CN109284876A - 基于pca-rbf埋地管道腐蚀速率预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于PCA‑RBF埋地管道腐蚀速率预测方法。该方法通过结合PCA的特征提取功能和RBF网络强大的函数逼近能力，建立基于PCA和RBF神经网络的埋地管道腐蚀速率预测模型。本发明方法对改善埋地管道腐蚀速率的预测效果显著，PCA‑RBF模型在建模过程中具有更快的学习速度，同时提高了模型的预测精度和泛化能力，在埋地管道腐蚀速率预测中可用性很强。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于PCA-RBF埋地管道腐蚀速率预测方法。
背景技术
埋地油气输送管道在运行一定时间后会因腐蚀穿孔而漏油漏气，这将干扰整个输送系统的正常运行，因此，急需预测埋地油气管道腐蚀速率，以便为其检测与维护提供重要依据。目前，有关埋地油气管道腐蚀速率的预测方法主要有灰色理论、回归模型、神经网络模型等。
然而，神经网络建模过程还是存在计算量较大、学习效率低等缺点。而支持向量机(SVM)是近年来提出的一种新的建模方法，具有计算效率高、算法简单等特点。然而在SVM建模过程中需要求解二次规划问题，当训练样本数目很大时，计算极为费时。
为此，发明采用一种基于PCA-RBF建模方法建立埋地油气管道腐蚀速率预测方法，该方法简化了模型结构，加快了模型的计算速度。最后，以国内某埋地油气管道为研究对象，建立PCA-RBF埋地管道腐蚀速率预测模型，结果表明PCA-RBF模型预测值与实际结果有很好的一致性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于PCA-RBF埋地管道腐蚀速率预测方法，该方法简化了模型结构，加快了模型的计算速度；最后，以埋地油气管道为研究对象，建立PCA-RBF埋地管道腐蚀速率预测模型，结果表明PCA-RBF模型预测值与实际结果有很好的一致性。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于PCA-RBF埋地管道腐蚀速率预测方法，包括如下步骤：
步骤S1、选择土壤中对埋地管道腐蚀相关的影响因素作为输入变量；
步骤S2、以埋地输气管线为研究对象，通过对管道沿线土壤理化性质的测试及对管线的检测，获得样本数据；
步骤S3、随机选择若干组样本数据作为训练样本，采用PCA-RBF方法建立埋地管道腐蚀速率预测模型，将余下的样本数据作为测试样本，以测试所建立模型的预测效果；
步骤S4、根据评价指标对模型预测效果进行评价。
在本发明一实施例中，所述步骤S1中，对埋地管道腐蚀相关的影响因素包括含水率、HCO3－含量、Cl－含量、SO4 2－含量、氧化还原电位、pH值、土壤电阻率。
在本发明一实施例中，所述步骤S3中，采用PCA-RBF方法建立埋地管道腐蚀速率预测模型的具体实现步骤如下：
(1)数据归一化：由式(1-1)对样本数据进行归一化，得T＝[T1,T2,···,T13]；
式(1-1)中，xi(k)为埋地管道腐蚀速率影响因素xi第k个样本的采样值，Xi-max、Xi-min为影响因素xi的最大值和最小值；Tmax、Tmin为归一化的最大值和最小值，取Tmax＝1、Tmin＝-1；
(2)采用主元分析PCA提取主元：
设有样本数据集X＝[x1,x2,···,xn]，k表示样本序号，f表示维数，λi为协方差矩阵V特征根,L＝[L1,L2,···,Lf],Li＝[γ1i,γ2i,···,γfi]T是与λi对应的协方差矩阵V的单位正交特征向量，则样本数据X的第i个主元成分Yi可表示为：
Yi＝XLi＝γ1ix1+γ2ix2+···+γfixf (1-2)
确定主元个数t的方法可以用经验法，即取最小的t使得：
式(1-3)中，η为常数；
(3)建立RBF神经网络模型：以PCA提取的主成分数据作为RBF神经网络的训练样本数据，采用K-means法确定网络中心，使用最小二乘法确定网络权值，建立RBF神经网络埋地管道腐蚀速率模型；RBF神经网络由输入层、隐含层和输出层3层组成；其中，隐含层节点的径向基函数采用高斯函数，隐含层第l神经元的转换函数为：
