大氣腐蝕作為最為常見的一種腐蝕形式，廣泛影響著軌道交通、建筑結(jié)構(gòu)、石油石化及能源等行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的服役安全。研究表明，鋼鐵材料的大氣腐蝕行為受到各種環(huán)境因素的影響，如溫度、濕度、氯離子及各種污染物的含量等。這些環(huán)境因素具有明顯的地域特征，因此鋼鐵的大氣腐蝕行為也具有鮮明的地域特征。收集環(huán)境信息、獲取材料的實(shí)時(shí)腐蝕數(shù)據(jù)，對(duì)快速、低成本篩選與設(shè)計(jì)新材料，實(shí)現(xiàn)其耐蝕性快速驗(yàn)證及材料腐蝕數(shù)據(jù)的快速積累有著重要意義，這也是腐蝕大數(shù)據(jù)的理論基礎(chǔ)。

為了獲取更多、更準(zhǔn)確的腐蝕數(shù)據(jù)，研究人員開發(fā)了多種在線監(jiān)測(cè)傳感器技術(shù)，如電阻探針、石英電子微天平、電偶探針技術(shù)等。其中，電偶型腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器被廣泛應(yīng)用于大氣環(huán)境中金屬的腐蝕檢測(cè)與評(píng)價(jià)工作。其基本原理是利用電位不同的兩種金屬配對(duì)組成電偶腐蝕傳感器，通過(guò)高靈敏度電流計(jì)檢測(cè)的腐蝕電流反映陽(yáng)極金屬在指定環(huán)境中的腐蝕速率。有研究人員采用大氣腐蝕監(jiān)測(cè)（ACM）傳感器在中國(guó)6個(gè)室外動(dòng)態(tài)大氣環(huán)境中對(duì)碳鋼的初始大氣腐蝕進(jìn)行了為期1月的研究，發(fā)現(xiàn)環(huán)境因素的影響大小排序是降雨?duì)顟B(tài)、相對(duì)濕度、溫度。

腐蝕大數(shù)據(jù)研究嚴(yán)重依賴于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的處理。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)是一種利用數(shù)學(xué)方法挖掘復(fù)雜數(shù)據(jù)因果關(guān)聯(lián)性的方法。通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)如機(jī)器學(xué)習(xí)，可以探索材料的腐蝕數(shù)據(jù)與其環(huán)境因素之間的關(guān)系，因此其在材料腐蝕中的應(yīng)用逐漸引起關(guān)注。機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的主要方式是通過(guò)算法對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行不間斷訓(xùn)練，從而得到預(yù)測(cè)模型，以此指導(dǎo)新材料的發(fā)展。作為一種介于計(jì)算機(jī)和統(tǒng)計(jì)學(xué)之間的交叉學(xué)科，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)能夠?yàn)楦g試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)建立起拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其具有非線性分析的優(yōu)勢(shì)，能對(duì)金屬材料腐蝕行為進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測(cè)。但是，金屬材料的腐蝕過(guò)程復(fù)雜，受到多種腐蝕因素的影響，而且環(huán)境數(shù)據(jù)不斷變化，因此準(zhǔn)確預(yù)測(cè)金屬材料的腐蝕行為仍是研究的難點(diǎn)。任何預(yù)測(cè)方法都存在一定的偏差，但預(yù)測(cè)結(jié)果仍然具有很好的參考價(jià)值，能夠?yàn)榻饘俨牧系氖褂镁S護(hù)提供可靠依據(jù)。

Q345碳鋼被廣泛應(yīng)用于橋梁、車輛、船舶等領(lǐng)域，是大氣腐蝕研究中一種常用的材料。因此，南昌航空大學(xué)和北京科技大學(xué)的研究人員采用ACM傳感器在我國(guó)4種典型大氣環(huán)境中對(duì)Q345碳鋼的腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)，同時(shí)記錄了氣溫、相對(duì)濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)。利用機(jī)器學(xué)習(xí)如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，研究了碳鋼腐蝕行為與室外動(dòng)態(tài)大氣環(huán)境中各種環(huán)境因素之間的關(guān)系，尋找碳鋼大氣腐蝕行為最主要的影響因素。

試驗(yàn)方法

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)使用ACM傳感器對(duì)Q345碳鋼在我國(guó)4種典型大氣環(huán)境中的腐蝕行為進(jìn)行了長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)。傳感器陽(yáng)極材料（工作電極WE）為Q345碳鋼，陰極材料（參比電極RE和輔助電極CE）均為純銅（純度大于99.5%），其示意圖如圖1所示。

