一种基于支持向量机的钢筋混凝土检测方法、设备及系统与流程

本发明涉及建筑检测技术领域，特别涉及一种基于支持向量机的钢筋混凝土检测方法、设备及系统。

背景技术：

钢筋混凝土结构在我国使用很广泛，钢筋混凝土的合格与否直接影响建筑质量，关系着人民的人身与财产安全。钢筋混凝土的检测是把握建筑质量的重要一环。实际的建筑中，钢筋位于混凝土的内部，无法直接观测，其保护层的厚度更是无从得知。钢筋保护层厚度无损检测技术可有效地对保护层厚度进行检测，为监管部门提供建筑质量鉴定的依据。

目前绝大部分钢筋保护层厚度无损检测的方案都是只能粗略估算保护层厚度，且无法有效检测出钢筋直径。因此，如何同时精确检测出钢筋直径和保护层厚度，提高对钢筋混凝土检测的准确性和有效性，是本领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明提供一种基于支持向量机的钢筋混凝土检测方法，用以解决现有技术中只能粗略估算保护层厚度，且无法有效检测出钢筋直径的问题，所述方法包括：

根据位移信息的变化向所述钢筋混凝土发出电磁激励信号；

接收所述钢筋混凝土中钢筋基于所述电磁激励信号发出的反馈电磁信号，其中，通过三组接收线圈对所述反馈电磁信号进行接收；

根据所述反馈电磁信号确定特征值数据，其中，所述特征值数据包括接收信号量特征值及对应的位移特征值；

利用支持向量机模型对所述特征值数据进行处理后确定所述钢筋的直径及保护层厚度。

优选的，在确定位移信息的变化之前，还包括：

确定所述钢筋的定位信息，根据所述定位信息进行移动检测。

优选的，确定所述钢筋的定位信息，具体包括：

根据第一调整结果确定所述钢筋的水平定位信息，其中，所述第一调整结果具体为第一信号量值与第二信号量值相等；

根据第二调整结果确定所述钢筋的垂直定位信息，其中，所述第二调整结果具体为第三信号量值与第四信号量值相等；

根据所述水平定位信息与所述垂直定位信息确定所述钢筋的定位信息。

优选的，在进行所述移动检测时基于所述反馈电磁信号依次产生前级信号，中间级信号和后级信号，根据所述反馈电磁信号确定特征值数据，具体为：

当中间级信号量值最大时，确定第一组接收信号量特征值和第一位移；

当前级信号量值与后级信号量值的差值最大时，确定第二组接收信号量特征值和第二位移；

将所述第一位移与第二位移的差值作为所述位移特征值。

优选的，所述支持向量机模型具体为软间隔非线性支持向量机模型，核函数具体为径向基核函数，损失函数具体为铰链损失函数。

相应地，本申请还提出了一种基于支持向量机的钢筋混凝土检测设备，包括：

发出模块，用于根据位移信息的变化向所述钢筋混凝土发出电磁激励信号；

接收模块，用于接收所述钢筋混凝土中钢筋基于所述电磁激励信号发出的反馈电磁信号，其中，通过三组接收线圈对所述反馈电磁信号进行接收；

确定模块，用于根据所述反馈电磁信号确定特征值数据，其中，所述特征值数据包括接收信号量特征值及对应的位移特征值；

处理模块，用于利用支持向量机模型对所述特征值数据进行处理后确定所述钢筋的直径及保护层厚度。

优选的，还包括：

定位模块，用于确定所述钢筋的定位信息，根据所述定位信息进行移动检测。

优选的，所述定位模块，具体用于：

根据第一调整结果确定所述钢筋的水平定位信息，其中，所述第一调整结果具体为第一信号量值与第二信号量值相等；

根据第二调整结果确定所述钢筋的垂直定位信息，其中，所述第二调整结果具体为第三信号量值与第四信号量值相等；

根据所述水平定位信息与所述垂直定位信息确定所述钢筋的定位信息。

优选的，在进行所述移动检测时基于所述反馈电磁信号依次产生前级信号，中间级信号和后级信号，所述确定模块，具体用于：

当中间级信号量值最大时，确定第一组接收信号量特征值和第一位移；

当前级信号量值与后级信号量值的差值最大时，确定第二组接收信号量特征值和第二位移；

将所述第一位移与第二位移的差值作为所述位移特征值

相应地，本申请还提出了一种基于支持向量机的钢筋混凝土检测系统，其特征在于，利用如上所述的方法进行检测，包括：线圈传感器、下位机和上位机，其中，

所述线圈传感器，包括线圈阵列板、发射电路、采集电路、光栅码盘传感器和信号处理单片机，用于向所述钢筋混凝土发射电磁激励信号并通过三组接收线圈接收反馈电磁信号，根据所述反馈电磁信号确定特征值数据，并将所述特征值数据发送至所述下位机，其中，所述特征值数据包括接收信号量特征值及对应的位移特征值；

所述下位机，包括主控单片机、串口通信接口、lcd显示屏、功能按键和通信模块，用于接收并存储所述特征值数据，并将所述特征值数据发送至所述上位机，还用于进行人机交互；

所述上位机，用于利用支持向量机模型对所述特征值数据进行处理后确定钢筋的直径及保护层厚度。

由此可见，通过应用以上技术方案，根据位移信息的变化向所述钢筋混凝土发出电磁激励信号；通过三组接收线圈接收所述钢筋混凝土中钢筋基于所述电磁激励信号发出的反馈电磁信号；根据所述反馈电磁信号确定特征值数据，利用支持向量机模型对所述特征值数据进行处理后确定所述钢筋的直径及保护层厚度，从而实现同时对钢筋直径和保护层厚度进行精确检测，提高了对钢筋混凝土检测的准确性和有效性。

