《基於神經網路技術的綜合強度測試法》是東南大學於2008年6月13日申請的專利，該專利的申請號為2008101241264，公布號為CN101303329，授權公布日為2008年11月12日，發明人是王浩、張競男、李愛群、王晨。
《基於神經網路技術的綜合強度測試法》結合了超聲、回彈、鑽芯三種測強方法的優點，解決了2008年6月前已有單一測強技術的各種不足之處，它的基本原理是先採用超聲－回彈綜合法對結構混凝土強度進行全方位測試，再採用鑽芯法對R－N－C基準曲線作適當修正，其中利用神經網路技術來解決最優鑽芯數量的確定問題。
2013年，《基於神經網路技術的綜合強度測試法》獲得第八屆江蘇省專利項目獎優秀獎。
（概述圖為《基於神經網路技術的綜合強度測試法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：基於神經網路技術的綜合強度測試法
- 公布號：CN101303329
- 公布日：2008年11月12日
- 申請號：2008101241264
- 申請日：2008年6月13日
- 申請人：東南大學
- 地址：江蘇省南京市四牌樓2號
- 發明人：王浩、張競男、李愛群、王晨
- Int.Cl.：G01N29/04（2006.01）、G01N3/52（2006.01）
- 代理機構：南京經緯專利商標代理有限公司
- 代理人：葉連生
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
對工程結構進行混凝土強度檢測的方法2008年6月前已有很多，如鑽芯取樣法、回彈法、超聲法、超聲-回彈綜合法、射釘法、針貫入法、後裝拔出法、壓剪法和衝擊回波法等。這些方法都具有各自的特點，可以在一定程度上解決結構混凝土的檢測問題，但由於混凝土是一種由多相複合材料組合而成的性質複雜的結構體系，且混凝土強度還受測試條件的制約，是一個多因素的綜合指標，故採用傳統的試塊抗壓強度來評定結構物的性能是不全面的，難以反映出多因素的影響。
截至2008年6月，套用較多的方法是超聲-回彈綜合法和鑽芯法，超聲-回彈法綜合了回彈法和超聲法的優點，避免了混凝土取樣對於結構的破壞，但是這種方法過分的依賴經驗公式，再加上現場混凝土的原材料、配合比以及施工條件不可能與R-N-C基準曲線的制定條件完全一致，從而導致結果誤差較大。
鑽芯法就是利用鑽機直接從結構上鑽取圓柱體混凝土芯樣，根據芯樣的抗壓強度評定結構混凝土質量的微破損現場檢測，這樣就保證了現場混凝土測試的準確性，但是過多的採取混凝土芯樣，會造成結構整體性的破壞，再加上取芯工作費用較高，所以芯樣位置、數量受到一定的限制。
在以上兩種檢測方法基礎上發展起來的超聲-回彈-鑽芯綜合測強法，先採用超聲-回彈綜合法對結構混凝土強度進行全方位測試，再採用鑽芯法對R-N-C基準曲線做適當修正，將超聲-回彈法和鑽芯法結合起來進行混凝土強度檢測。顯然，超聲-回彈-鑽芯綜合法充分發揮了兩種檢測方法的優點，既減少了超聲-回彈法中混凝土強度測試的不準確性，又避免了單一鑽芯法引起的結構損壞。
在超聲-回彈-鑽芯綜合法中，芯樣的位置及數量等的選取工作是其中的關鍵之處和難點。芯樣的位置不能取在結構的關鍵受力部位，以儘量減小對結構的損壞。就芯樣數量而言，過少不能充分反映出實測混凝土的強度，過多則又會增加結構的損傷程度。因此，稍有不慎就會造成測試結果的不準確、引起結構破壞等。雖然2008年6月前已有根據數理統計理論來確定最優鑽芯數量的方法，但該方法中的置信度、估計精度等參數的確定尚無規範可循，另外由於估計精度需要根據芯樣數量進行人工分析計算獲得，降低了基於數理統計理論的超聲-回彈-鑽芯綜合測強法的使用效率和可操作性。