圖1 ACM腐蝕傳感器的示意圖

分別從同一塊Q345碳鋼板和純銅板上切割傳感器的陽(yáng)極材料和陰極材料，且加工方向一致，加工尺寸為21 mm×12 mm×1 mm。采用雕刻機(jī)加工絕緣墊片，尺寸為21 mm×10 mm×0.1 mm，材料為玻璃纖維環(huán)氧復(fù)合板（FR4）。將陽(yáng)極材料和陰極材料與絕緣墊片一對(duì)一緊密結(jié)合，用兩芯鍍銀屏蔽線分別連接陰陽(yáng)極的金屬材料，并用環(huán)氧樹脂進(jìn)行封裝。在試樣組裝過(guò)程中，導(dǎo)線連接接觸點(diǎn)的接觸電阻均小于0.1 mΩ。然后，用環(huán)氧樹脂灌封膠將傳感器密封，室溫下固化48小時(shí)以上。

2 腐蝕大數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)選取國(guó)家材料環(huán)境腐蝕平臺(tái)4個(gè)腐蝕試驗(yàn)站安裝ACM傳感器及數(shù)據(jù)采集設(shè)備，試驗(yàn)地經(jīng)緯度信息及環(huán)境類型如下：

天津  位于環(huán)渤海地區(qū)，東經(jīng)117°24′，北緯39°33′，屬于溫帶沿海城市環(huán)境，具有典型的城市海洋大氣環(huán)境特征。

南京  位于長(zhǎng)江下游，東經(jīng)118°45′，北緯32°12′，屬于潮濕的亞熱帶環(huán)境，具有典型的城市大氣環(huán)境特征。

青島  位于黃海沿岸，東經(jīng)120°25′，北緯36°05′，氣候濕潤(rùn)溫和，具有典型的工業(yè)海洋大氣環(huán)境特征。

三亞  位于南海之濱，東經(jīng)109°21′，北緯18°18′，屬于沿海潮濕熱帶環(huán)境，具有典型的熱帶海洋大氣環(huán)境特征。

將封裝好的銅/鋼ACM傳感器用SiC砂紙逐級(jí)（至2000號(hào)）打磨，并用去離子水和無(wú)水乙醇清洗吹干，然后放置在上述4個(gè)腐蝕試驗(yàn)站進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間曝曬試驗(yàn)。傳感器在線監(jiān)測(cè)并實(shí)時(shí)反饋記錄工作電極（WE）和參比/輔助電極（RE/CE）之間的相對(duì)電流密度，采樣頻率為1次/min。

在曝曬試驗(yàn)過(guò)程中，除了采集Q345碳鋼腐蝕電流密度外，還需要采集曝曬試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的空氣污染指數(shù)（CO、O3、NO、SO2、PM10和PM2.5等污染物含量）、溫度、濕度、降雨?duì)顟B(tài)等環(huán)境參數(shù)。

3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN/DNN）的結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)由輸入層，隱藏層（多層）和輸出層等多層網(wǎng)絡(luò)組成。

圖2 ANN/DNN模型的結(jié)構(gòu)

ANN和DNN之間的拓?fù)洳町愂请[藏層數(shù)。通常，當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)隱藏層時(shí)，稱為ANN。當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)或多個(gè)隱藏層時(shí)，稱為DNN。這兩個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)相同之處，即只有相鄰層的節(jié)點(diǎn)被連接，而同一層和跨層節(jié)點(diǎn)之間不相互連接。這些層是完全連接的，也就是說(shuō)，i層中的任何神經(jīng)元都必須連接到(i+1)層中的任何神經(jīng)元，每層都可以視為邏輯回歸模型。

在這項(xiàng)研究中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)規(guī)則是Sigmoidal函數(shù)，每個(gè)相鄰層之間的關(guān)系是線性關(guān)系。

ANN和DNN之間的學(xué)習(xí)規(guī)則完全不同。在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，學(xué)習(xí)規(guī)則采用了反向傳播的方法。反向傳播是使用迭代算法訓(xùn)練整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，隨機(jī)設(shè)置初始值，計(jì)算當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的輸出，然后根據(jù)當(dāng)前輸出和標(biāo)簽之間的差異更改前幾層的參數(shù)，直到收斂（整體是梯度下降法）。

深度學(xué)習(xí)是一種分層訓(xùn)練機(jī)制，采用DNN正向傳播算法計(jì)算。DNN正向傳播算法將使用多個(gè)權(quán)重系數(shù)矩陣W和偏差向量b對(duì)輸入值向量x進(jìn)行一系列線性運(yùn)算和激活運(yùn)算。計(jì)算從輸入層開始，逐層執(zhí)行，直到計(jì)算到達(dá)輸出層。

各站點(diǎn)腐蝕數(shù)據(jù)及環(huán)境數(shù)據(jù)分析

在天津、南京、青島和三亞4種典型大氣環(huán)境中通過(guò)ACM傳感器對(duì)Q345碳鋼的腐蝕行為進(jìn)行了1年左右連續(xù)大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，采集了包括空氣污染指數(shù)、溫度、相對(duì)濕度、降雨?duì)顟B(tài)以及Q345碳鋼腐蝕電流密度等10維數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示，所有隨時(shí)間變化的參數(shù)都表現(xiàn)出規(guī)則的鋸齒形模式，即呈周期性（24小時(shí)）重復(fù)。

