基于RS-PSO-SVM算法的腐蝕管道剩余強度預測技術研究

楊旭東，周艷麗，劉志娟，陸 亮，于天齊，劉 勇

中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司第一采油廠，河北任丘 062552

近年來，我國油氣管道呈現跨越式發展，截至2017年底，我國油氣管道總里程超過12.5×104km。目前，我國大多數油氣管道服役時間已超過20 a，因土壤、大氣以及水體等多方面的影響，腐蝕成為危害管道安全、造成管道失效的重要因素，腐蝕缺陷不僅會引起管材的力學特性發生變化，而且會對管道的應力分布產生影響，因此，需要根據腐蝕情況對在役管道的剩余強度進行有效評價和預測，從而進一步判斷管道是否需要降壓運行或進入維修及更換階段[1-2]。

目前，國內外相關學者已對腐蝕管道的剩余強度展開了大量研究。美國AGA管道研究委員會提出了基于斷裂力學的NG-18環向失效應力計算公式，Kiefner等[3]以此為基礎，提出了用于單一腐蝕缺陷剩余強度計算的B31G準則，后來美國ASME組織對其進行了多次修改，最為常用的是ASME B31G-2009版本[4]，此外挪威船級社制定了DNV-F101評價標準[5]，國內石油行業制定了SY/T 6151—2009評價標準[6]，這些評價標準可有效預測腐蝕管道的剩余強度，但普遍保守性強，容易造成對管道不必要的更換和維修。近年來，有限元分析成為計算管道剩余強度的有效手段，白清東[7]、Hoang Van Thanh等[8]均采用ANSYS對腐蝕管道進行了有限元分析，但該方法需要對不同的網格節點進行劃分，對于工程實踐來說，操作過于繁瑣，一般人不易掌握。綜上所述，無論是公式還是有限元分析，對管道剩余強度的計算都存在一定的弊端，且計算的數據與真實的水壓爆破數據存在一定的誤差，保守性過強，造成過早的更換管道，浪費資金。

隨著機器學習、人工智能的興起，利用相關算法實現對腐蝕管道剩余強度的有效預測是可行的。SVM（Support Vector Machine，支持向量機）是目前應用最為廣泛的機器算法之一，可以有效解決小樣本的分類和回歸問題，但樣本數據的準確性會影響預測的精度和魯棒性，因此需要利用RS（粗糙集）屬性約簡理論[9]，對冗余和重復的影響因素進行篩除；而SVM中最重要的是懲罰因子C和核系數g的尋優，采用人工試算費時費力，可以采用改進的PSO（粒子群）算法[10]對參數進行尋優。因此，利用RS-PSO-SVM算法構建腐蝕管道剩余強度預測模型，可為管道完整性及延壽運行提供較好的理論依據。

1 研究方法

1.1 RS屬性約簡

RS（粗糙集）主要是利用二維信息表對信息進行有效表達，基本公式為S={U，R，V，f}，其中U為論域；R是屬性的集合，R=C∪D，C和D分別為條件屬性集和決策屬性集；V=∪Vr是Vr屬性值的集合，Vr為屬性r的值域；f：U×R→V是一個信息函數，代表論域中的對象x的各種屬性值。S={U，R，V，f}對應的二維數據即為決策表。

并非所有的條件屬性都是必要的，在不影響決策屬性的前提下，利用屬性約簡去除掉冗余信息，可以有效降低后期計算的時間和對噪聲處理的困難。對于S={U，R，V，f}，設r0∈R，如果IND（R-{r0}） =IND(R)，則稱屬性r0在R中是冗余的，r0為冗余屬性；反之，r0為必要屬性。

1.2 改進的PSO

PSO屬于仿生算法，根據鳥類捕食經驗而來，通過群體中不同個體（n個粒子）的互相協作和信息共享來實現尋求最優解，PSO被廣泛用于神經網絡、遺傳算法、模糊理論等算法優化和參數尋優。標準PSO的算法流程如下：