發明內容
專利目的
《基於神經網路技術的綜合強度測試法》的目的是提供一種基於神經網路技術的綜合強度測試法，該方法結合2008年6月前已有超聲-回彈綜合法和鑽芯法兩種混凝土測強法的優點，對上述兩種方法的測試結果進行相互校核驗證。此超聲-回彈-鑽芯綜合測強法既可以保證測試結果準確可靠，又能最大程度地減小結構的損傷破壞。
技術方案
《基於神經網路技術的綜合強度測試法》是在超聲-回彈-鑽芯綜合測強法中利用神經網路技術來選取最優取芯數量和位置等參數。超聲-回彈-鑽芯法是將超聲-回彈綜合法與鑽芯法結合使用。首先是採用超聲-回彈綜合法對結構混凝土強度進行全方位測試，再採用鑽芯法對R-N-C基準曲線作適當修正。這種方法的關鍵就是確定合理的芯樣數量，利用神經網路技術就能很好的做到這一點。在超聲-回彈-鑽芯綜合法實施過程中的包括如下五個步驟：
該發明包括以下步驟：
第一步：利用超聲法測出結構的混凝土強度值：當超音波在混凝土中傳播遇到缺陷時，將發生反射、折射、繞射和衰減等現象，其正常傳播的某些聲學參數的聲時、波形、能量和頻譜將發生變化，當有空洞、裂縫等缺陷存在時，破壞了混凝土的整體性，由於空氣的聲阻抗率遠小於混凝土的聲阻抗率，超音波遇到蜂窩、空洞或裂縫等缺陷時，會在缺陷界面發生反射和折射，因此傳播的路程會增大，測得的聲時會延長，聲速會降低，還有在缺陷界面超音波的聲能被衰減，其中頻率較高的部分衰減更快，因此接收信號的波幅明顯降低，頻率明顯減小或頻率譜中高頻成分明顯減少，在實際測試中，利用混凝土聲學參數測量值和相對變化綜合分析，判別混凝土缺陷的位置和範圍，或者估算缺陷的尺寸，
第二步：利用回彈法進行結構的混凝土強度測試，並據此得到混凝土強度推定值R回彈；利用回彈法測出的R回彈是指相應於強度換算值總體分布中保證率不低於95％的強度值：
a.當測區少於10個時，以測區混凝土強度的最小值fmin作為該構件的混凝土強度推定值，即：R回彈＝fmin
b.當測區強度值出現小於少於10.0兆帕時：R回彈＝10.0兆帕
c.當測區不少於10個或按批量檢測時，該構件的混凝土強度推定值為：R回彈＝f平均-1.645S標準差
其中，R回彈為混凝土強度推定值；fmin為該批構件中測區混凝土強度換算值的最小者；f平均為構件混凝土強度平均值；S標準差為構件混凝土強度標準差，單位均為兆帕；
第三步：綜合利用超聲法和回彈法，測算出混凝土強度值R1；
第四步：利用鑽芯法檢測技術來檢測混凝土強度，從結構或構件上綜合法測區處非關鍵截面鑽取芯樣，運用神經網路技術來確認取芯數量是否滿足要求，若不滿足，則重新取芯，直到滿足為止，再根據滿足要求的芯樣數量進行加權平均，以得到平均強度值R2；
第五步：對所得混凝土強度值R1和平均強度值R2進行相互驗證，以平均強度值R2來校核混凝土強度值R1的系統誤差，獲得較全面準確的混凝土檢測強度值R。
第三步中混凝土強度值R1，根據公式R＝a×V×N×L，該式中，a、b、c、d為待定係數，與粗骨料種類、混凝土配合比、測試時混凝土狀態因素有關；N為回彈值；V為超聲聲速，單位為千米/秒；L為碳化深度，單位為毫米。
第四步中，運用神經網路技術來判斷取芯數量是否滿足要求的方法是：根據對芯樣樣本所進行的網路訓練結果以及測試結果的精度要求來判斷是否需要重新鑽取芯樣，若不滿足精度要求，則需要重新鑽取芯樣。
第五步中，對所得混凝土強度值R1和平均強度值R2進行相互校核的方法是：以超聲-回彈綜合測強法為主進行大面積地測試，以獲得大量的混凝土強度值R1值；以基於神經網路技術的鑽芯法為輔，以獲得滿足要求的平均強度值R2值；採用少量的平均強度值R2值來校驗大量的混凝土強度值R1值的系統誤差。