附图说明

图1为本申请提出的一种基于支持向量机的钢筋混凝土检测方法的流程示意图；

图2为本申请实施例中基于支持向量机的钢筋混凝土检测系统整体结构示意图；

图3为本申请实施例中线圈传感器结构示意图；

图4为本申请实施例中线圈阵列板结构示意图；

图5为本申请实施例中改进支持向量机模型结构示意图；

图6为本申请提出的一种基于支持向量机的钢筋混凝土检测设备的结构示意图；

图7为本申请提出的一种基于支持向量机的钢筋混凝土检测系统的结构示意图。

具体实施方式

如背景技术所述，现有技术中钢筋保护层厚度无损检测的方案都是只能粗略估算保护层厚度，且无法有效检测出钢筋直径。

为解决上述问题，本申请实施例提出了一种基于支持向量机的钢筋混凝土检测方法，通过利用支持向量机模型处理特征值数据，可有效检测出钢筋的直径及保护层厚度。

如图1所示，本申请提出的一种基于支持向量机的钢筋混凝土检测方法的流程示意图，该方法包括以下步骤：

s101，根据位移信息的变化向所述钢筋混凝土发出电磁激励信号。

如上所述，在对钢筋混凝土进行移动扫描检测时，根据位移信息的变化向钢筋混凝土发出电磁激励信号，以对钢筋混凝土中的钢筋施加磁场影响。

需要说明的是，本领域技术人员可以根据实际情况采用不同的方式确定位移信息的变化，这并不影响本申请的保护范围。

为提高获取位移信息的变化的准确性，在本申请的优选实施例中，在确定位移信息的变化之前，还包括：

确定所述钢筋的定位信息，根据所述定位信息进行移动检测。

如上所述，通过先确定钢筋的定位信息，可以准确获取位移信息的变化，从而根据定位信息进行移动检测。

需要说明的是，以上优选实施例的方案仅为本申请所提出的一种具体实现方案，其他提高获取位移信息的变化的准确性的方式均属于本申请的保护范围。

为保证准确获取钢筋的定位信息，在本申请的优选实施例中，确定所述钢筋的定位信息，具体包括：

根据第一调整结果确定所述钢筋的水平定位信息，其中，所述第一调整结果具体为第一信号量值与第二信号量值相等；

根据第二调整结果确定所述钢筋的垂直定位信息，其中，所述第二调整结果具体为第三信号量值与第四信号量值相等；

根据所述水平定位信息与所述垂直定位信息确定所述钢筋的定位信息。

具体的，根据钢筋的水平定位信息与垂直定位信息确定钢筋的定位信息，在本申请的具体应用场景中，如图4所示为本申请实施例中线圈阵列板结构示意图，通过调整线圈传感器进行水平定位和垂直定位，将接收线圈t1、t2接收的信号量相加，将接收线圈t4、t5接收的信号量相加，比较两个相加量是否相等，根据二者大小关系左右移动线圈传感器，当二者相等时完成水平定位，在此基础上将接收线圈t1、t5接收的信号量相加，将接收线圈t2、t4接收的信号量相加，比较两个相加量是否相等，根据二者大小关系左右移动线圈传感器，当二者相等时垂直定位完成，从而确定所述钢筋的定位信息。