（1）初始化所有粒子并評價每個粒子的適應度，包括粒子的隨機位置向量和速度向量。

（2） 與局部最優位置pbest進行比較，如果較好，選擇pbest位置。

（3） 與全局最優位置gbest進行比較，如果較好，選擇gbest位置。

（4）根據下面兩個公式不斷調整粒子的位置和速度向量：

式中：xi為當前粒子位置；vi為當前粒子速度；ωi為慣性因子；c1、c2為學習因子，取值2；rand（）為（0，1）之間的隨機數。

（5）當達到設置的最大迭代次數或尋求到最優解時停止計算，否則返回第（2）步。

在標準PSO計算中，慣性因子ωi采用線性遞減方式，但會造成迭代后期局部搜索能力變差，因此采用非線性遞減方式變化進行改進，公式如下：

在標準PSO計算中，學習因子c1=c2=2，但實際c1和c2分別體現了對局部最優解和全局最優解的不斷學習，隨著迭代次數的增加，這兩個值應為非線性變化而不是定值，c1應遞減，c2應遞增，因此引入余弦函數改進學習因子，公式如下：

式中：c1、c2的取值范圍為（0，2）。

1.3 SVM

SVM專門處理小樣本條件下的非線性擬合和分類問題，對于腐蝕管道剩余強度預測問題，由于可查閱的真實水壓爆破試驗數據較少，因此可以利用SVM模型進行預測。基本原理是通過引入非線性函數，將低維空間的非線性擬合問題映射到高維空間中，并在高維空間中建立相應的模型進行線性擬合計算。擬合函數為：

式中：x為樣本的輸入向量；w為樣本的權值向量；b為樣本的擬合誤差。

為了減少訓練樣本誤差，引入了兩個非負值的松弛變量ξ和ξ*，將上述公式轉化為規劃問題：

式中：C為懲罰因子；ε為不敏感參數。

引入拉格朗日乘子函數后，將上述的函數優化問題轉化為對偶問題，整理上述公式后得到：

式中：ai和a*i為拉格朗日乘子，k（xi，xj） 為核函數。核函數的作用是將樣本映射到高維空間中，常用的3種核函數分別是：多項式核函數、徑向基核函數和S形核函數。研究表明：對于不同的數據類型，不同核函數表現不盡相同，徑向基核函數在大多數數據處理方面表現優秀，因此，本文采用徑向基核函數：

1.4 剩余強度預測模型

采用RS的屬性約簡理論，對剩余強度影響因素進行數據降維，將主要因素進行歸一化處理后輸入SVM模型進行訓練，為了縮小誤差，利用改進后的PSO對SVM中的懲罰因子C和核系數g進行尋優，最后建立RS-PSO-SVM算法的腐蝕管道剩余強度預測模型，預測流程如圖1所示。

圖1 腐蝕管道剩余強度預測流程

2 實例計算

2.1 數據來源

為了保證預測模型的準確性，采用文獻[11]中79組真實的水壓爆破試驗數據，該組數據基本覆蓋了X42～X100低強度到高強度鋼級中常見的管道類型，將數據分為兩組，其中隨機抽取69組作為訓練樣本，剩余10組作為測試樣本，采用平均絕對誤差和均方根誤差2個評價指標值分析模型的預測性能，公式如下：

式中：MAPE為平均絕對百分誤差；RMSE為均方根誤差，MPa；為剩余強度預測值，MPa；y為水壓爆破實際值，MPa。

2.2 指標體系構建

通過查閱相關文獻，提取了影響腐蝕管道剩余強度的7項主要評價指標，分別是管道鋼級、管徑、壁厚、屈服強度、拉伸強度、缺陷長度、缺陷深度等，將剩余強度作為評價目標，構建了相應指標體系，如圖2所示。

圖2 腐蝕管道剩余強度指標體系

2.3 屬性約簡

將剩余強度按照由小到大分為4個等級，將文獻[11]中的79組數據按照表1的標準進行離散化處理，得到剩余強度預測決策表，其中U為樣本序號即論域；C={C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7}為條件屬性，剩余強度D為決策屬性，將離散化的數據輸入Matlab中進行編程，采用Johnson約簡算法分析后得到約簡條件屬性集為{C1，C2，C3，C6，C7}，即降維后影響腐蝕管道剩余強度的主要因素有管道鋼級、管徑、壁厚、腐蝕深度、腐蝕長度。屈服強度和拉伸強度被去除，主要原因是這兩者在剩余強度計算中主要影響的是流變應力，在管道鋼級一定的情況下，屈服強度和拉伸強度的變化范圍固定，流變應力也呈同趨勢變化，因此管道鋼級這一評價指標實際上包含了屈服強度和拉伸強度的大部分信息，管道鋼級可以列入最優屬性集中。

