人工神经网络和元胞自动机数值仿真在金属防腐蚀中的运用

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人工神经网络和元胞自动机数值仿真在金属防

腐蚀中的运用

摘要：简要叙述了人工神经网络在大气、海水、土壤腐蚀方面的应用，系统分析了二维、三维

元胞自动机的发展现状和发展趋势，及其在金属腐蚀与防护领域的应用研究进展。最后提出作

为一种新兴的腐蚀与防护研究技术方法，腐蚀数值仿真技术展示出了强大的发展动力，未来的

腐蚀数值仿真技术应朝着建模网络化、功能智能化、系统集成化方向发展。

　关键词：数值仿真技术; 腐蚀; 防护; 人工神经网络; 元胞自动机;

Application Progress of Numerical Simulation Technology in the Field of Corrosion and Protection

LIU Yan LIU Bin SHI Ze-yao CAO Qing-min

Beijing Key Laboratory of Materials Electrochemical Process and Technology,Beijing University of

Chemical Technology School of Materials Science and Engineering,Beijing University of Chemical

Technology

Abstract：The application of artificial neural network in the corrosion of atmosphere, sea water and

soil was briefly described. The development status and development trend of two-dimensional and

three-dimensional cellular automata as well as the application research progress in the field of metal

corrosion and protection were systematically analyzed. Finally, it was proposed that as a new research

method of corrosion and protection, corrosion numerical simulation technology showed a strong

development momentum. The future corrosion numerical simulation technology needs to develop in

the direction of network modeling, intelligent function and system integration.