需要说明的是，以上优选实施例的方案仅为本申请所提出的一种具体实现方案，其他确定钢筋的定位信息的方式均属于本申请的保护范围。

s102，接收所述钢筋混凝土中钢筋基于所述电磁激励信号发出的反馈电磁信号，其中，通过三组接收线圈对所述反馈电磁信号进行接收。

具体的，电磁激励信号可使钢筋混凝土中钢筋发出反馈电磁信号，通过三组接收线圈接收所述反馈电磁信号。在本申请的具体应用场景中，如图4所示，t1～t6指6个接收线圈，分为3组，每组中2个接收线圈上下对称分布，用于接收钢筋混凝土中钢筋基于电磁激励信号发出的反馈电磁信号。

s103，根据所述反馈电磁信号确定特征值数据，其中，所述特征值数据包括接收信号量特征值及对应的位移特征值。

如上所述，根据反馈电磁信号确定接收信号量特征值及对应的位移特征值，从而确定特征值数据。

为利用向量机模型正确处理特征值数据，在本申请优选的实施例中，在进行所述移动检测时基于所述反馈电磁信号依次产生前级信号，中间级信号和后级信号，根据所述反馈电磁信号确定特征值数据，具体为：

当中间级信号量值最大时，确定第一组接收信号量特征值和第一位移；

当前级信号量值与后级信号量值的差值最大时，确定第二组接收信号量特征值和第二位移；

将所述第一位移与第二位移的差值作为所述位移特征值。

具体的，在移动检测时，由于三组接收线圈依次经过钢筋上方，因此会产生前级信号，中间级信号和后级信号，结合图4，在本申请的具体应用场景中，若接收线圈t3、t6先经过钢筋的上方，并且接收线圈t2、t5与接收线圈t1、t4依次经过钢筋的上方，则接收线圈t3、t6基于反馈电磁信号产生前级信号，接收线圈t2、t5基于反馈电磁信号产生中间级信号，接收线圈t1、t4基于反馈电磁信号产生后级信号。为后续进行基于向量机模型的计算，需要7个特征值数据，当中间级信号的信号量值最大时，分别确定三组接收线圈接收的信号量值并记录此时的位移一，从而确定3个信号量特征值；当前级信号的信号量值与后级信号的信号量值的差值最大时，分别确定三组接收线圈接收的信号量值并记录此时的位移二，从而再确定3个信号量特征值；计算位移一和位移二的差值，从而确定1个位移特征值。

s104，利用支持向量机模型对所述特征值数据进行处理后确定所述钢筋的直径及保护层厚度。

如上所述，将特征值数据输入支持向量机模型进行处理后确定钢筋的直径及保护层厚度。

需要说明的是，本领域技术人员可根据实际需要采用不同的向量机模型，这并不影响本申请的保护范围。

为保证准确获取钢筋的直径及保护层厚度，在本申请优选的实施例中，所述支持向量机模型具体为软间隔非线性支持向量机模型，核函数具体为径向基核函数，损失函数具体为铰链损失函数。

