一种基于深度卷积自编码器的流场特征提取方法

1.本发明属于桥梁风工程技术领域，特别是涉及一种基于深度卷积自编码器的流场特征提取方法。


背景技术：

2.获取具有高时间分辨率和高空间分辨率的流场特征对于深入理解非定常流动的物理机制和有效捕捉相干结构至关重要。目前，对于流场的特征提取常采用本征正交分解(pod)等线性方法，将流场投影到pod模态空间，同时获得时间系数，此时用只与空间相关的模态和只与时间相关的时间系数的线性组合即可描述整个流场。对于简单流动来说，可利用前几阶能量较高的模态对流场的主要特征进行重构，但对于复杂流动，如湍流，则需要大量模态才能确保流场的重构精度。这种局限性限制了本征正交分解方法对各种流场的适用范围，不能捕捉到流场的非线性特征。


技术实现要素：

3.本发明目的是为了解决现有的技术问题，提出了一种基于深度卷积自编码器的流场特征提取方法。本发明所述方法是一种非线性降维方法，能够捕捉流场的非线性特征，将流场压缩到更低的维度。
4.本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种基于深度卷积自编码器的流场特征提取方法，所述方法具体包括：
5.步骤一：获得流场数据，根据流场数据构建数据集；
6.步骤二：搭建深度卷积自编码器模型；
7.步骤三：将数据集随机按比例划分为训练集、验证集和测试集；利用训练集对深度卷积自编码器模型进行训练，利用验证集对深度卷积自编码器模型进行验证；
8.步骤四：利用测试集对验证后的深度卷积自编码器模型进行测试，对比输入和输出流场差异。
9.进一步地，在步骤一中，采用数值模拟方式和风洞试验方式获取流场数据；数值模拟采用openfoam开源计算流体软件计算；风洞试验采用粒子图像测速技术测量流场。
10.进一步地，数值模拟的工况为雷诺数re＝200和re＝500的不可压缩圆柱绕流，采用smagorinsky-lilly湍流模型，压力速度耦合方程求解采用piso求解器；风洞试验的工况为雷诺数re＝2.7
×
104，piv采样频率为10hz。
11.进一步地，在步骤三中，按6：2：2的比例将数据集划分为训练集、验证集和测试集。
12.进一步地，所述深度卷积自编码器模型采用对称结构，编码器由三个卷积层加三个池化层组成，解码器由三个上采样层加三个卷积层以及中间的隐向量层组成；上采样层选用最邻近插值替代反卷积层。
13.进一步地，卷积核大小均选取为3
×
3，池化层选用平均池化，所有的激活函数均采用relu函数，如式(1)：
14.f(x)＝max(0,x)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
15.卷积层的操作过程如式(2)：
[0016][0017]
式中,为第l层的输出,σ为激活函数，k为卷积核的数量，h为卷积核尺寸，w为权重，b为偏置。
[0018]
进一步地，将训练集和验证集的流场图像输入深度卷积自编码器模型中，通过编码器运算得到隐向量q，然后通过解码器运算得到输出构建模型的损失函数：
[0019][0020]
训练过程中采用early stopping方法避免过拟合，当验证集误差连续在10个周期内增长的时候，说明此时发生了过拟合，训练提前中止。
[0021]
进一步地，在步骤四中，定义相对误差ε(t)，利用式(5)来刻画时间域上的误差，定义相对重构误差利用式(6)来刻画空间域上的误差：
[0022][0023][0024]
式中,ε(t)为x位置处速度在时间域内的相对误差，为x位置处t时刻速度的真实值，为x位置处t时刻速度的重构值，为整个流场在时间域内相对误差的平均值，n为时间总数；
[0025][0026]
式中,为整个流场在空间域内的相对重构误差，为ti时刻x位置处速度的真实值，为ti时刻x位置处速度的重构值，n为位置总数。
[0027]
本发明提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种基于深度卷积自编码器的流场特征提取方法的步骤。
[0028]
本发明提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述一种基于深度卷积自编码器的流场特征提取方法的步骤。
[0029]
本发明的有益效果为：
[0030]
本发明针对基于本征正交分解的传统流场特征提取方法存在的局限性问题，建立了深度卷积自编码器进行流场特征提取，实现了多种雷诺数下的流场特征提取。相比于pod方法，本发明所述方法能够捕捉流场的非线性特征，将流场压缩到更低的维度，流场重构精
度也高于pod方法。
附图说明
[0031]
图1为基于深度卷积自编码器流场特征提取方法流场图；
[0032]
图2为数值模拟re＝200重构结果图；其中，(a)为重构值，(b)为真实值，(c)为空间上的误差分布；
[0033]
图3为数值模拟re＝500重构结果图；其中，(a)为重构值，(b)为真实值，(c)为空间上的误差分布；
[0034]
图4为风洞试验re＝2.7
×
104重构结果图；其中，(a)为重构值，(b)为真实值，(c)为空间上的误差分布；
[0035]
图5为pod方法和深度卷积自编码器方法重构结果对比图；其中，(a)为真实值，(b)为pod重构值，(c)为cae重构值。
具体实施方式
[0036]
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0037]
实施例一：
[0038]
结合图1-图4，本发明提出一种基于深度卷积自编码器的流场特征提取方法，所述方法具体包括：
[0039]
步骤一：获得流场数据，根据流场数据构建数据集；在步骤一中，采用数值模拟方式和风洞试验方式获取流场数据；数值模拟采用openfoam开源计算流体软件计算；风洞试验采用粒子图像测速技术(piv)测量流场。
[0040]
数值模拟的工况为雷诺数re＝200和re＝500的不可压缩圆柱绕流，采用smagorinsky-lilly湍流模型，压力速度耦合方程求解采用piso求解器；风洞试验的工况为雷诺数re＝2.7
×
104，piv采样频率为10hz。
[0041]
步骤二：搭建深度卷积自编码器模型；所述深度卷积自编码器模型采用对称结构，编码器由三个卷积层加三个池化层组成，解码器由三个上采样层加三个卷积层以及中间的隐向量层组成；上采样层选用最邻近插值替代反卷积层，这样可以有效避免出现“棋盘效应”。
[0042]
卷积核大小均选取为3
×
3，池化层选用平均池化，所有的激活函数均采用relu函数，如式(1)：
[0043]
f(x)＝max(0,x)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0044]
卷积层的操作过程如式(2)：
[0045][0046]
式中,为第l层的输出,σ为激活函数，k为卷积核的数量，h为卷积核尺寸，w为
权重，b为偏置。
[0047]
步骤三：将数据集随机按比例划分为训练集、验证集和测试集；利用训练集对深度卷积自编码器模型进行训练，利用验证集对深度卷积自编码器模型进行验证，避免过拟合；在步骤三中，按6：2：2的比例将数据集划分为训练集、验证集和测试集。
