《Engineering Applications of Artificial Intelligence》：Correlating non-uniform reinforcement corrosion parameters using hybrid ensemble model and low-cost three-dimensional photogrammetry
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本研究提出一种基于机器学习算法的混合集成模型(Hybrid Ensemble Model, HEM)，用于量化混凝土表面裂缝宽度与腐蚀参数——腐蚀坑深度、钢筋截面减少量、点蚀因子(Pitting Factor, PF)及腐蚀程度之间的相关性。该HEM结合了随机
本研究提出一种基于机器学习算法的混合集成模型(Hybrid Ensemble Model, HEM)，用于量化混凝土表面裂缝宽度与腐蚀参数——腐蚀坑深度、钢筋截面减少量、点蚀因子(Pitting Factor, PF)及腐蚀程度之间的相关性。该HEM结合了随机森林(Random Forest, RF)和梯度提升机(Gradient Boosting Machine, GBM)两种算法的优势。研究人员制备了16个混凝土棱柱试件，保护层厚度分别为25 mm和30 mm，并进行了加速腐蚀试验。研究中采用了一种低成本的3D摄影测量方法，用于表征嵌入混凝土内的腐蚀钢筋的腐蚀坑深度与截面减少量，并通过实验数据验证了该方法的精度。结果表明，HEM在空间位置训练与测试阶段的决定系数(R2)分别达到0.987和0.913；在试件级GroupKFold交叉验证（含数据增强）中，R2为0.783 ± 0.058。研究人员利用SHapley Additive exPlanations(SHAP)、泰勒图和雷达图评估了HEM的性能，结果显示其预测精度和鲁棒性均优于单独的RF和GBM模型。此外，引入滑动窗口相关分析(Sliding Window Correlation Analysis, SWCA)以考虑多个腐蚀坑的影响，发现裂缝宽度受多坑累积效应影响，而非单一最大坑深控制。研究还开发了一个图形用户界面(Graphical User Interface, GUI)，可作为工程决策支持工具。
该研究针对钢筋混凝土(Reinforced Concrete, RC)结构因钢筋非均匀腐蚀(Non-Uniform Corrosion, NUC)导致的耐久性与安全性问题展开。随着城市化进程加快，RC结构在全球基础设施建设中占据主导地位，但钢筋腐蚀引发的混凝土开裂、剥落与承载力下降已成为重大工程隐患。全球每年因腐蚀造成的经济损失高达约2.5万亿美元，占全球GDP的3.4%。氯离子渗透是引发钢筋腐蚀的主要原因，其可在海风作用下传输至远离海岸的区域，进入混凝土保护层后改变碱性环境，诱发腐蚀传播阶段。传统腐蚀监测方法多假设均匀腐蚀，难以准确表征实际工程中普遍存在的点蚀现象，导致对结构剩余承载能力的评估存在偏差。同时，高精度检测手段如计算机断层扫描(Computed Tomography, CT)成本高昂，限制了广泛应用。因此，开发低成本、高精度的腐蚀参数检测与预测方法成为迫切需求。
研究人员通过开展加速腐蚀试验结合低成本3D摄影测量技术，构建了包含腐蚀坑深度、钢筋截面损失、点蚀因子(PF)及腐蚀程度的数据库，并采用机器学习方法建立了这些参数与混凝土表面裂缝宽度的非线性关系模型。研究提出的混合集成模型(HEM)融合了随机森林(RF)与梯度提升机(GBM)的优势，显著提升了预测性能。该技术路径为工程界提供了一种经济高效的腐蚀损伤评估工具，有助于优化维修决策并延长结构使用寿命。
关键技术方法方面，研究制备了16个尺寸为500 mm × 100 mm × 100 mm的混凝土棱柱试件，保护层厚度分为25 mm与30 mm两组，内置直径10 mm的Fe550钢筋。采用加速腐蚀试验模拟真实环境下的钢筋劣化过程，并利用低成本3D摄影测量技术获取腐蚀钢筋的表面形貌数据，重建三维几何模型以计算腐蚀坑深度与截面损失。基于MATLAB平台开发了机器学习代码，对比了RF、GBM及HEM三种模型的预测效果，并通过SHAP分析、泰勒图与雷达图进行模型解释与性能验证。此外，引入滑动窗口相关分析(SWCA)探讨多腐蚀坑对裂缝宽度的综合影响。
研究结果方面，在RC试件制备阶段，研究人员完成了不同保护层厚度的试件制作与加速腐蚀处理，确保数据集覆盖多种腐蚀状态。特征相关性分析表明，腐蚀程度、坑深、截面损失与裂缝宽度之间存在显著的非线性关联，为模型输入特征的选择提供了依据。机器学习相关性分析结果显示，HEM的决定系数(R2)在空间位置分析中达到0.987（训练）与0.913（测试），在试件级五折交叉验证中为0.783 ± 0.058，均优于单一模型。试件腐蚀分析发现，随着腐蚀程度增加，点蚀因子(PF)呈下降趋势，裂缝宽度随之增大，并在高腐蚀水平下出现混凝土剥落现象。研究结论指出，裂缝宽度主要受多个腐蚀坑的累积效应控制，而非单一最深坑决定。HEM模型在预测精度与稳定性方面均表现优异，结合低成本3D摄影测量技术，可实现对腐蚀损伤的定量评估，具有重要的工程应用价值。
讨论与结论部分强调，本研究弥补了非均匀腐蚀参数与裂缝宽度关联机制研究的不足，提出的低成本3D摄影测量技术与混合集成模型(HEM)相结合的方法，兼具经济性与高精度，可为既有钢筋混凝土结构的安全评估与维护规划提供科学依据。该方法不仅适用于实验室研究，也可推广至现场检测，为工程决策提供可靠的数据支撑。