如上所述，采用软间隔支持向量机，可允许支持向量机在一些样本上出错。

需要说明的是，以上优选实施例的方案仅为本申请所提出的一种具体实现方案，其他利用向量机模型确定钢筋的直径及保护层厚度的方式均属于本申请的保护范围。

通过应用以上技术方案，根据位移信息的变化向所述钢筋混凝土发出电磁激励信号；通过三组接收线圈接收所述钢筋混凝土中钢筋基于所述电磁激励信号发出的反馈电磁信号；根据所述反馈电磁信号确定特征值数据，利用支持向量机模型对所述特征值数据进行处理后确定所述钢筋的直径及保护层厚度，从而实现同时对钢筋直径和保护层厚度进行精确检测，提高了对钢筋混凝土检测的准确性和有效性。

为了进一步阐述本发明的技术思想，现结合具体的应用场景，对本发明的技术方案进行说明。

本申请实施例提供了一种基于支持向量机的钢筋混凝土检测方法，根据反馈电磁信号确定特征值数据，利用支持向量机模型对特征值数据进行处理后确定钢筋的直径及保护层厚度，提高对钢筋混凝土检测的准确性和有效性。

如图2所示为本申请实施例中基于支持向量机的钢筋混凝土检测系统整体结构示意图。该系统包括线圈传感器、下位机和上位机，线圈传感器将包括接收信号量特征值及对应的位移特征值的特征值数据通过串口通信接口发送给下位机。下位机包括主控单片机、串口通信接口、lcd显示屏、功能按键和蓝牙通信模块。主控单片机用于控制人机交互的lcd显示屏及功能按键，便于操作者进行数据存储与上传。当接主控单片机收到线圈传感器发送的特征值数据时，记录到内部sram(staticrandom-accessmemory，静态随机存取存储器)，检测到保存键按下后，使用蓝牙通信模块发送给上位机进行数据处理。上位机利用向量机模型对特征值数据进行处理，得到钢筋直径和保护层厚度，此外，上述蓝牙通信模块只是下位机与上位机进行通信的一种具体的实现方式，还可通过其他种类的无线通信及有线通信方式进行，其他实现下位机与上位机通信的方式均属于本申请的保护范围。

如图3所示为本申请实施例中线圈传感器结构示意图，其包括光栅码盘传感器、信号处理单片机、发射电路、采集电路和线圈阵列板。其中，光栅码盘传感器用于采集位移信息。信号处理单片机用于根据位移信息控制发射电路和采集电路并进行信号处理。当位移信息发生变化后，信号处理单片机控制发射电路使线圈阵列板中的发射线圈产生电磁激励信号。当电磁激励信号发射到钢筋上时，产生反馈的电磁信号，采集电路将接收到的电磁信号转换为电压信号，发送给信号处理单片机。信号处理单片机再将电压信号转换为数字信号发送给下位机。

如图4所示为本申请实施例中线圈阵列板结构示意图，图4中l指发射大线圈，用于发出电磁激励信号产生磁场环境；s1和s2指发射小线圈，用于发出电磁激励信号产生磁场环境；t1～t6指6个接收线圈，分为3组，每组中2个接收线圈上下对称分布，用于接收钢筋混凝土中钢筋基于电磁激励信号发出的反馈电磁信号。

本申请实施例中基于支持向量机的钢筋混凝土检测方法包括以下步骤：

步骤一，进行钢筋定位，确定钢筋的定位信息。

正式检测前，可以进行箍筋的扫描，并在箍筋影响最小的位置进行检测，具体的箍筋扫描过程可由本领域技术人员根据经验采用不同的方式进行，在此不再赘述。定位过程主要分为水平定位和垂直定位两步骤，结合图4所示，具体如下：

步骤(1)进行水平定位。将接收线圈t1、t2接收的信号量相加，将接收线圈t4、t5接收的信号量相加，比较两个相加量是否相等，根据二者大小关系左右移动线圈传感器，当二者相等时进入步骤(2)。

步骤(2)进行垂直定位(角度定位)。将接收线圈t1、t5接收的信号量相加，将接收线圈t2、t4接收的信号量相加，比较两个相加量是否相等，根据二者大小关系左右移动线圈传感器，当二者相等时定位完成。

