基于KPCA-ICS-SVM模型的膠粘復(fù)合材料涂層管道外腐蝕速率預(yù)測研究

吳 艷

(中海油東方石化有限責(zé)任公司，海南 東方 572600)

在使用金屬管道對石油、天然氣以及成品油等能源進(jìn)行輸送的過程中，金屬管道一般會采用埋地敷設(shè)的方式，僅有部分場站內(nèi)的管道會采用架空敷設(shè)方式。埋地敷設(shè)占地面積相對較少，不會影響管道沿線的環(huán)境，該種敷設(shè)方式的安全系數(shù)也相對較高。但是，由于土壤中含有一定量的腐蝕性物質(zhì)，因此，會引起管道外腐蝕問題。事實(shí)上，土壤腐蝕是威脅管道安全的重要因素，對金屬管道的外腐蝕速率進(jìn)行預(yù)測，有助于相關(guān)企業(yè)制定合理的措施保障管道安全運(yùn)行。

由于管道安全運(yùn)行十分關(guān)鍵，因此，國內(nèi)外學(xué)者針對金屬管道的外腐蝕問題開展了多方面的研究。據(jù)報(bào)道，針對腐蝕管道的可靠性問題，引入了貝葉斯方法，建立了管道可靠性與外腐蝕數(shù)據(jù)之間的關(guān)系模型，并從外腐蝕的角度出發(fā)，對管道進(jìn)行了安全評估研究；針對管道外腐蝕的影響因素問題，引入了動(dòng)態(tài)貝葉斯的方法，對管道外腐蝕的因素進(jìn)行了系統(tǒng)研究。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)管道外腐蝕的評價(jià)結(jié)果，對管道的剩余壽命進(jìn)行了評估，針對管道的外腐蝕速率問題，引入了BPNN(誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))的預(yù)測方法，并使用IFA(改進(jìn)螢火蟲)算法，對BPNN算法中的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)選，最終使用BPNN算法對外腐蝕速率問題進(jìn)行了預(yù)測研究，但是在使用BPNN算法的過程中非常容易出現(xiàn)局部最優(yōu)的問題，因此，預(yù)測誤差相對較大；引入了RBF(徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))算法，對影響管道外腐蝕的因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并對管道外腐蝕速率進(jìn)行了預(yù)測研究，但是在使用RBF算法的過程中，隨著數(shù)據(jù)量的增加，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將更加的復(fù)雜，數(shù)據(jù)預(yù)測的準(zhǔn)確度將會降低。

事實(shí)上，盡管國內(nèi)外學(xué)者對管道的外腐蝕問題進(jìn)行了多方面的研究，也取得了眾多的成果；但是，例如預(yù)測精度相對較低、預(yù)測過程相對較為復(fù)雜等。針對這些問題，本研究提出了一種基于KPCA-ICS-SVM組合模型，以實(shí)例驗(yàn)證的方式，對該種方法用于管道外腐蝕預(yù)測的可行性以及可靠性分別進(jìn)行研究，為管道外腐蝕的預(yù)測問題提供一種新的思路，為保障管道安全運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及設(shè)定

為了對管道外腐蝕速率進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測研究，本文將以我國某天然氣管道為例，對其進(jìn)行研究。該天然氣管道的輸量達(dá)到了8×10m/a，其設(shè)計(jì)壓力達(dá)到了8 MPa，管道運(yùn)行的最大壓力為5.5 MPa，管道的材料為API X80管線鋼；在管道建設(shè)的過程中，為了降低腐蝕速率，采用了外防腐層+外加電流陰極保護(hù)的防護(hù)措施。受到管道建設(shè)以及第3方入侵的影響，外防腐層的破壞較為嚴(yán)重；同時(shí)，陰保參數(shù)的設(shè)置不合理，管道沿線需要穿越酸性土壤地區(qū)，最終導(dǎo)致管道的外腐蝕問題較為嚴(yán)重。