有益效果
《基於神經網路技術的綜合強度測試法》的綜合測強法結合2008年6月前已有超聲-回彈綜合法和鑽芯法兩種混凝土測強法的優點，對上述兩種方法的測試結果進行相互校核驗證。在根據結構分析結果確定了取芯部位的基礎上，利用人工神經網路技術來確定出最優鑽芯數量，以減小對結構造成的損傷。由於鑽芯法可用於檢驗超聲-回彈綜合法所產生的系統誤差，因此超聲-回彈-鑽芯綜合測強法既可以保證測試結果準確可靠，又能最大程度地減小結構的損傷破壞。
混凝土測強技術種類雖然較多，但均有著明顯的不足之處如產生系統誤差、造成結構損傷等。雖然2008年6月前已有的超聲-回彈-鑽芯綜合測強法能夠較好地解決這些問題，但在確定最優鑽芯數量方面尚無一套系統科學的方法，限制了其發展。針對上述問題，該專利發明了基於神經網路技術的超聲-回彈-鑽芯綜合測強法，該方法結合了超聲-回彈法和鑽芯法兩種混凝土測強技術的優點，並且利用神經網路技術解決了最優鑽芯數量的確定問題。2008年6月前大量工程結構因長期受到環境腐蝕及溫度變化等的影響，混凝土材料的材質、強度等會發生不同程度的退化現象，迫切需要一種準確科學的測試技術來對混凝土強度進行及時檢測，以保證結構的安全性，評估其剩餘使用壽命。該專利能夠在保證測試結果準確可靠的基礎上，降低鑽芯測強法所造成的結構損傷，提高超聲-回彈-鑽芯綜合測強法的分析效率和可操作性，因此在未來各種混凝土工程強度測試中具有廣泛的套用前景，必將產生顯著的社會和經濟效益。
附圖說明
圖1超聲-回彈-鑽芯綜合測強法流程圖；
圖2回彈法工作示意圖；
圖3超音波測試原理示意圖；
圖4鑽芯法工作示意圖；
圖5BP網路模型示意圖；
圖6基於神經網路技術的取芯數量確定法流程圖。
技術領域
《基於神經網路技術的綜合強度測試法》涉及一種基於神經網路技術的超聲-回彈-鑽芯綜合測強法，尤其適用於對工程結構中大量使用的混凝土結構進行準確強度測試。
權利要求
1、《基於神經網路技術的綜合強度測試法》特徵在於該方法包括以下步驟：
第一步：利用超聲法測出結構的混凝土強度值：當超音波在混凝土中傳播遇到缺陷時，將發生反射、折射、繞射和衰減等現象，其正常傳播的某些聲學參數的聲時、波形、能量和頻譜將發生變化，當有空洞、裂縫等缺陷存在時，破壞了混凝土的整體性，由於空氣的聲阻抗率遠小於混凝土的聲阻抗率，超音波遇到蜂窩、空洞或裂縫等缺陷時，會在缺陷界面發生反射和折射，因此傳播的路程會增大，測得的聲時會延長，聲速會降低，還有在缺陷界面超音波的聲能被衰減，其中頻率較高的部分衰減更快，因此接收信號的波幅明顯降低，頻率明顯減小或頻率譜中高頻成分明顯減少，在實際測試中，利用混凝土聲學參數測量值和相對變化綜合分析，判別混凝土缺陷的位置和範圍，或者估算缺陷的尺寸，
第二步：利用回彈法進行結構的混凝土強度測試，並據此得到混凝土強度推定值R回彈；利用回彈法測出的R回彈是指相應於強度換算值總體分布中保證率不低於95％的強度值：
a.當測區少於10個時，以測區混凝土強度的最小值fmin作為該構件的混凝土強度推定值，即：R回彈＝fmin
b.當測區強度值出現小於少於10.0兆帕時：R回彈＝10.0兆帕
c.當測區不少於10個或按批量檢測時，該構件的混凝土強度推定值為：R回彈＝f平均-1.645S標準差
其中，R回彈為混凝土強度推定值；fmin為該批構件中測區混凝土強度換算值的最小者；f平均為構件混凝土強度平均值；S標準差為構件混凝土強度標準差，單位均為兆帕；
第三步：綜合利用超聲法和回彈法，測算出混凝土強度值R1；