材料腐蚀是我国生产生活中常见的现象，给国民经济造成巨大的损失。据数据统计，在 2014

年，我国腐蚀成本达 21 278.2 亿元人民币，约占当年国内生产总值的 3.34%。由此可见，材料

腐蚀对资源是一种极大的浪费。因此，应采取必要的腐蚀控制措施和预防对策，如通过实施防

腐蚀顶层设计、加强腐蚀与防护研究、开发新型防腐蚀技术、推行防腐蚀经验标准等方式，使

我国腐蚀防护水平得以全面提升[1]。随着计算机科学技术水平的不断提高，数值仿真技术也得

到了飞速发展。通过计算机模拟，可以准确预测出材料在特定腐蚀环境下的长期腐蚀行为，有

助于及时、准确地提出有效的防腐蚀对策和技术方案。目前，腐蚀数值仿真技术已经越来越广

泛地应用于腐蚀防护研究和实际工程中，为解决腐蚀领域的技术难题提供了一种有效的技术手

段和技术途径。

数值仿真技术也称为数值模拟技术，其研究领域将多种学科融于一体，包含计算机科学、数

学、材料学、力学、工程技术等学科。在解决工程科学问题方面，数值仿真技术与理论分析和

实验技术共同被称为三大支柱。数值仿真的基本流程包括：首先基于已有的实验环境数据来设

定初始条件，并建立仿真模型，然后在仿真程序中进行模拟实验，并计算出模拟结果，最终通

过计算结果探寻规律。相较于传统的试验操作和理论分析方法，数值仿真技术具有实验周期

短、可多因素耦合、输出结果直观等优势。尤其是在材料腐蚀与防护领域，采用数值仿真技术

与实验研究和理论分析相结合，可以得到更为丰富的信息，在腐蚀防护设计方面上有着非常好

的应用前景。文中以应用最为典型的人工神经网络（Artificial Neural Network,ANN）、元胞自

动机（Cellular Automata,CA）两种数值模拟技术为核心，综述了其在腐蚀与防护领域中的应用

研究进展。

　　 1　人工神经网络

人工神经网络是一种抽象出人脑结构和功能的数学模型，其内部由大量人工神经元节点互相连

接构成的复杂网络[2]。如图1所示，其包括输入层、隐含层以及输出层，神经网络能建立从网

络输入到网络输出的非线性映射关系。人工神经网络可短时间内完成数据聚类、函数逼近、模

式分类、优化计算等功能。针对腐蚀实验数据具有数据采集量大、数据来源广泛、存在大量随

机数据等特点，可将人工神经网络应用于不同实际应用中的复杂工程问题，显着降低了成本和

时间。人工神经网络将腐蚀影响因素和腐蚀结果的非线性关系蕴含在神经网络拓扑结构之中，

成为处理腐蚀实验数据的一个有力工具[3]。近年来，人工神经网络技术在腐蚀预测研究领域得

到飞速的发展，其基本思想是：基于材料腐蚀数据并建立数据库，为腐蚀数据的开发利用奠定

技术基础。与此同时，选择人工神经网络模型工具，开发材料腐蚀速率计算、防腐性能评估等

功能，最终实现对材料腐蚀数据的综合利用。

图1 神经网络结构

1.1 在大气腐蚀方面的应用

影响金属材料在大气环境中腐蚀的因素较多，如气候条件、气体杂质、尘粒含量等，且各个环

境因素之间的作用规律极为复杂。暴露腐蚀试验是大气腐蚀分析中经常使用的方法，但其受实

验区域、实验周期及大气环境变化等因素影响，应用往往不具备普适性[4]。因此，在大气环境

下选择人工神经网络技术构建腐蚀模型，建立起各个环境因素之间作用的内在联系，可对接下

来的研究工作发挥关键作用。

萧星等�� [5]针对不同种钢材在我国典型大气环境下腐蚀数据，并基于贝叶斯正则化算法，建

立了四层人工神经网络模型对所选钢材进行腐蚀预测，将所得到的结果运用MATLAB 进行验

证。马小彦等[6]基于收集的碳钢和低合金钢材料腐蚀及环境数据，选择三层 BP 人工神经网

络，建立了不同大气环境中金属腐蚀速率随暴露时间的对应关系模型，结果表明，要根据具体

情况合理地选择 BP 人工神经网络算法。李荻等[7]借助于 RBF 人工神经网络建立起铝合金在大

气环境下的腐蚀预测模型，选择时间、材料、环境等作为输入参数，输出结果为腐蚀质量增

量。与常规的腐蚀预测模型相比，RBF 腐蚀预测模型具有更简捷、更直观的特点，且满足预测

精度，实际应用前景很好。王海涛等[8]选取铝合金的合金元素和环境因素作为大气腐蚀预测的