為了獲取外腐蝕速率信息，在距離管道1 m的位置處敷設(shè)實(shí)地埋片。實(shí)地埋片的材料與管道材料相同，在實(shí)地埋片的表面沒有增設(shè)防腐層，使用電連接的方式，將實(shí)地埋片與管道相互連接，使得二者的電位保持一致，根據(jù)實(shí)地埋片的質(zhì)量變化情況，對其均勻腐蝕速率進(jìn)行計(jì)算。為了了解土壤的理化性質(zhì)，在實(shí)地埋片的周圍取土，并根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19285─2014《埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護(hù)工程檢驗(yàn)》要求，對其各種理化性質(zhì)進(jìn)行化驗(yàn)。

事實(shí)上，土壤體系相對較為復(fù)雜，分別由氣、液、固3相體系所構(gòu)成。同時(shí)，土壤也屬于一種電解質(zhì)膠體，由于土壤中存在大量的雜散電流，這使得管道在遭受化學(xué)腐蝕的同時(shí)，也將會遭受一定的電化學(xué)腐蝕。對于金屬材料而言，在埋地敷設(shè)的前提下，其化學(xué)腐蝕主要由土壤中的理化性質(zhì)所決定，在土壤成分存在差異的前提下，其腐蝕速率必然會存在一定的差異。由于管道在敷設(shè)之前都已經(jīng)增設(shè)防腐層，其可以將腐蝕性物質(zhì)與金屬材料相互隔離，與陰極保護(hù)方法產(chǎn)生協(xié)同作用，最終降低管道的腐蝕速率。在進(jìn)行管道腐蝕速率研究的過程中，需要對影響因素進(jìn)行合理的選擇。選擇的影響因素需要具有一定的代表性，可以充分反映金屬腐蝕的嚴(yán)重性，同時(shí)，所選擇的影響因素還需要做到容易測量的原則。本研究最終選擇土壤含水量、土壤含鹽量、土壤的pH值、土壤的氧化-還原電位、土壤的自然腐蝕電位、土壤的電位梯度、土壤的電阻率、土壤中氯離子的含量、管道防腐層破損點(diǎn)的密度以及陰極保護(hù)的有效率等10項(xiàng)因素作為影響管道外腐蝕的初始影響因素。

2 算法理論基礎(chǔ)

2.1 KPCA算法

核主成分分析(KPCA)算法是在主成分分析(PCA)算法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種影響因素分析算法，其可以利用非線性的方法，對影響某一事物的主成分進(jìn)行提取。事實(shí)上，在使用PCA算法的過程中，其主要是基于數(shù)據(jù)樣本，但是對于KPCA算法而言，其使用的過程中主要是基于輸入數(shù)據(jù)的維度。對于管道的外腐蝕問題，其影響因素相對較多，且影響因素之間的非線性特征十分明顯，因此，KPCA算法適用于管道外腐蝕速率影響因素的降維處理問題。在使用KPCA算法的過程中，假設(shè)樣本數(shù)據(jù)集為(=0,1,2,…,；影響外腐蝕速率的因素有m個(gè))，∈；通過引入非線性的函數(shù)()，進(jìn)而使得數(shù)據(jù)樣本可以轉(zhuǎn)換進(jìn)入高維空間，并可以得到協(xié)方差矩陣：

(1)

對該矩陣的特征值以及特征值對應(yīng)的特征向量進(jìn)行求解，通過使用函數(shù)()，可以得到：

()-()=0

(2)

式中：可以使用函數(shù)()來表示，即

(3)

式中：為數(shù)學(xué)中的拉格朗日乘子。把式(2)和式(3)相互結(jié)合，并加入核函數(shù)以后，可以得到：

-=0

(4)

(5)

2.2 ICS算法

(6)

(7)

2.3 SVM算法

支持向量機(jī)(SVM)算法屬于一種相對較為先進(jìn)的數(shù)據(jù)分類以及預(yù)測算法，在使用該種算法的過程中，對學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)集進(jìn)行非線性的映射:∈→，進(jìn)而可以將其輸入到高維空間中，并在高維空間中對數(shù)據(jù)進(jìn)一步的處理。首先，假設(shè)所有的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)集可以表示為{(,),(,),…,(,)}，其中∈為輸入數(shù)據(jù)矢量；∈為目標(biāo)的數(shù)值；為樣本的個(gè)數(shù)。對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：

