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王佳豪(
), 黄玥程, 张一帆, 张家略, 韦德生, 苏若熙, 黄坤, 李乃良(
)
收稿日期:2025-11-13
修回日期:2025-12-31
出版日期:2026-01-21
通讯作者:
李乃良
作者简介:王佳豪(2004—),男,本科生,wangjiahao@cumt.edu.cn
基金资助:
Jiahao WANG(
), Yuecheng HUANG, Yifan ZHANG, Jialue ZHANG, Desheng WEI, Ruoxi SU, Kun HUANG, Nailiang LI(
)
Received:2025-11-13
Revised:2025-12-31
Online:2026-01-21
Contact:
Nailiang LI
摘要:
针对集输-上升管路系统内气液两相流流型识别困难的问题,提出一种融合压差数据递归图和卷积神经网络的流型识别方法。在集输-上升管路系统利用空气和水为介质开展了两相流实验,观察到泡状流、环状流、弹状流和严重段塞流4类典型流型。基于相空间重构方法构建了各流型压差信号的递归图,发现4种流型的递归图均呈现不同的特征。构建了3种不同的经典卷积神经网络( LeNet、AlexNet、ResNet),用于提取流型压差数据递归图的对角线结构与网格状结构特征,并采用ROC(受试者工作特征曲线,Receiver Operating Characteristic Curve)的AUC(曲线下的面积,Area Under Curve)对模型性能进行评价。结果表明:LeNet对各流型的识别取得了最高的精确率、灵敏度和特异度。
中图分类号:
王佳豪, 黄玥程, 张一帆, 张家略, 韦德生, 苏若熙, 黄坤, 李乃良. 基于递归特性和CNN的上升管内气液两相流型识别研究[J]. 化工学报, DOI: 10.11949/0438-1157.20251261.
Jiahao WANG, Yuecheng HUANG, Yifan ZHANG, Jialue ZHANG, Desheng WEI, Ruoxi SU, Kun HUANG, Nailiang LI. Identification of gas-liquid two-phase flow patterns in a riser based on recursive characteristics and CNN[J]. CIESC Journal, DOI: 10.11949/0438-1157.20251261.
| 模型类型 | 输入层尺寸 | 卷积核尺寸 | 池化核尺寸 | 全连接层正则化参数 | 输出层维度 |
|---|---|---|---|---|---|
| LeNet | 32,32,1 | 5×5 | 2×2 | 0.3 | 4 |
| AlexNet | 224,224,1 | 3×3 | 2×2 | 0.6 | 4 |
| ResNet | 224,224,3 | 7×7 | 7×7 | 0.6 | 4 |
表1 三种模型的结构尺寸
Table 1 Structure and size of the three models
| 模型类型 | 输入层尺寸 | 卷积核尺寸 | 池化核尺寸 | 全连接层正则化参数 | 输出层维度 |
|---|---|---|---|---|---|
| LeNet | 32,32,1 | 5×5 | 2×2 | 0.3 | 4 |
| AlexNet | 224,224,1 | 3×3 | 2×2 | 0.6 | 4 |
| ResNet | 224,224,3 | 7×7 | 7×7 | 0.6 | 4 |
| 神经网络 | 迭代次数 | 批次大小 | 学习率 |
|---|---|---|---|
| LeNet | 200 | 10 | 0.00010 |
| AlexNet | 200 | 8 | 0.00010 |
| ResNet | 200 | 8 | 0.00002 |
表2 三种模型的超参数
Table 2 Hyperparameters of the three models
| 神经网络 | 迭代次数 | 批次大小 | 学习率 |
|---|---|---|---|
| LeNet | 200 | 10 | 0.00010 |
| AlexNet | 200 | 8 | 0.00010 |
| ResNet | 200 | 8 | 0.00002 |
| 流型 | 样本数量 | 精确率 | Recall | 特异度 | 灵敏度 | F1 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 环状流 | 1400 | 0.86 | 0.86 | 0.98 | 0.96 | 0.90 |
| 泡状流 | 1400 | 0.96 | 0.96 | 0.95 | 0.87 | 0.91 |
| 弹状流 | 1400 | 1.00 | 1.00 | 1.00 | 1.00 | 1.00 |
| 段塞流 | 1400 | 1.00 | 1.00 | 1.00 | 1.00 | 1.00 |
| 总数 | 5600 |
表3 LeNet模型的流型识别效果
Table 3 Flow pattern recognition performance of LeNet model
| 流型 | 样本数量 | 精确率 | Recall | 特异度 | 灵敏度 | F1 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 环状流 | 1400 | 0.86 | 0.86 | 0.98 | 0.96 | 0.90 |
| 泡状流 | 1400 | 0.96 | 0.96 | 0.95 | 0.87 | 0.91 |
| 弹状流 | 1400 | 1.00 | 1.00 | 1.00 | 1.00 | 1.00 |
| 段塞流 | 1400 | 1.00 | 1.00 | 1.00 | 1.00 | 1.00 |
| 总数 | 5600 |
| 模型 | 精确率 | 特异性 | 灵敏度 | F1 |
|---|---|---|---|---|
| LeNet | 0.967 | 0.967 | 0.969 | 0.977 |
| AlexNet | 0.966 | 0.966 | 0.967 | 0.966 |
| ResNet | 0.873 | 0.873 | 0.909 | 0.866 |
表4 三种模型的识别性能对比
Table 4 Comparison of recognition performance of the three models
| 模型 | 精确率 | 特异性 | 灵敏度 | F1 |
|---|---|---|---|---|
| LeNet | 0.967 | 0.967 | 0.969 | 0.977 |
| AlexNet | 0.966 | 0.966 | 0.967 | 0.966 |
| ResNet | 0.873 | 0.873 | 0.909 | 0.866 |
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