地铁系统的埋地管道和金属结构受到电化学腐蚀下杂散电流干扰。腐蚀电流密度决定了杂散电流腐蚀的程度和速度。方法结合电化学实验和机器学习算法用于本研究研究腐蚀电流密度耦合作用下杂散电流和氯离子。在这项研究中,一个量子粒子群optimization-neural网络(QPSO-NN)模型建立了预测腐蚀电流密度的过程中杂散电流腐蚀。QPSO算法用来优化重量和偏见的更新过程的人工神经网络(ANN)。结果表明,提出的准确性QPSO-NN模型比基于反向传播神经网络模型(摘要)和粒子群optimization-neural网络(PSO-NN)。QPSO-NN模型更稳定的精度分布比摘要模型和PSO-NN模型。提出了模型可用于预测腐蚀电流密度,并提供监控杂散电流腐蚀的可能性在地铁系统通过智能学习算法。
杂散电流被定义为电流流动的其他元素,没有专用的组件电流( 面对城市轨道交通的快速发展,尤为重要的是,要理解和监控进程直流杂散电流腐蚀发生的运输系统。现有的杂散电流腐蚀监测主要通过参比电极。然而,存在的问题。例如,参比电极的极化潜力有时不能准确代表埋地管道的腐蚀状态由于IR降的影响和内部反应物。错误的参比电极在地铁系统很难取代,因为它很难挖掘混凝土结构的电极,以确保系统的整体实力。除此之外,因为地铁系统难以实现结构性调整完成后,准确的腐蚀监测没有挖掘尤为重要。因此,一种准确的方法建立外部环境因素和腐蚀状态之间的映射关系是迫切需要的。根据法拉第定律,腐蚀电流密度<我t一个lic>
我 作为一个有效的工具来研究腐蚀过程中,许多方法已经采用基于机器学习的算法,如反向传播神经网络(摘要)模型( 在这篇文章中,杂散电流存在的地铁系统的主要结构,埋管道,和金属结构系统研究了使用智能算法结合一个电化学实验方法。氯化钠是土壤溶液提取的一个重要组成 针对杂散电流腐蚀的过程,本文的目的是实现腐蚀电流密度考虑多个环境因素的预测基于QPSO-NN算法,然后提供准确监测的可能性没有开挖埋地管道的腐蚀状况。因此,实验过程是首先进行确定腐蚀电流密度的主要影响因素,然后建立预测数据库。本文的其余部分组织如下:QPSO-NN演算法的理论中所描述的部分
1949年,唐纳德·赫布提问到的研究表明,生物调节通常是由神经元的性质,指出生物神经单元的一个学习方法的学习机制,也就是现在被称为神经可塑性(
QPSO算法基于量子行为产生的古典PSO算法。主要结合量子理论的改进行为,提高算法的全局优化性能。在量子力学中,粒子的状态用波函数描述<我nline-formula>
根据量子力学的理论,在量子粒子空间的动态行为可以由薛定谔方程描述。在QPSO算法,薛定谔方程的波函数是用来表达量子粒子空间中粒子的位置。粒子的波函数的位置<我nline-formula>
后一个粒子的概率密度函数在某一点出现在量子空间计算,采用蒙特卡罗方法获得粒子的位置方程。位置方程给出以下方程: 的<我nline-formula>
意思是最好的位置<我nline-formula>
在方程( 最后,优于经典的演化公式可以表示如下:
的<我t一个lic>
米 流的QPSO算法性能做了详细陈述如下: 随机初始化的初始位置<我t一个lic>
米
标本制作的表Q235A管道被使用,和wt. %的化学成分如表所示 本文模拟加速腐蚀是由实验系统如图 在这个实验中使用的对电极是一个4厘米<年代up>2
在激励振幅/ 0.025厘米<年代up>2
从电化学腐蚀实验获得实验数据库上面说。杂散电流密度<我t一个lic>
我
整个预测算法可以分为准备阶段、优化阶段,培训阶段,预测阶段。反向传播(BP)学习是生成一个最终的预测模型。QPSO算法被用来寻找合适的连接权重和偏见对神经网络的初始结构。QPSO-NN的框架方法预测腐蚀电流密度图所示
准备培训和验证数据集和设置比,验证率和测试比率数据规范化的过程
的比例训练集、验证集和测试集初步设定为70%,15%,和15%,分别。误差最小化宽容被设置为1%。安的培训目标是将MSE为0.01。建立、优化、培训和测试的QPSO-NN MATLAB R2015b的环境中进行。QPSO-NN的参数表 输入权重,隐藏的偏见,输出权重和输出偏差QPSO算法的优化目标。QPSO-NN算法的细节图所示 编码粒子在QPSO和预处理数据集的神经网络:ANN模型的结构如图 在哪里<我t一个lic>