(8)

(9)

式中：為模型的懲罰函數(shù)；為模型的損失參數(shù)，這2項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定對于整個(gè)SVM算法的使用十分關(guān)鍵。但是，在確定這2項(xiàng)參數(shù)的過程中，目前并沒有很好的方法，一般都是依靠研究人員自身的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定，這導(dǎo)致參數(shù)確定的精度相對較低，且容易受到主觀因素的影響。

3 基于KPCA-ICS-SVM模型的埋地管道外腐蝕速率預(yù)測模型構(gòu)建

3.1 組合模型構(gòu)建

在使用SVM模型對管道外腐蝕速率進(jìn)行預(yù)測的過程中，其預(yù)測的精度與參數(shù)和具有很強(qiáng)的聯(lián)系，因此，本研究將會使用ICS模型對這兩項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，最終建立用于埋地管道外腐蝕速率預(yù)測的組合模型；模型的組合方法如圖1所示。使用該模型的流程為：

圖1 組合模型流程圖Fig.1 Combined model flow chart

(1)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。假設(shè)樣本的數(shù)量為個(gè)，(,)，=1,2,3,…,表示各個(gè)樣本，將所有的樣本數(shù)據(jù)分為2個(gè)組，分別是學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)集以及預(yù)測數(shù)據(jù)集。其中，對于外腐蝕速率的影響因素而言，其屬于輸入數(shù)據(jù)集：=[1,2,…,]；參數(shù)為

外腐蝕速率影響因素的數(shù)量，對于外腐蝕速率而言，使用表示。使用以下公式對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理：

(10)

(2)降維處理。使用KPCA算法，對外腐蝕速率的影響因素進(jìn)行降維處理，優(yōu)選出影響埋地管道外腐蝕的主要影響因素；

(11)

(4)模型訓(xùn)練。將學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)集輸入到組合模型中，將適應(yīng)度函數(shù)最小值作為模型訓(xùn)練的目標(biāo)，使用ICS算法對SVM算法中的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，最終得到最佳的KPCA-ICS-SVM組合模型；

(5)結(jié)果預(yù)測。將預(yù)測數(shù)據(jù)集輸入到最佳KPCA-ICS-SVM組合模型中，對埋地管道外腐蝕速率進(jìn)行預(yù)測，并將預(yù)測結(jié)果與實(shí)際外腐蝕速率進(jìn)行對比，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

3.2 模型評估方法

為對本研究所提出的組合模型進(jìn)行合理的驗(yàn)證，引入均方根誤差(RMSE)和希爾不等系數(shù)(Theil IC)2種類型的評估方法，對組合模型的預(yù)測準(zhǔn)確性進(jìn)行評價(jià)。2種類型評估方法的計(jì)算公式：

(12)

(13)

對于本研究采用的2種評估方法而言，其計(jì)算結(jié)果越小，則證明預(yù)測精度越高。如果RMSE的計(jì)算結(jié)果超過了10%，則證明模型的預(yù)測結(jié)果較差。

4 實(shí)例應(yīng)用

4.1 樣本數(shù)據(jù)整理及分類

根據(jù)上面介紹的數(shù)據(jù)采集方法，共采集數(shù)據(jù)55組，將55組數(shù)據(jù)分為2部分。其中，45組數(shù)據(jù)用于模型訓(xùn)練；在模型的相關(guān)參數(shù)達(dá)到最佳以后，將剩余10組數(shù)據(jù)輸入到組合模型中。對本研究所提組合模型的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，本次研究所考慮的管道外腐蝕速率影響因素和采集的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

