捉數(shù)據(jù)中的復(fù)雜邊界,能夠有效處理非線性問題,同時(shí)對噪聲和異常值具有較好的魯棒性,故其能夠?yàn)镾tacking模型提供穩(wěn)定且具有區(qū)分性的特征表示。
定義優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為
(7) |
式中:w為權(quán)重向量;C為正則化參數(shù),用于控制模型對訓(xùn)練數(shù)據(jù)的擬合程度;ζi為松弛變量,用于處理那些不完全符合ε-insensitive loss函數(shù)的數(shù)據(jù)點(diǎn)。
預(yù)測函數(shù)可寫為
(8) |
式中:
核函數(shù)用于在高維空間中映射數(shù)據(jù),使得數(shù)據(jù)在高維空間中線性可分,考慮到鋼筋直徑預(yù)測是一個(gè)非線性回歸問題,文章采用RBF核作為核函數(shù),即
(9) |
式中:
(5)元學(xué)習(xí)器的選擇
隨機(jī)森林(RF)[23]是由L.BREIMAN等提出的一種將Bagging集成方法與隨機(jī)子空間方法結(jié)合在一起的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。其通過構(gòu)建多個(gè)決策樹,再對它們的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行投票或者取平均值來得到最終的回歸結(jié)果。
隨機(jī)森林可以很好地整合多個(gè)基學(xué)習(xí)器的預(yù)測結(jié)果,有效融合SVM的預(yù)測結(jié)果,從而進(jìn)一步提升模型的泛化能力和預(yù)測準(zhǔn)確性,具體實(shí)施步驟如下。
(1)步驟1:初始化模型參數(shù)。設(shè)置決策樹的數(shù)量為nt和最大深度dmax。
(2)步驟2:隨機(jī)抽取樣本。從訓(xùn)練數(shù)據(jù)集D中采用Bootstrap抽樣法有放矢地隨機(jī)抽取n個(gè)樣本子集
(3)步驟3:隨機(jī)選擇特征。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)分裂時(shí),隨機(jī)選擇特征。
(4)步驟4:分裂節(jié)點(diǎn)。訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中包含m個(gè)特征,則在每個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇
(5)步驟5:回歸預(yù)測。在預(yù)測時(shí)采用取平均值的方法對多棵決策樹的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行匯總。
RF模型的構(gòu)建流程如圖6所示。
3.2 鋼筋直徑預(yù)測的性能評估
為了評價(jià)單一模型與集成模型的預(yù)測效果,采用均方誤差(MSE)、平均絕對誤差(MAE)和決定系數(shù)(R2)來衡量各模型的預(yù)測性能,具體計(jì)算公式為
(10) |
(11) |
(12) |
式中:n為樣本數(shù)量;yi為真實(shí)值;
MSE衡量的是預(yù)測誤差平方的平均值,MAE衡量的是預(yù)測誤差絕對值的平均值,二者都衡量預(yù)測誤差,但MSE對大誤差更敏感;R2衡量模型的解釋能力,值越大表示模型擬合得越好。
4. 仿真試驗(yàn)
采用SVM、隨機(jī)森林和SVM - 隨機(jī)森林集成等3種不同算法建立鋼筋直徑預(yù)測模型。按照4∶1的比例將210組數(shù)據(jù)中的168組劃分為訓(xùn)練集,剩余的42組為測試集。
4.1 單一鋼筋直徑預(yù)測模型
為了對比集成預(yù)測模型的預(yù)測精度,考察SVM模型和隨機(jī)森林的模型參數(shù)設(shè)置。
4.1.1 SVM模型參數(shù)設(shè)置
在設(shè)置模型參數(shù)時(shí),需要考慮SVM模型中正則化參數(shù)C、核函數(shù)參數(shù)γ、ε參數(shù)對預(yù)測效果的影響,進(jìn)行如下分析。
(1)保持γ=0.1和ε=0.1不變,設(shè)置C=50,100,150,SVM模型的預(yù)測誤差和決定系數(shù)值如表4所示。
參數(shù)設(shè)置 | MSE | MAE | R2 |
---|---|---|---|
C=50 | 1.975 55 | 1.033 14 | 0.952 44 |
C=100 | 1.949 14 | 1.010 98 | 0.953 08 |
C=150 | 1.896 39 | 0.994 87 | 0.954 34 |
由表4可以看到,隨著C增大,均方誤差和平均絕對誤差小幅度減小,決定系數(shù)也變化不大,而且考慮到C越大,模型會(huì)對訓(xùn)練數(shù)據(jù)中的噪聲和異常值越敏感,從而出現(xiàn)過擬合。所以選擇C=100較為合適。
(2)保持C=100和ε=0.1不變,設(shè)置γ=0.01,0.1,1,SVM模型的預(yù)測誤差和決定系數(shù)值如表5所示。
參數(shù)設(shè)置 | MSE | MAE | R2 |
---|---|---|---|
γ=0.01 | 3.991 37 | 1.769 23 | 0.903 91 |