我 在哪里<我t一个lic>
我
在本节中,QPSO-NN的有效性通过实验验证实验数据。本文的工作主要是提高传统神经网络的性能<我t一个lic>
我 实验进行计算机运行64位Windows系统。为了进行定量比较,以下索引是用来测量每个预测模型的性能,如精度,平均绝对误差(MAE)、均方误差(MSE),均方根误差(RMSE),相对误差(穗青葱),并确定系数:
比较研究需要首先进行腐蚀电流密度来确定该模型是有效的。虽然比较QPSO-NN摘要和PSO-NN, 100是重复运行得到的预测结果的平均值。根据预测结果表 尽管QPSO-NN模型的精度被证明是比PSO-NN和摘要模型通过平均值等一般统计分析,上面进行的比较粗糙。此外,进行深入的分析是必不可少的。在这个分析中,每一个算法的精度分布运行后进行的100次。相应的结果摘要,PSO-NN QPSO-NN有六个不同比例的训练集如图 接下来,对预测精度的影响因不同比例的训练集分析在这一节中。比例对精度的影响结果如图 对精度的影响引起的训练集的比例。(a)人口规模= 60;(b)人口规模= 80。 当训练集的比例是80%,参数被用作表 QPSO-NN模型的预测结果,PSO-NN模型,摘要模型。 回归测试和预测值之间的三个算法是显示在图中 回归测量值和预测值之间的三种算法。(一)摘要利用模型;(b) PSO-NN模型;(c) QPSO-NN模型。 基于比较分析从多个方面在这一节中,更高的精度是通过QPSO-NN模型无论训练集的比例。在计算效率方面,QPSO-NN模型成本相对较长时间比摘要由于QPSO算法的优化过程。由于腐蚀是一个长期的过程,实时性能不是腐蚀电流密度的主要因素预测,这意味着离线可以根据收集到的数据进行分析。因此,模型基于QPSO-NN算法是可行的和更有效果的预测问题。
培训乘以代表的参数的迭代优化的配置一个神经网络在训练过程中 预测精度和训练神经网络。(一)训练集的比例= 60%;(b)训练集的比例= 80%。 基于图的结果 分布的精度,精度是宽松的神经网络的训练时间时小。增加培训时间,平均预测的分布比较集中,这表明该算法更稳定。
一般来说,整个粒子的人口规模是一个重要的参数,对收敛速度的影响,精度和稳定性优于经典。QPSO-NN为了评估其影响,从20到80人口规模各不相同,然后每个参数对应的结果比较差。 从图可以看出 预测精度与人口规模优于经典。(一)训练集的比例= 40%,60%,80%;(b)训练集的比例= 30%,50%,70%。
max一代QPSO影响优化过程在很大程度上,这决定了搜索过程的有效性和效率。因此,它是必不可少的学习的影响最大的一代<我nline-formula>
预测精度与最大代优于经典。(一)训练集的比例= 60%;(b)训练集的比例= 80%。 从图可以看出 此外,平均精度相对loose-distributed低<我nline-formula>
摘要QPSO-NN模型提出了预测腐蚀电流密度<我t一个lic>
我 该模型表明,QPSO-NN模型展览腐蚀电流密度预测的理论价值<我t一个lic>
我 该模型是专为预测Q235A钢的腐蚀电流密度。然而,埋地管道含有多种金属、杂散电流腐蚀的特点,是不同的。未来的工作将集中在预测腐蚀电流密度下杂散电流的耦合作用和多种金属离子无论埋管道的类型。建立预测模型处理不同管道金属,新创建的数据库必须通过额外的电化学实验。
使用的实验数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
作者承认这个项目由中国国家自然科学基金资助(国家自然科学基金委)(51607178);特殊项目支持的中国博士后科学基金会(2018 t110570);和项目资助的中国博士后科学基金会(2019 m652005),江苏高等教育机构的自然科学研究项目(18 kjb460003)和优先级的学术程序开发江苏高等教育机构(PAPD)金融支持这项研究。