根據(jù)ACM傳感器工作原理，ACM輸出的電流密度與陽(yáng)極材料在該環(huán)境中的腐蝕速率存在一定關(guān)系，因此可以通過(guò)數(shù)學(xué)方法將ACM傳感器的測(cè)試結(jié)果轉(zhuǎn)換成材料的腐蝕數(shù)據(jù)，ACM傳感器輸出電流密度越大，陽(yáng)極材料在該環(huán)境中的腐蝕速率越大。為了方便試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，作者直接使用ACM傳感器輸出電流密度表征Q345碳鋼的大氣腐蝕速率，并未對(duì)二者進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

在4個(gè)典型站點(diǎn)中，Q345碳鋼的腐蝕速率與溫度呈現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)，即溫度升高腐蝕速率降低，而與相對(duì)濕度呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，即相對(duì)濕度升高腐蝕速率增大。溫度和相對(duì)濕度對(duì)Q345碳鋼的腐蝕速率具有很大的影響。

根據(jù)數(shù)據(jù)曲線很難判斷空氣污染物含量與Q345碳鋼腐蝕速率的關(guān)系。盡管如此，仍不可否認(rèn)空氣污染物對(duì)大氣腐蝕性有重要影響。由于污染物對(duì)碳鋼腐蝕的影響非常復(fù)雜，無(wú)法直接通過(guò)線性或指數(shù)關(guān)系將其可視化。因此，必須使用輔助方法來(lái)探索大氣腐蝕與污染物含量之間的關(guān)系。作者將使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）模型對(duì)收集到的4種典型環(huán)境中的環(huán)境數(shù)據(jù)和Q345碳鋼的腐蝕速率進(jìn)行分析處理。

基于ANN模型的Q345碳鋼腐蝕速率預(yù)測(cè)

ANN和DNN模型模仿人類大腦的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)預(yù)先設(shè)定的數(shù)學(xué)函數(shù)，自動(dòng)調(diào)整神經(jīng)單元間的連接強(qiáng)度，不斷更新自變量在擬合過(guò)程中的權(quán)重，從而使模型計(jì)算結(jié)果更加接近真實(shí)值。

作者使用只有一個(gè)隱藏層的ANN模型進(jìn)行訓(xùn)練，討論各種環(huán)境因素與Q345碳鋼大氣腐蝕速率的關(guān)系。輸入層為各種環(huán)境因素每小時(shí)的平均值。輸出層以傳感器輸出電流作為預(yù)測(cè)對(duì)象。

訓(xùn)練結(jié)果如圖3所示，橫坐標(biāo)為ACM傳感器輸出的Q345碳鋼腐蝕電流密度（真實(shí)值），縱坐標(biāo)為ANN模型計(jì)算結(jié)果（擬合值）。總體而言，真實(shí)值與擬合值之間存在一定的線性關(guān)系，但是在4種典型大氣環(huán)境中均存在一定的誤差，表現(xiàn)出散點(diǎn)的分布離散性較大。

圖3 基于ANN模型的Q345碳鋼腐蝕速率訓(xùn)練結(jié)果

使用圖3得到的ANN訓(xùn)練結(jié)果對(duì)某一時(shí)期Q345碳鋼的腐蝕速率進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)時(shí)輸入的環(huán)境數(shù)據(jù)為隨機(jī)選取的一段時(shí)間內(nèi)4個(gè)站點(diǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)，將預(yù)測(cè)結(jié)果與ACM傳感器監(jiān)測(cè)得到的同時(shí)期Q345碳鋼的腐蝕電流密度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 基于ANN模型的Q345碳鋼腐蝕速率預(yù)測(cè)結(jié)果

結(jié)果表明，ANN模型得到的預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的變化趨勢(shì)整體一致，只有部分階段存在誤差，這表明ANN模型可以預(yù)測(cè)碳鋼的腐蝕趨勢(shì)。但是，某一時(shí)期具體的預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之間仍有較大誤差，還需要對(duì)模型進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練并不斷修正。

大氣環(huán)境因素權(quán)重分析

建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法的目的除了用于預(yù)測(cè)材料大氣腐蝕趨勢(shì)外，還希望確定各種環(huán)境因素對(duì)材料大氣腐蝕影響的權(quán)重。

想要得到輸入因素（大氣環(huán)境）與輸出因素（腐蝕速率）之間的關(guān)系，需建立輸入因素對(duì)輸出結(jié)果之間的決策權(quán)重，因此有必要對(duì)各神經(jīng)元之間的權(quán)重加以分析處理。