γ=0.1 | 1.949 14 | 1.010 98 | 0.953 07 |
γ=1 | 0.832 75 | 0.682 54 | 0.979 95 |
由表5可以看到,隨著γ增大,誤差減小,決定系數(shù)也逐漸增大,但增大的幅度降低,同時(shí)由于較大的γ值會(huì)使模型更加關(guān)注于訓(xùn)練數(shù)據(jù)中的局部特征而可能導(dǎo)致過擬合,故選擇γ=0.1。
(3)保持C=100和γ=0.1不變,設(shè)置ε=0.1,0.2,0.5,SVM模型的預(yù)測誤差和決定系數(shù)值如表6所示。
參數(shù)設(shè)置 | MSE | MAE | R2 |
---|---|---|---|
ε=0.1 | 0.832 75 | 0.682 54 | 0.979 95 |
ε=0.2 | 0.812 80 | 0.705 16 | 0.980 43 |
ε=0.5 | 0.849 15 | 0.757 48 | 0.979 56 |
由表6可以看到ε在增大的過程中,誤差先減小后增大,決定系數(shù)也先增大后減小。在ε=0.2時(shí),誤差最小,決定系數(shù)最大,故選擇ε=0.2。
4.1.2 隨機(jī)森林模型參數(shù)設(shè)置
參數(shù)設(shè)置時(shí),要考慮隨機(jī)森林模型中決策樹的數(shù)量nt和最大深度dmax對預(yù)測效果的影響,進(jìn)行如下分析。
(1)保持nt=100不變,設(shè)置dmax=2,5,8,隨機(jī)森林模型的預(yù)測誤差和決定系數(shù)值如表7所示。
參數(shù)設(shè)置 | MSE | MAE | R2 |
---|---|---|---|
dmax=2 | 20.368 55 | 3.902 38 | 0.509 62 |
dmax=5 | 5.678 43 | 2.156 66 | 0.863 29 |
dmax=8 | 4.053 74 | 1.647 03 | 0.902 41 |
由表7可以看到,dmax=2時(shí),誤差較大,預(yù)測效果較差,增加到5時(shí),誤差明顯降低,擬合效果也較好,但繼續(xù)增大時(shí),誤差變化不大。由于該參數(shù)控制了決策樹的復(fù)雜度,較小時(shí)不能很好地解釋模型,但過大時(shí)會(huì)使決策樹結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜,在小樣本上的預(yù)測出現(xiàn)過擬合,故選擇dmax=5。
(2)保持dmax=5不變,設(shè)置nt=30,50,100,隨機(jī)森林模型的預(yù)測誤差和決定值分別如表8所示。
參數(shù)設(shè)置 | MSE | MAE | R2 |
---|---|---|---|
nt=30 | 5.209 85 | 2.052 68 | 0.874 57 |
nt=50 | 5.146 63 | 2.032 71 | 0.876 09 |
nt=100 | 5.678 43 | 2.156 66 | 0.863 29 |
由表8可以看到,隨著決策樹數(shù)量的增多,均方誤差和平均絕對誤差先減小后增大,在nt=50時(shí),誤差和決定系數(shù)表現(xiàn)最優(yōu),故選擇nt=50。
4.2 集成學(xué)習(xí)鋼筋直徑預(yù)測模型
SVM模型對噪聲和異常值具有很好的魯棒性,而RF通過構(gòu)建多棵決策樹并進(jìn)行平均,能夠有效地處理高維數(shù)據(jù)并控制過擬合。Stacking模型結(jié)合了RF和SVM的優(yōu)點(diǎn),使用SVM作為基學(xué)習(xí)器來捕捉數(shù)據(jù)的非線性關(guān)系,然后利用RF作為元學(xué)習(xí)器來學(xué)習(xí)這些預(yù)測結(jié)果的組合。利用不同模型的多樣性可以提高模型的泛化能力。
將SVM模型、隨機(jī)森林模型、SVM-隨機(jī)森林集成模型應(yīng)用于鋼筋直徑預(yù)測中,將測試集數(shù)據(jù)輸入到3個(gè)模型中進(jìn)行性能評估。3個(gè)模型的預(yù)測值與實(shí)際值的對比如圖7所示。
SVM、隨機(jī)森林與集成模型的性能指標(biāo)如表9所示,各模型的性能指標(biāo)對比如圖8所示。可以看到,相較于單一模型,集成模型的預(yù)測效果明顯變好,均方誤差下降了63%,平均絕對誤差則下降了56%,而決定系數(shù)提高了9%。
模型名稱 | 性能評價(jià)指標(biāo) | ||
---|---|---|---|
MSE | MAE | R2 | |
SVM模型 | 1.983 76 | 1.029 73 | 0.952 24 |
隨機(jī)森林模型 | 5.146 63 | 2.032 71 | 0.876 09 |
集成模型 | 1.914 52 | 0.888 42 | 0.953 91 |
5. 結(jié)語
文章利用鋼筋直徑渦流動(dòng)態(tài)仿真試驗(yàn),在不同條件下獲取大量檢測數(shù)據(jù),并將隨機(jī)森林-支持向量機(jī)Stacking集成算法應(yīng)用到混凝土鋼筋直徑渦流檢測中。試驗(yàn)結(jié)果表明,集成模型比單一模型的預(yù)測效果更好,精度更高,在混凝土鋼筋直徑檢測領(lǐng)域具有更好的應(yīng)用前景,對鋼筋混凝土渦流檢測儀器的研制具有指導(dǎo)意義。
文章來源——材料與測試網(wǎng)