主要选择参数和考察因素，利用BP 神经网络搭建7-5-1 模型，最终得出合金元素铜和镁会推进

腐蚀的发生，相对湿度也是不可忽略的因素。

Pintos 等[9]提出一种基于人工神经网络的大气腐蚀建模方法。该方法包括实验数据集的预处理

和划分、神经网络模型体系结构设置、神经网络模型构筑和测试以及运用，有望用于预测在伊

比利亚美洲气候和污染条件下碳钢的腐蚀速率。Díaz 等[10]提出一种碳钢损伤函数模型，设定

腐蚀穿透量（μm）为环境变量累积值的函数，设计人工神经网络代替传统线性模型来拟合数

据，提出在不同的气候和污染条件下，适当调整神经网络模型能较好地预测腐蚀损伤。调整具

有不同输入参数集的人工神经网络，并分析其拟合优度的差异，得出湿润时间、降水、硫酸

盐、氯化物等气象污染变量对腐蚀值的相关性。Kenny 等[11]建立具有线性和S形函数的人工

神经网络模型，利用从输电线沿线站点收集的低碳钢、铜和铝的腐蚀数据进行训练，定义和分

析不同时期三种类型金属中的几组环境和污染物参数与相应的腐蚀值之间的关系，旨在根据环

境参数预测巴西圣路易斯·马拉南地区的金属腐蚀速率。

1.2 在海水腐蚀方面的应用

海水中存在着大量的盐类、泥沙、有机化合物等成分，在其环境中，金属会发生腐蚀。一方面

受材料成分、表面状态、加工过程等因素影响；另一方面与海水盐度、温度、氧气含量、p H

值等海洋环境因素有关。而且各个因素彼此之间密切相关，共同影响金属在海水中的腐蚀行

为。因此，将人工神经网络应用于海水环境腐蚀的模型中，可以归纳出金属材料的腐蚀行为及

影响因素，为海水环境中金属材料腐蚀的现场勘验提供参考[12]。

李晓峰等[13]构建了 11-9-1 人工神经网络模型，对钢材在海水不同区域的腐蚀行为进行了研

究，选取具有一定经验的神经网络拓扑结构对其开展腐蚀速率预测，预测结果与实验数据紧密

相符。兰志刚等[14]构建了三层 BP 神经网络模型，建立了海水中的盐浓度、氧含量、p H 值、

温度等影响因素与腐蚀速率之间的关系网络，精准地计算出了 A3 钢在海水中的腐蚀速率。经

建芳等[15]基于灰色系统理论，采取不等时距GM(1,1)模型对其进行建模，为降低随机性，采

用BP 神经网络模型对钢材腐蚀速率预测结果开展残差修正，进而使海水环境下金属腐蚀模型

的预测精度达到预期要求。陈艳等[16]基于神经网络建立了环境、材料、流速与腐蚀量之间的

关系预测模型，并基于 FLUENT 平台，对管道海水流速进行了分析,预测复杂形态管道的易破

坏敏感部位及冲刷腐蚀速率。Hu 等[17]针对Ni-Cr-Mo-V “钢在深海环境下的腐蚀建模，利用反

”向传播方法构建了人工神经网络映射，使神经网络模型无需实验就可以预测不同复杂海洋环

境下的极化曲线。该模型的极化曲线可用于预测腐蚀电流、腐蚀电位、点蚀电位等关键电化学

参数，并可作为约束条件应用于多金属复杂电蚀模拟。Shi 等[18]建立了合金600 裂纹扩展率

（CGR）数据库，同时开发一个ANN 模型，并对该数据进行了训练，以便对合金一次水应力

腐蚀开裂（PWSCC）进行建模。预测出 PWSCC CGR 对系统每个主要自变量的依赖性，并对

合金600 裂纹扩展速率进行预测。

1.3 在土壤腐蚀方面的应用

土壤是一个由气体、水分、细小微生物以及多种颗粒状的矿物质等构成的多相环境。金属在土

壤中的腐蚀主要受两方面的因素影响：一方面是金属本身的成分、组织、应力及表面状态的不

均匀性造成的；另一方面受土壤的物理化学不均匀性所影响。土壤的盐浓度、O2 含量、温

度、p H 值、电阻率、水含量、微生物等都对金属的腐蚀有着一定的影响，且各因素之间存在

相互作用。因为土壤腐蚀的影响因素较繁琐，若采用埋片实验来获取土壤腐蚀数据会有较长的

周期，所以选择人工神经网络搭建腐蚀预测模型，将会在土壤腐蚀方面有着很好的应用前景。

李丽等[19]运用BP 神经网络建立了碳钢土壤腐蚀预测模型，选取土壤的 p H 值、电导率、含水

量、盐含量、氯离子、硫酸根离子等6项环境参数作为土壤腐蚀预测的主要选择参数和考察因

素，对钢材的腐蚀速率进行了精准的预测。王婉等[20]运用BP 人工神经网络建立了在役埋地