表1 本次研究采集的部分?jǐn)?shù)據(jù)Tab.1 Some data collected in this study

4.2 KPCA算法處理結(jié)果分析

使用MATLAB軟件對KPCA算法進(jìn)行編程，對影響埋地管道外腐蝕速率的相關(guān)因素進(jìn)行綜合性分析。對于不同類型的影響因素而言，其量綱的差距相對較大，因此，在進(jìn)行KPCA處理之前，需要使用式(10)對其進(jìn)行歸一化處理。在歸一化處理后，才能對其進(jìn)行KPCA分析，分析結(jié)果如表2所示。

表2 埋地管道外腐蝕影響因素KPCA算法分析結(jié)果Tab.2 Results of KPCA Algorithm analysis

由表2可知，由于前4項(xiàng)影響因素的累計(jì)貢獻(xiàn)率已經(jīng)超過了85%；因此，可以將前4項(xiàng)影響因素作為影響管道外腐蝕速率的主要因素。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，對于電化學(xué)腐蝕行為而言，其與土壤的表觀電導(dǎo)有關(guān)，土壤的表觀電導(dǎo)主要由2部分構(gòu)成，分別是土壤中液相的電導(dǎo)以及土壤的表觀電導(dǎo)。2種類型的電導(dǎo)存在本質(zhì)區(qū)別，前者主要依靠液相離子進(jìn)行導(dǎo)電，后者主要依靠固相的離子進(jìn)行導(dǎo)電，這2種類型的電導(dǎo)與土壤自身的電阻率、含鹽量、含水量有關(guān)；同時(shí)，土壤的pH值會直接影響管道金屬的化學(xué)腐蝕行為。另一方面，表2中后三者對于管道外腐蝕的影響相對較小，這主要是因?yàn)樵摋l管道沿線的電氣化設(shè)施相對較少，因此，雜散電流也相對較弱；對于破損點(diǎn)而言，其密度均值為0.1處/(100 m)左右，根據(jù)防腐層的評級標(biāo)準(zhǔn)，其處于1級和2級之間，且偏向于1級，因此，防腐層的質(zhì)量相對較好。通過對陰極保護(hù)電流進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，該條管道大多數(shù)位置處的保護(hù)電位滿足要求，僅有部分位置處的保護(hù)電位低于-0.85 V。綜合而言，土壤表面電位梯度、破損點(diǎn)密度以及陰極保護(hù)率對于管道外腐蝕速率的影響相對較小。

4.3 參數(shù)優(yōu)選結(jié)果分析

為了對ICS算法的應(yīng)用優(yōu)勢進(jìn)行驗(yàn)證，將使用CS算法與其進(jìn)行對比。CS算法使用過程中的參數(shù)設(shè)置與ICS算法相同，2種類型算法的迭代過程如圖2所示。

圖2 ICS算法和CS算法的迭代過程Fig.2 Iterative process of ICS Algorithm and CS Algorithm

由圖2可知，對于ICS算法而言，其迭代速度相對較快，在迭代次數(shù)達(dá)到75次以后，誤差的變化基本穩(wěn)定；對于CS算法而言，其迭代速度相對較慢，在迭代次數(shù)達(dá)到114次以后，誤差的變化才能達(dá)到穩(wěn)定。由此可見，與傳統(tǒng)的CS算法相比，ICS算法的性能更加優(yōu)越，使用ICS算法對SVM算法中的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，進(jìn)而得到=12.83和=4.56。

4.4 腐蝕速率預(yù)測及結(jié)果對比

為了對本次研究所提模型的先進(jìn)性進(jìn)行驗(yàn)證，本研究將使用同樣的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，對常見的4種智能學(xué)習(xí)算法進(jìn)行訓(xùn)練；并使用同樣的驗(yàn)證數(shù)據(jù)集，對智能算法的性能進(jìn)行驗(yàn)證。不同類型智能算法預(yù)測結(jié)果與實(shí)際腐蝕速率的對比情況如圖3所示。

圖3 不同類型智能算法預(yù)測結(jié)果與實(shí)際腐蝕速率對比圖Fig.3 Comparison of different types of intelligent algorithm predictive results and actual corrosion rate