表1 腐蝕管道剩余強度指標離散化標準

2.4 參數尋優

由于各指標之間的單位和數量級都不盡相同，因此需要將屬性約簡后的指標進行歸一化處理。將處理后的69組訓練樣本代入RS-PSO-SVM模型中，利用改進后的PSO對參數C和g進行尋優，其中設粒子數n=100，初始迭代次數N=0，最大迭代次數N=200，ωmax=0.8，ωmin=0.2，粒子維度D=1。分別對標準PSO和改進后的PSO進行對比，發現隨著迭代次數的增加，兩種模型的平均絕對百分誤差都趨于最小值，其中標準PSO在175次迭代后達到收斂狀態，平均絕對百分誤差為2.101 2%，改進后的PSO在141次迭代后達到收斂狀態，平均絕對百分誤差為0.865 8%，可見改進后的PSO尋優和收斂速度更快，精度更高，具體見圖3所示。此時的懲罰因子C和核系數g分別取85.914和0.765。

圖3 標準PSO和改進PSO的平均絕對百分誤差

2.5 預測結果及分析

隨后再將剩余10組測試樣本代入訓練好的RS-PSO-SVM模型中進行預測，并利用mapminmax函數進行反歸一化數據處理，為了更好對比和評價模型的準確性，與BP神經網絡、PSO-WNN和ASME B31G的計算結果進行了對比，四種模型的預測結果如圖4所示。

由圖4可知，ASME B31G評價方法結果最為保守，與實際值擬合度最差，如采用該方法會造成管道過早地進行維修和更換，其余3種模型中RS-PSO-SVM的相關系數最大（R=0.999 93），證明可以預測99.993%的樣本模型，只有總變異0.007%的數據樣本不能被解釋，與實際值的擬合度最高。除ASME B31G之外，其余3種模型的預測絕對誤差對比見圖5，平均絕對百分誤差和均方根誤差對比見圖6。

圖5 預測絕對誤差對比

圖6 平均絕對百分誤差和均方根誤差對比

由圖5和圖6可知：從準確性分析——BP神經網絡和PSO-WNN模型的預測絕對誤差波動較大，RS-PSO-SVM的平均絕對百分誤差為1.23%，均方根誤差為0.17 MPa，均小于另外兩種模型；與BP神經網絡相比，RS可以很好去除高維數據的冗余信息；與PSO-WNN相比，SVM在精度上比WNN更適合管道剩余強度的預測。從保守性分析，RS-PSO-SVM、BP神經網絡和PSO-WNN的預測結果中大于實際值的數據樣本數量分別為0、5、2，由此可見，RS-PSO-SVM模型還具有較好的保守性。綜上所述，幾種模型相比，RS-PSO-SVM在維持保守性的同時，還能保持最大的準確性，因此該模型的泛化能力更強，預測準確度更高，可為腐蝕管道剩余強度預測提供安全、準確的預測數據。

3 結束語

（1）針對單一腐蝕缺陷管道的剩余強度樣本數據少、公式計算保守性強、有限元分析過于復雜等特點，將RS、PSO和SVM算法模型有機結合，構建了腐蝕管道剩余強度預測模型。通過RS屬性約簡，有效提取了影響管道剩余強度的關鍵性指標因素，隨后應用改進的PSO算法對SVM的參數進行了尋優，避免了人工試算法造成的誤差和訓練時間過長；與其余幾種算法模型相比，保守性和準確性都較為優越，模型的魯棒性和預測性更好。

（2）PSO算法同樣存在容易陷入局部最優的缺點，今后可加強改進相關算法，提高算法尋優的準確性，減少訓練時間。