燃气管线的腐蚀剩余寿命预测模型，并将数据中存在的规律完整地塑造出来，得出的结果与实

测数据很接近。伍欣等[21]构建了三层 BP 神经网络模型，建立了土壤含水率、电导率、酸碱

度、盐浓度、硫酸根离子含量、碳酸氢根离子含量、Cl-含量等环境因子与X70 钢材腐蚀速率

之间的映射关系，精准地计算出了 X70 的腐蚀速率。王齐等[22]运用BP 人工神经网络，以土

壤的含水量、氧化还原电位、电阻率、p H 值、硫酸根离子含量、Cl-含量为腐蚀影响因素，进

而来搭建油气管道的腐蚀预测模型。向乃瑞等[23]基于灰色关联度算法分析得出，金属腐蚀速

率主要受土壤的电阻率、氧化还原电位以及含水量三个因素影响。同时，应用遗传算法对常用

的BP 神经网络模型进行优化，并对金属腐蚀速率进行预测。结果显示，与传统的 BP 网络相

比，GA-BP 神经网络的误差和精度均有所改善。

在大气、海水、土壤环境中，金属的腐蚀受着多种复杂因素的影响。利用人工神经网络可以建

立多种参数与金属腐蚀行为的关系，实现材料腐蚀速率计算、防护性能评估等功能，为金属腐

蚀与防护研究提供一种实用的仿真工具。另外，为了提高人工神经网络模型的精确度，关键在

于腐蚀数据的准确性和广泛性以及选择合理的模型参数，同时也可将神经网络与其他技术相交

融来提高计算精度，如数据库技术、专家系统技术等。同时，也应将神经网络的应用范围进行

拓展，例如应用于腐蚀失效分析、腐蚀图像识别等领域[24]。

　　 2　元胞自动机

元胞自动机（CA）是由 John von Neumann 建立的一种离散动力系统，具备着许多连续动力系

统的性质。如图2所示，元胞自动机由元胞、邻居、元胞空间和演变规则四个基本元素所构成

[25]。元胞自动机数值仿真技术是在规则的网格中散布的每一个元胞在时间和空间上都呈有限

离散状态的动力学系统，且每个元胞都遵循着规则进行更新。元胞之间通过相互作用完成动态

系统的一步步演化，由一系列模型通过局部规则构成，区别于其他的动力学模型。在腐蚀与防

护研究领域，科研人员运用元胞自动机构建微观模型，定义元胞状态，且确立元胞之间作用规

则，最终将元胞自动机方法成功地应用于金属腐蚀模拟过程。目前，在腐蚀领域的仿真应用，

主要有二维元胞自动机和三维元胞自动机。

图2 元胞自动机的构成

2.1 二维元胞自动机

近年来，科学问题的深入研究使科研人员所掌握的计算机能力越来越成熟。元胞自动机方法已

经在物理、生物以及材料科学众多领域飞速发展，也包括在腐蚀科学领域的应用。很多复杂的

问题都可以通过二维元胞进行模拟，使得该仿真技术得到日益广泛的应用。

王宇君等[26]利用2D 元胞自动机模拟了飞机蒙皮发生点蚀的过程，将运用元胞自动机模拟结

果与实验测得点蚀质量损失结果相比较，模拟结果与点蚀深度变化情况相吻合。陈梦成等[27]

采用概率型二维元胞自动机模拟了钢材在酸雨环境下的腐蚀过程，呈现出钢材表面的坑蚀和深

度腐蚀形貌的产生过程，通过 CA 模拟得到的结果与 Komp 计算结果相比较，拟合程度非常

高。芦星等[28]基于二维元胞自动机模拟了在含硫的高温腐蚀气氛中铜镍合金的氧化性腐蚀，

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人工神经网络和元胞自动机数值仿真在金属防腐蚀中的运用摘要：简要叙述了人工神经网络在大气、海水、土壤腐蚀方面的应用，系统分析了二维、三维元胞自动机的发展现状和发展趋势，及其在金属腐蚀与防护领域的应用研究进展。最后提出作为一种新兴的腐蚀与防护研究技术方法，腐蚀数值仿真技术展示出了强大的发展动力，未来的腐蚀数值仿真技术应朝着建模网络化、功能智能化、系统集成化方发展。　关键词：数值仿真技术;腐蚀;防护;人工神经网络;元胞自动机;ApplicationProgressofNumericalSimulationTechnologyintheFieldofCorrosionandProtectionLIUY...

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