式(1-4)中，Y为输入矩阵向量；cl和σl分别为高斯函数中心和宽度；
RBF输出层输出如式(1-5)所示：
式(1-5)中，Zp表示第p个网络输出值；Wp为输出层神经网络的阀值；Wlp为输出层神经网络的权值；q为隐含层节点数；
(4)采用测试集的数据检验所建立的RBF神经网络模型的预测效果，若预测结果不满意则返回步骤(3)重新训练网络。
在本发明一实施例中，所述步骤(2)中，取η＝0.9，即保证前t个主成分的累积贡献率超过90％。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明方法方法简化了模型结构，加快了模型的计算速度；最后，以埋地油气管道为研究对象，建立基于PCA-RBF埋地管道腐蚀速率预测模型，结果表明PCA-RBF模型预测值与实际结果有很好的一致性。
附图说明
图1为本发明采用的APSO优化算法流程图。
图2为四种模型训练结果。
图3为四种模型测试结果。
图4为四种模型预测结果残差。
图5为PCA-RBF预测模型结构图。
图6为RBF神经网络结构图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供了一种基于PCA-RBF埋地管道腐蚀速率预测方法，包括如下步骤：
步骤S1、选择含水率、HCO3 －含量、Cl－含量、SO4 2－含量、氧化还原电位、pH值、土壤电阻率7个影响因素作为输入变量；
步骤S2、以埋地输气管线为研究对象，通过对管道沿线土壤理化性质的测试及对管线的检测，获得样本数据；
步骤S3、随机选择若干组样本数据作为训练样本，采用PCA-RBF方法建立埋地管道腐蚀速率预测模型，将余下的样本数据作为测试样本，以测试所建立模型的预测效果；
所述步骤S3中，采用PCA-RBF方法建立埋地管道腐蚀速率预测模型的具体实现步骤如下：
(1)数据归一化：由式(1-1)对样本数据进行归一化，得T＝[T1,T2,···,T13]；
式(1-1)中，xi(k)为埋地管道腐蚀速率影响因素xi第k个样本的采样值，Xi-max、Xi-min为影响因素xi的最大值和最小值；Tmax、Tmin为归一化的最大值和最小值，取Tmax＝1、Tmin＝-1；
(2)采用主元分析PCA提取主元：
设有样本数据集X＝[x1,x2,···,xn]，k表示样本序号，f表示维数，λi为协方差矩阵V特征根,L＝[L1,L2,···,Lf],Li＝[γ1i,γ2i,···,γfi]T是与λi对应的协方差矩阵V的单位正交特征向量，则样本数据X的第i个主元成分Yi可表示为：
Yi＝XLi＝γ1ix1+γ2ix2+···+γfixf (1-2)
确定主元个数t的方法可以用经验法，即取最小的t使得：
式(1-3)中，η为常数；取η＝0.9，即保证前t个主成分的累积贡献率超过90％；模型结构如图5所示。
(3)建立RBF神经网络模型：以PCA提取的主成分数据作为RBF神经网络的训练样本数据，采用K-means法确定网络中心，使用最小二乘法确定网络权值，建立RBF神经网络埋地管道腐蚀速率模型；RBF神经网络由输入层、隐含层和输出层3层组成，其网络结构图如图6所示；其中，隐含层节点的径向基函数采用高斯函数，隐含层第l神经元的转换函数为：
式(1-4)中，Y为输入矩阵向量；cl和σl分别为高斯函数中心和宽度；
RBF输出层输出如式(1-5)所示：
式(1-5)中，Zp表示第p个网络输出值；Wp为输出层神经网络的阀值；Wlp为输出层神经网络的权值；q为隐含层节点数；
(4)采用测试集的数据检验所建立的RBF神经网络模型的预测效果，若预测结果不满意则返回步骤(3)重新训练网络。
以下为本发明的具体实施例。
通过对比本发明方法(图1)建立的埋地管道腐蚀速率预测模型，RBFNN、SVM以及常规LSSVM埋地管道腐蚀速率预测模型，对比各方法的预测效果，具体如下：
选择含水率、HCO3 －含量、Cl－含量、SO4 2－含量、氧化还原电位、pH值、土壤电阻率等7个影响因素作为输入变量。以国内某埋地输气管线为研究对象，通过对管道沿线土壤理化性质的测试及对管线的检测，共获得87组样本数据。随机选择其中60组数据作为训练样本，建立埋地管道腐蚀速率预测模型，剩下的27组数据作为测试样本，用于测试所建立模型的预测效果。