步骤二，根据位移信息发出电磁激励信号。

当位移信息发生变化后，线圈传感器中的信号处理单片机控制发射电路使线圈阵列板中的发射线圈产生电磁激励信号。

步骤三，接收反馈电磁信号，确定特征值数据。

当电磁激励信号发射到钢筋上时，产生反馈电磁信号，线圈传感器通过三组接收线圈接收反馈电磁信号，根据反馈电磁信号确定特征值数据。

特征值数据包括信号量特征值及对应的位移特征值，为后续进行基于向量机模型的计算，需要7个特征值数据，结合图4，其获取过程如下：

a)当中间一组接收线圈t2、t5的接收的信号量值最大时，分别确定三组接收线圈接收的信号量值，从而确定3个信号量特征值；

b)当接收线圈t1、t4的接收的信号量值与接收线圈t3、t6的接收的信号量值的差值最大时，分别确定三组接收线圈接收的信号量值，从而再确定3个信号量特征值。

c)计算a)与b)两种情况下的位移的差值，从而确定1个位移特征值。

线圈传感器将包括接收信号量特征值及对应的位移特征值的特征值数据通过串口通信接口发送给下位机。

步骤四，利用支持向量机模型确定钢筋的直径及保护层厚度。

当下位机的主控单片机检测到功能按键中的保存键按下后，使用蓝牙通信模块将特征值数据发送给上位机进行数据处理。当传输完成后，上位机调用已训练完成的支持向量机模型确定钢筋的直径及保护层厚度。

如图5所示为本申请实施例中改进支持向量机模型结构示意图。为提高神经网络检测准确度，减少训练样本对模型造成的误差，本申请设计并使用改进支持向量机模型。改进支持向量机模型由多个不同子支持向量机组成，各个不同的子支持向量机同时对钢筋数据进行运算，得到多组钢筋保护层厚度以及钢筋直径预测值，并选择预测为正类的置信度最高的学习器对应的类别作为预测结果，作为最终的输出结果。

该支持向量机模型具体为软间隔非线性支持向量机模型，核函数具体为rbf(radialbasisfunction，径向基核函数)，损失函数具体为hinge(铰链)损失函数。将特征值数据经过归一化处理后作为训练数据集d＝{(x1，y1)，(x2，y2)，…，(xm，ym)}中的xi，对钢筋直径作为目标类别特征，例如，6mm、7mm、8mm、......、50mm，并对此类别特征按照大小顺序做标签编码，yi∈{1，2，…，45}，将钢筋保护层厚度作为目标类别特征，例如，5mm、6mm、7mm、......、150mm等，并对此类别特征按照大小顺序做标签编码，yi∈{1，2，…，146}。

训练的目标是计算得到一个最大间隔划分超平面

w^tx+b＝0

对测试样本xj进行预测时，若w^txj+b＞0，则将样本预测为正类样本，否则预测为反类样本。

子支持向量机模型的构建过程如下：

步骤a，获取不同标准钢筋试件在不同标准保护层厚度下的特征值数据，将该特征值数据作为训练样本集d中的输入数据xi，而不同标准钢筋试件的直径与保护层厚度作为训练样本集中的输出数据yi；

步骤b，将训练样本集乱序后分批，获取各子支持向量机的训练样本；

步骤c，利用子训练样本集，计算各子支持向量机的最大间隔划分超平面，并根据测试样本在特征空间中与超平面的关系，判断其预测结果；

步骤d，预测结果与子训练样本中的输出类别进行比较，计算其误差、平均精度、p-r(precision-recall，精确率-召回率)曲线、roc(receiveroperatingcharacteristic，接受者操作特性)曲线及auc(areaunderroccurve，roc曲线下方的面积大小)，对模型结果进行评价。

使用软间隔支持向量机，即允许支持向量机在一些样本上出错，模型为：

s.t.yi(w^txi+b)≥1-ξi

ξi≥0，

i＝1，2，…，m.

上式中，ξi为松弛变量，每个样本对应一个松弛变量，用以表征该样本不满足约束的程度。其中c＞0是超参惩罚参数，c越大表示对误分类的惩罚越大，即允许分错的样本越少。

利用拉格朗日乘子法得到原问题的对偶问题：

0≤αi≤c，

i＝1，2，…，m.