由圖3可知，不同類型智能預(yù)測算法在對管道外腐蝕速率進(jìn)行預(yù)測的過程中，預(yù)測結(jié)果的變化趨勢與實(shí)際腐蝕速率的變化趨勢都十分接近，僅依靠對比預(yù)測結(jié)果與實(shí)際腐蝕速率，無法對本次研究所提出的KPCA-CS-SVM組合模型的先進(jìn)性進(jìn)行驗(yàn)證。因此，本研究對驗(yàn)證數(shù)據(jù)集中不同算法預(yù)測結(jié)果的相對誤差進(jìn)行了計(jì)算，不同類型智能算法預(yù)測結(jié)果的相對誤差如圖4所示。

圖4 不同類型智能算法預(yù)測結(jié)果的相對誤差Fig.4 Relative error of different types of intelligent algorithm prediction results

由圖4可知，KPCA-ICS-SVM組合模型在使用的過程中，10組樣本的預(yù)測結(jié)果相對誤差均小于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等3種類型的智能模型，僅在少量數(shù)據(jù)位置處，預(yù)測結(jié)果的相對誤差高于KPCA-CS-SVM模型。為了對本研究所提組合模型的性能進(jìn)一步的驗(yàn)證，使用上文中提出的性能驗(yàn)證方法，對評估指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算；不同模型評估指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同類型智能算法的性能評估Fig.5 Performance assessment of different types of intelligent algorithms

由圖5可知，本研究所提出的KPCA-ICS-SVM模型在對管道外腐蝕速率進(jìn)行預(yù)測的過程中，與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型相比，其RMSE數(shù)值降低了4.52%，Theil IC數(shù)值降低了3.89%；與RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型相比，其RMSE數(shù)值降低了2.54%，Theil IC數(shù)值降低了2.17%；與KPCA-PSO-SVM模型相比，其RMSE數(shù)值降低了1.66%；Theil IC數(shù)值降低了1.44%；與KPCA-CS-SVM模型相比，其RMSE數(shù)值降低了0.35%，Theil IC數(shù)值降低了0.31%。

綜合分析可以發(fā)現(xiàn)，使用KPCA-ICS-SVM模型進(jìn)行管道外腐蝕速率預(yù)測的性能相對較好。因此，未來在對管道腐蝕速率進(jìn)行評估的過程中，可以引入該種類型的智能算法。

5 結(jié)語

對于埋地管道而言，受到土壤環(huán)境的影響，出現(xiàn)外腐蝕問題的概率相對較大，通過對管道外腐蝕速率進(jìn)行評估，可以為管道防護(hù)方案的制定提供數(shù)據(jù)支持。本研究主要提出了一種基于KPCA-ICS-SVM組合模型的管道外腐蝕速率預(yù)測方法，并對該種方法的先進(jìn)性以及可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。

(1)通過使用KPCA算法對影響管道外腐蝕的因素進(jìn)行綜合分析發(fā)現(xiàn)，土壤的電阻率、含水量、含鹽量以及pH值為影響管道外腐蝕速率的主要因素。其中，對于前3項(xiàng)影響因素而言，其會對電化學(xué)腐蝕行為產(chǎn)生重要影響；同時(shí)，土壤的pH值會直接影響管道金屬的化學(xué)腐蝕行為；

(2)盡管SVM算法屬于一種相對較為先進(jìn)的數(shù)據(jù)分類及預(yù)測算法，但在使用該種算法的過程中，需要進(jìn)行合理的參數(shù)優(yōu)選，通過使用ICS算法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)選發(fā)現(xiàn)，ICS算法的收斂速度相對較快，且使用效果相對較好；

(3)通過將本研究所提出的KPCA-ICS-SVM模型與其他模型進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行管道外腐蝕速率預(yù)測的過程中，預(yù)測結(jié)果的變化趨勢與管道實(shí)際腐蝕速率相同，且多種類型評估指標(biāo)均小于其他常見模型。

由此可見，在使用KPCA-ICS-SVM模型進(jìn)行管道外腐蝕速率預(yù)測，其具有很強(qiáng)的先進(jìn)性以及可行性，未來可以推廣使用該種類型的算法。