第四步：利用鑽芯法檢測技術來檢測混凝土強度，從結構或構件上綜合法測區處非關鍵截面鑽取芯樣，運用神經網路技術來確認取芯數量是否滿足要求，若不滿足，則重新取芯，直到滿足為止，再根據滿足要求的芯樣數量進行加權平均，以得到平均強度值R2；
第五步：對所得混凝土強度值R1和平均強度值R2進行相互驗證，以平均強度值R2來校核混凝土強度值R1的系統誤差，獲得較全面準確的混凝土檢測強度值R。
2、根據權利要求1所述的基於神經網路技術的綜合強度測試法，其特徵在於第三步中混凝土強度值R1，根據公式R＝a×V×N×L，該式中，a、b、c、d為待定係數，與粗骨料種類、混凝土配合比、測試時混凝土狀態因素有關；N為回彈值；V為超聲聲速，單位為千米/秒；L為碳化深度，單位為毫米。
3、根據權利要求1所述的基於神經網路技術的綜合強度測試法，其特徵在於第五步中，對所得混凝土強度值R1和平均強度值R2進行相互校核的方法是：以超聲-回彈綜合測強法為主進行大面積地測試，以獲得大量的混凝土強度值R1值；以基於神經網路技術的鑽芯法為輔，以獲得滿足要求的平均強度值R2值；採用少量的平均強度值R2值來校驗大量的混凝土強度值R1值的系統誤差。
實施方式
《基於神經網路技術的綜合強度測試法》提出了一種基於神經網路技術的綜合強度測試法，即超聲-回彈-鑽芯綜合測強法，如圖1所示。該法根據結構分析結果來確定取芯部位，再利用2008年6月前國際上非常活躍的前沿研究課題之一——神經網路技術確定出最優芯樣數量。神經網路技術是人腦及其活動的一個理論化的數學模型，它是由大量的處理單元以適當的方式互連構成，是一個大規模的非線性自適應系統。神經網路不僅在形式上模擬了生物神經系統，它也具有大腦的一些基本特徵。從系統構成的形式上看，從神經元本身到連線模式，基本上都是以與生物神經系統相似的方式工作的。由於人工神經網路具有很強的學習和普化能力，能夠將有效信息分布存放，因此近年來在工程結構的健康監測及安全性評估領域得到了廣泛的套用。因此將神經網路技術套用於超聲-回彈-鑽芯綜合測強法當中，能夠克服2008年6月前已有數理統計理論需專門人工計算的不足，在保證測試結果準確可靠的基礎上，最大程度地減小對被檢測工程結構所造成的損傷。
在對結構混凝土強度進行檢測時，將超聲-回彈綜合法與鑽芯法結合使用，兩種方法所得結果相互校核，以保證測試結果的準確性。其中根據結構分析結果來確定取芯部位，再套用神經網路技術來確定鑽取芯樣的數量。
超聲-回彈法的基本原理是綜合了超聲法和回彈法兩者的優點，回彈法是利用材料表面硬度與回彈值N有相關關係，通過混凝土表面硬度與強度R的間接關係來測算回彈值並且推算出混凝土的強度關係，其工作示意圖見圖2。但是回彈法僅僅反映深度不超過30毫米表層混凝土的狀態，卻無法反映混凝土內部的非勻質性、孔隙量和孔結構等。超聲法測強的基本原理是超音波在混凝土中傳播遇到缺陷時，會產生反射、折射、繞射和衰減等現象，這樣超音波正常傳播的聲學參數例如聲時、波形、能量和頻譜等就會發生變化，根據這些變化，可以判斷混凝土內部的密實度、彈性性能及結構狀況等，其測試原理示意圖見圖3。但是超聲-回彈綜合法中處理數據時是根據很多經驗公式推導得出的，由於現場混凝土的原材料、配合比以及施工條件不可能與R-N-C基準曲線制定的條件完全一致，從而會導致誤差增大。其中，R-N-C基準曲線是根據對於某種具體的原材料、配合比及施工條件下的混凝土試塊進行超聲-回彈綜合法進行測強，得出具體的混凝土強度值以及相應的聲速、回彈值，並根據這三組數據（強度值、聲速、回彈值）繪製出曲線，此曲線便是R-N-C基準曲線。