对偶问题的kkt条件为：

利用smo(sequentialminimaloptimization，序列最小优化)算法对对偶问题进行求解，得到最优解αi，进而得到划分超平面的参数：

其中，s＝{i|αi＞0，i＝1，2，…，m}为所有支持向量的下标集合，|s|为集合s的l0范数，表示支持向量的数量。

另外，通过非线性函数φ(x)将数据映射到高维空间，使其变得线性可分，模型变为：

f(x)＝w^tφ(x)+b

将线性模型中原始特征的内积，替换为映射后特征的内积，就完成了线性模型的非线性化，即：

映射后的高维特征，维数高(甚至无穷维)，计算特征空间内积非常困难，因此，使用在原始特征空间中计算得到的核函数，来替换高维特征的内积：

本申请实施例中选用的核函数为rbf核，即：

式中，σ＞0，为rbf核的带宽。

通过应用以上技术方案，根据位移信息的变化向所述钢筋混凝土发出电磁激励信号；通过三组接收线圈接收所述钢筋混凝土中钢筋基于所述电磁激励信号发出的反馈电磁信号；根据所述反馈电磁信号确定特征值数据，利用支持向量机模型对所述特征值数据进行处理后确定所述钢筋的直径及保护层厚度，从而实现同时对钢筋直径和保护层厚度进行精确检测，提高了对钢筋混凝土检测的准确性和有效性。

为了达到以上技术目的，本申请提出了一种基于支持向量机的钢筋混凝土检测设备，如图6所示，包括

发出模块601，用于根据位移信息的变化向所述钢筋混凝土发出电磁激励信号；

接收模块602，用于接收所述钢筋混凝土中钢筋基于所述电磁激励信号发出的反馈电磁信号，其中，通过三组接收线圈对所述反馈电磁信号进行接收；

确定模块603，用于根据所述反馈电磁信号确定特征值数据，其中，所述特征值数据包括接收信号量特征值及对应的位移特征值；

处理模块604，用于利用支持向量机模型对所述特征值数据进行处理后确定所述钢筋的直径及保护层厚度。

在具体的应用场景中，还包括：

定位模块，用于确定所述钢筋的定位信息，根据所述定位信息进行移动检测。

在具体的应用场景中，所述定位模块，具体用于：

根据第一调整结果确定所述钢筋的水平定位信息，其中，所述第一调整结果具体为第一信号量值与第二信号量值相等；

根据第二调整结果确定所述钢筋的垂直定位信息，其中，所述第二调整结果具体为第三信号量值与第四信号量值相等；

根据所述水平定位信息与所述垂直定位信息确定所述钢筋的定位信息。

在具体的应用场景中，在进行所述移动检测时基于所述反馈电磁信号依次产生前级信号，中间级信号和后级信号，所述确定模块603，具体用于：

当中间级信号量值最大时，确定第一组接收信号量特征值和第一位移；

当前级信号量值与后级信号量值的差值最大时，确定第二组接收信号量特征值和第二位移；

将所述第一位移与第二位移的差值作为所述位移特征值。

为了达到以上技术目的，本申请提出了一种基于支持向量机的钢筋混凝土检测系统，利用如上所述的方法进行检测，如图7所示，包括：线圈传感器701、下位机702和上位机703，其中，

所述线圈传感器701，包括线圈阵列板、发射电路、采集电路、光栅码盘传感器和信号处理单片机，用于向所述钢筋混凝土发射电磁激励信号并通过三组接收线圈接收反馈电磁信号，根据所述反馈电磁信号确定特征值数据，并将所述特征值数据发送至所述下位机，其中，所述特征值数据包括接收信号量特征值及对应的位移特征值；

所述下位机702，包括主控单片机、串口通信接口、lcd显示屏、功能按键和通信模块，用于接收并存储所述特征值数据，并将所述特征值数据发送至所述上位机，还用于进行人机交互；

所述上位机703，用于利用支持向量机模型对所述特征值数据进行处理后确定钢筋的直径及保护层厚度。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可以通过硬件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是cd-rom，u盘，移动硬盘等)中，包括以若干指令的形式使一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施场景所述的方法。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域技术人员可以理解装置中的模块可以按照实施场景描述分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

上述本发明序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。