[0048]
将训练集和验证集的流场图像输入深度卷积自编码器模型中，通过编码器运算得到隐向量(latent vector)q，然后通过解码器运算得到输出构建模型的损失函数：
[0049][0050]
训练过程中采用early stopping方法避免过拟合，当验证集误差连续在10个周期内增长的时候，说明此时发生了过拟合，训练提前中止。
[0051]
步骤四：利用测试集对验证后的深度卷积自编码器模型进行测试，对比输入和输出流场差异。
[0052]
在步骤四中，定义相对误差ε(t)，利用式(5)来刻画时间域上的误差，定义相对重构误差利用式(6)来刻画空间域上的误差：
[0053][0054][0055]
式中,ε(t)为x位置处速度在时间域内的相对误差，为x位置处t时刻速度的真实值，为x位置处t时刻速度的重构值，为整个流场在时间域内相对误差的平均值，n为时间总数；
[0056][0057]
式中,为整个流场在空间域内的相对重构误差，为ti时刻x位置处速度的真实值，为ti时刻x位置处速度的重构值，n为位置总数。
[0058]
实施例二：
[0059]
如图1所示，本发明提出一种基于深度卷积自编码器的流场特征提取方法，所述方法具体包括：
[0060]
第一步，获得卷积自编码器的输入数据，这通过数值模拟和风洞试验开展。
[0061]
第二步，将得到的流场数据输入卷积自编码器中，构造一个13层的深度卷积自编码器模型，编码器由三个卷积层加三个池化层组成，解码器由三个上采样层加三个卷积层组成，以及中间的隐向量层。整个模型卷积层的卷积核大小均选取为3
×
3，池化层选用平均池化，所有的激活函数均采用relu函数。按照公式(3)所采用的损失函数对模型进行训练。
[0062]
第三步，当模型的重构结果和真实流场之间的相对误差(公式(4)、(5))和相对重构误差(公式(6))达到最小时，流场的特征可以认为已经较好地被提取在卷积自编码器的
中间隐藏层中，该维数小于pod模态分解数目，根据图5可以看出，基于卷积自编码器提取的流场特征优于基于本征正交分解提取到的特征，卷积自编码器能够更好地提取到高雷诺数下的脉动特征。
[0063]
本发明使用tensorflow深度学习框架搭建模型，可用于进行流场特征提取，其输入直接是流场快照，可由数值模拟或风洞试验得到，卷积自编码器能够较好地提取到流场的特征，尤其是在复杂流动下，能够捕捉到流场的非线性特征，将流场压缩到更低的维度。
[0064]
本发明提出了一种基于深度卷积自编码器的流场特征提取方法，卷积自编码器(cae)是一种非线性降阶方法，相比于本征正交分解(pod)等线性方法，卷积自编码器可以有效的从输入中学习到数据的隐含特征，并重构出原始输入数据，对于复杂流动，如湍流，卷积自编码器可以有效捕捉到流场的非线性特征。本发明搭建了一个深度卷积自编码器，有效提取了两组数值模拟计算结果的流场特征以及一组风洞试验的流场特征。结果表明，相比于pod等线性方法，本发明所述方法能够将流场压缩到更低的维度，流场重构精度也优于pod方法。
[0065]
本发明提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种基于深度卷积自编码器的流场特征提取方法的步骤。
[0066]
本发明提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述一种基于深度卷积自编码器的流场特征提取方法的步骤。
[0067]
本技术实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(read only memory，rom)、可编程只读存储器(programmable rom，prom)、可擦除可编程只读存储器(erasable prom，eprom)、电可擦除可编程只读存储器(electrically eprom，eeprom)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(random access memory，ram)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的ram可用，例如静态随机存取存储器(static ram，sram)、动态随机存取存储器(dynamic ram，dram)、同步动态随机存取存储器(synchronous dram，sdram)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(double data rate sdram，ddr sdram)、增强型同步动态随机存取存储器(enhanced sdram，esdram)、同步连接动态随机存取存储器(synchlink dram，sldram)和直接内存总线随机存取存储器(direct rambus ram，dr ram)。应注意，本发明描述的方法的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
[0068]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机指令时，全部或部分地产生按照本技术实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(digital subscriber line，dsl))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存
取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，高密度数字视频光盘(digital video disc，dvd))、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disc，ssd))等。
[0069]
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。结合本技术实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
[0070]
应注意，本技术实施例中的处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法实施例的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本技术实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本技术实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
[0071]
以上对本发明所提出的一种基于深度卷积自编码器的流场特征提取方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。