而鑽芯法是利用專用鑽機直接從結構上鑽取圓柱體混凝土芯樣，並且根據芯樣的抗壓強度評定結構混凝土質量的一種微破損現場檢測方法，其工作示意圖見圖4。該方法適用於混凝土強度等級≥C10的結構。鑽芯法的缺點明顯：（1）取芯工作費用較高；（2）如果芯樣位置不合理且數量較大，很容易導致結構破壞，但芯樣過少反映不出混凝土的勻質性；（3）混凝土在實際工程結構中是處於複雜的應力和約束狀態，故其強度當然不可能與取出的芯樣強度一樣，所以得出的檢測強度只具有參考意義。
所以將二者結合起來形成的綜合法，不僅能夠取得較為準確的測試結果，還能最大限度地減少芯樣數量。超聲-回彈-鑽芯綜合測強法地基本原理是：在對結構混凝土強度進行檢測時，將超聲-回彈綜合法與鑽芯法結合使用。首先是採用超聲-回彈綜合法對結構混凝土強度進行全方位測試，再採用鑽芯法對R-N-C基準曲線作適當修正，其修正方法如下：
從結構或構件上綜合法測區處非關鍵截面鑽取芯樣，用標準方法測定這些試樣的超聲值、回彈值、抗壓強度值，並用基準曲線（該現場準備採用的專用曲線、地區曲線或通用曲線）推算出試塊的計算強度，然後按下式求出修正係數：
式（1）中：η為修正係數，精確至0.01；n為所取芯樣數量；Ri為第i個芯樣的實測抗壓強度，精確至0.1兆帕；R′i為第i個芯樣按擬修正的基準曲線所推算的強度，精確至0.1兆帕。修正係數置入擬修正的基準曲線公式即為修正後基準曲線公式。
超聲-回彈-鑽芯法的關鍵是確定合理的芯樣數量，使得採用芯樣強度修正後的基準曲線推算出的混凝土強度值與混凝土強度真值比較接近，在此前提下，儘量減少鑽芯的數量。《基於神經網路技術的綜合強度測試法》就是針對這一問題，基於如圖5所示BP神經網路等模型來估計鑽芯法的取芯數量，其主要的實現方案包括如下五個步驟：
第一步：利用超聲法測出結構的混凝土強度值：當超音波在混凝土中傳播遇到缺陷時，將發生反射、折射、繞射和衰減等現象，其正常傳播的某些聲學參數的聲時、波形、能量和頻譜將發生變化，當有空洞、裂縫等缺陷存在時，破壞了混凝土的整體性，由於空氣的聲阻抗率遠小於混凝土的聲阻抗率，超音波遇到蜂窩、空洞或裂縫等缺陷時，會在缺陷界面發生反射和折射，因此傳播的路程會增大，測得的聲時會延長，聲速會降低，還有在缺陷界面超音波的聲能被衰減，其中頻率較高的部分衰減更快，因此接收信號的波幅明顯降低，頻率明顯減小或頻率譜中高頻成分明顯減少。在實際測試中，利用混凝土聲學參數測量值和相對變化綜合分析，判別混凝土缺陷的位置和範圍，或者估算缺陷的尺寸。
第二步：利用回彈法進行結構的混凝土強度測試，並據此得到混凝土強度推定值R回彈。利用回彈法測出的R回彈是指相應於強度換算值總體分布中保證率不低於95％的強度值：
（1）當測區少於10個時，以測區混凝土強度的最小值fmin作為該構件的混凝土強度推定值，即：R回彈＝fmin
（2）當測區強度值出現小於少於10.0兆帕時：R回彈＝10.0兆帕
（3）當測區不少於10個或按批量檢測時，該構件的混凝土強度推定值為：R回彈＝f平均-1.645S標準差
其中，R回彈為混凝土強度推定值；fmin為該批構件中測區混凝土強度換算值的最小者；f平均為構件混凝土強度平均值；S標準差為構件混凝土強度標準差，單位均為兆帕。
第三步：綜合利用超聲法和回彈法，測算出混凝土強度值R1；
第四步：利用鑽芯法檢測技術來檢測混凝土強度，從結構或構件上綜合法測區處非關鍵截面鑽取芯樣，運用神經網路技術來確認取芯數量是否滿足要求，若不滿足，則重新取芯，直到滿足為止，再根據滿足要求的芯樣數量進行加權平均，以得到平均強度值R2；
第五步：對所得混凝土強度值R1和平均強度值R2進行相互驗證，以平均強度值R2來校核混凝土強度值R1的系統誤差，獲得較全面準確的混凝土檢測強度值R。
榮譽表彰
2013年，《基於神經網路技術的綜合強度測試法》獲得第八屆江蘇省專利項目獎優秀獎。