一般來(lái)說(shuō)，輸入?yún)⒘颗c輸出參量之間的關(guān)系可利用以下計(jì)算方法來(lái)描述：

相關(guān)顯著性系數(shù)

相關(guān)指數(shù)

絕對(duì)影響系數(shù)

式中：i為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入單元，i=1,…,m；j為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出單元，j=1,…,n；k為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含單元，k=1,…,P；ωjk為輸出層神經(jīng)元j和隱含層神經(jīng)元k之間的權(quán)重系數(shù)。

由以上公式計(jì)算的絕對(duì)影響系數(shù)Sij就是所求的各個(gè)輸入因素的權(quán)重系數(shù)，結(jié)果如下：

可見無(wú)論哪種大氣環(huán)境，相對(duì)濕度、降雨?duì)顟B(tài)和溫度都是影響碳鋼大氣腐蝕最重要的因素。4個(gè)站點(diǎn)的環(huán)境因素影響由大到小的順序分別為：

天津  降雨?duì)顟B(tài)>溫度>相對(duì)濕度

南京  相對(duì)濕度>溫度>降雨?duì)顟B(tài)

青島  降雨?duì)顟B(tài)>溫度>相對(duì)濕度

三亞  降雨?duì)顟B(tài)>溫度>相對(duì)濕度

根據(jù)一般的腐蝕理論，溫度越高，腐蝕速率越快。而本次試驗(yàn)中ACM傳感器監(jiān)測(cè)得到的Q345碳鋼腐蝕速率與溫度的關(guān)系是負(fù)相關(guān)的。這可能與相對(duì)濕度影響有關(guān)。當(dāng)相對(duì)濕度較低時(shí)，試樣表面無(wú)法形成薄液膜，因此腐蝕速率較慢；當(dāng)相對(duì)濕度超過(guò)臨界值時(shí)，試樣表面形成了肉眼不可見的薄液膜，發(fā)生電化學(xué)腐蝕，因此腐蝕速率較快；當(dāng)相對(duì)濕度較大時(shí)，如下雨時(shí)，薄液膜較厚，反而阻礙了陰極溶解過(guò)程中氧的傳輸，故腐蝕速率降低。

降雨?duì)顟B(tài)和溫度都會(huì)影響相對(duì)濕度，降雨或溫度越低，空氣中的相對(duì)濕度就越大，因此有理由認(rèn)為相對(duì)濕度是影響Q345碳鋼大氣腐蝕速率的最重要因素，其次是溫度。這也可以解釋Q345碳鋼腐蝕電流密度隨溫度呈負(fù)相關(guān)變化。

在4種大氣腐蝕環(huán)境中，空氣污染指數(shù)對(duì)Q345碳鋼大氣腐蝕的影響權(quán)重不同。4個(gè)站點(diǎn)的空氣污染指數(shù)影響權(quán)重由大到小的順序分別為：

天津  PM2.5含量>PM10含量>O3含量>NO2含量>CO含量>SO2含量

南京  PM10含量>PM2.5含量>O3含量>NO2含量>CO含量>SO2含量

青島  PM2.5含量>PM10含量>SO2含量>O3含量>CO含量>NO2含量

三亞  PM10含量>PM2.5含量>O3含量>NO2含量>SO2含量>CO含量

在所有大氣污染物中，對(duì)Q345碳鋼大氣腐蝕影響最大的污染物為懸浮顆粒物，在天津和青島大氣環(huán)境中影響最大的污染物是PM2.5，而在南京和三亞大氣環(huán)境中影響最大的污染物為PM10。

除了顆粒狀污染物，O3、NO2和SO2也是對(duì)Q345碳鋼腐蝕影響較大的污染物。不過(guò)，在天津、南京、三亞3種大氣環(huán)境中O3的影響大于NO2和SO2，而在青島大氣環(huán)境中SO2的影響大于O3和NO2。

結(jié) 論

(1) 使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)ACM傳感器輸出的腐蝕電流密度進(jìn)行訓(xùn)練，其訓(xùn)練結(jié)果可以預(yù)測(cè)Q345碳鋼的腐蝕趨勢(shì)，但具體的腐蝕電流密度預(yù)測(cè)值誤差較大，還需要對(duì)模型進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練并不斷修正。

(2) 通過(guò)天津、南京、青島和三亞4個(gè)站點(diǎn)大氣環(huán)境因素的權(quán)重分析發(fā)現(xiàn)，在4種典型大氣環(huán)境中相對(duì)濕度和溫度是影響Q345碳鋼大氣腐蝕最重要的因素，其中相對(duì)濕度對(duì)Q345碳鋼的影響最大。大氣污染物中對(duì)Q345碳鋼腐蝕影響最大的是大氣中的懸浮顆粒。