模型训练：首先建立采用PCA-RBF建立埋地管道腐蚀速率预测模型，同时建立同时建立多元线性回归(MLR)、反向传播神经网络(BPNN)以及径向基神经网络(RBFNN)埋地管道腐蚀速率预测模型，用于对比预测效果。模型训练结果如图2所示，模型测试结果如图3所示，模型预测结果残差如图4：
预测结果分析：
以最大误差(Emax)、平均相对误差(MRE)、平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)作为评价指标来对模型的预测性能进行评价，四种指标定义分别为：
式中，N为样本数量，yi为实际值，为预测值。
根据上述四个评价指标，得出四种模型预测效果性能，如表1所示。
表1四种模型预测效果性能比较
从图2、图3、图4及表1可以看出，采用RBFNN方法和SVM方法建立的埋地管道腐蚀速率预测模型其预测效果均较差，采用LSSVM方法建立的预测模型其预测值虽然较为接近实际值，但其精度仍有待提高；而采用基于APSO优化的LSSVM方法建立的预测模型，其预测精度均高于其它三种模型，表明基于APSO优化的LSSVM建模方法在埋地管道腐蚀速率预测方面具有较高的预测精度。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于PCA-RBF埋地管道腐蚀速率预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、选择土壤中对埋地管道腐蚀相关的影响因素作为输入变量；
步骤S2、以埋地输气管线为研究对象，通过对管道沿线土壤理化性质的测试及对管线的检测，获得样本数据；
步骤S3、随机选择若干组样本数据作为训练样本，采用PCA-RBF方法建立埋地管道腐蚀速率预测模型，将余下的样本数据作为测试样本，以测试所建立模型的预测效果；
步骤S4、根据评价指标对模型预测效果进行评价。
2.根据权利要求1所述的基于PCA-RBF埋地管道腐蚀速率预测方法，其特征在于，所述步骤S1中，对埋地管道腐蚀相关的影响因素包括含水率、HCO3 －含量、Cl－含量、SO4 2－含量、氧化还原电位、pH值、土壤电阻率。
3.根据权利要求1所述的基于PCA-RBF埋地管道腐蚀速率预测方法，其特征在于，所述步骤S3中，采用PCA-RBF方法建立埋地管道腐蚀速率预测模型的具体实现步骤如下：
(1)数据归一化：由式(1-1)对样本数据进行归一化，得T＝[T1,T2,···,T13]；
式(1-1)中，xi(k)为埋地管道腐蚀速率影响因素xi第k个样本的采样值，Xi-max、Xi-min为影响因素xi的最大值和最小值；Tmax、Tmin为归一化的最大值和最小值，取Tmax＝1、Tmin＝-1；
(2)采用主元分析PCA提取主元：
设有样本数据集X＝[x1,x2,···,xn]，k表示样本序号，f表示维数，λi为协方差矩阵V特征根,L＝[L1,L2,···,Lf],Li＝[γ1i,γ2i,···,γfi]T是与λi对应的协方差矩阵V的单位正交特征向量，则样本数据X的第i个主元成分Yi可表示为：
Yi＝XLi＝γ1ix1+γ2ix2+···+γfixf (1-2)
确定主元个数t的方法可以用经验法，即取最小的t使得：
式(1-3)中，η为常数；
(3)建立RBF神经网络模型：以PCA提取的主成分数据作为RBF神经网络的训练样本数据，采用K-means法确定网络中心，使用最小二乘法确定网络权值，建立RBF神经网络埋地管道腐蚀速率模型；RBF神经网络由输入层、隐含层和输出层3层组成；其中，隐含层节点的径向基函数采用高斯函数，隐含层第l神经元的转换函数为：
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4.根据权利要求1所述的基于PCA-RBF埋地管道腐蚀速率预测方法，其特征在于，所述步骤(2)中，取η＝0.9，即保证前t个主成分的累积贡献率超过90％。
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