贝叶斯算法耦合有限元对道路结构安全自动化分析的方法

本发明涉及岩土工程、道路工程及道路病害检测与结构安全分析，具体涉及一种贝叶斯算法耦合有限元对道路结构安全自动化分析的方法，尤其适用于道路路表裂缝成因分析、异常沉降风险识别、道路结构安全诊断及道路运营养护决策支持。

背景技术：

0、技术背景

1、随着道路服役时间增加，在长期交通荷载、环境作用及既有路基材料性能演化等因素影响下，道路及路基结构可能产生不同程度的累积变形。一方面，连续降雨、地下水条件变化等环境因素可能改变路基土体的含水状态和力学性质；另一方面，高速公路拓宽改建、路基拼接以及局部施工扰动也可能改变既有路基的应力及变形状态，使部分道路区段出现不均匀沉降及路表裂缝等病害。在道路日常巡检、运营期安全评估以及改扩建工程既有道路状态分析过程中，需要一种能够结合路表病害、沉降监测资料及既有工程资料，对道路内部结构变形状态进行快速分析的方法。

2、对于深厚软土地区，软土通常具有含水率较高、压缩性较大、渗透性较低以及长期固结和蠕变特征。在道路填筑、预压及长期运营荷载作用下，软土地基可能产生持续沉降；当不同道路区段的地质条件、软基处理方式或路基处理参数存在差异时，还可能形成纵向或横向差异变形，并与路表横向裂缝、纵向裂缝或斜向裂缝的形成和发展产生关联。因此，如何结合易于获取的路表裂缝及沉降变形信息，对道路内部变形状态及其主要工程影响因素进行分析，是道路运营维护过程中需要解决的技术问题。

3、现有道路结构状态分析通常分别采用路表病害检测、沉降监测或者有限元数值分析等技术手段。路表裂缝检测能够获得裂缝的位置、类型及几何特征，但单独依据裂缝表观特征难以判断裂缝是否与路基差异沉降相关；沉降监测能够反映特定测点的变形发展过程，但监测点、裂缝位置、地质条件、道路设计信息以及软基处理设计施工参数通常分别存储，难以直接建立统一的空间对应关系。

4、对于有限元分析，模型中的土体本构参数及部分路基处理参数通常依据勘察、试验或设计资料进行确定，但受土体空间变异性、施工偏差及长期服役性能变化等因素影响，部分参数存在不确定性。传统分析过程中通常需要工程人员反复调整模型参数并重新进行有限元计算，再根据模拟沉降结果与实测数据的差异人工确定参数组合，参数调整和模型校准效率较低。

5、此外，现有裂缝检测数据、沉降监测数据及有限元计算结果之间缺少统一的数据关联和反馈机制，难以形成从路表病害识别、异常沉降筛选、有限元参数反演到道路结构安全分析的一体化技术流程。

6、因此，现有技术在路表裂缝、多期高程、沉降监测、地质勘察及道路设计施工数据的统一空间关联，有限元模型不确定参数的自动反演，以及有限元结构响应与实测裂缝之间的联合分析方面仍有进一步改进空间。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有道路结构安全分析过程中多源检测与工程数据难以有效关联、裂缝风险判断依赖人工经验、有限元模型参数需要反复人工调整以及裂缝表观特征与路基内部变形机制难以建立定量对应关系的技术问题，提供一种贝叶斯算法耦合有限元对道路结构安全自动化分析的方法。

2、根据本技术实施例的第一方面，提供一种贝叶斯算法耦合有限元对道路结构安全自动化分析的方法，包括：

3、采集并整合路表裂缝图像、不同检测时期的路表高程数据、施工期及运营期沉降监测数据、地质勘察数据、室内土工物理力学参数、道路设计资料、路基处理设计施工参数及竣工资料，按照统一的数据字段进行存储，构建全维度原始数据库；

4、对所述全维度原始数据库中的路表裂缝图像、路表高程数据及沉降监测数据进行数据清洗、坐标转换、误差修正和空间配准，将不同来源数据统一至道路设计采用的大地坐标系，并将裂缝位置、高程测点及沉降监测点与道路设计平面线位和里程桩号进行匹配，以道路里程桩号为统一空间索引，构建“路段－断面－测点”三级索引结构化数据库；

5、基于所述三级索引结构化数据库，根据路表裂缝类型、裂缝空间位置及对应的沉降变形特征筛选候选分析路段；调用所述候选分析路段对应的地质勘察数据、室内土工物理力学参数、道路设计资料、路基处理设计施工参数及竣工资料，建立候选分析路段的初始有限元计算模型，并采用地质勘察及设计施工资料中的参数作为有限元模型初始参数进行计算；结合实测沉降变形数据与初始有限元计算结果确定异常沉降路段，并构建裂缝特征、沉降变形特征、地质条件及路基处理参数之间的关联样本集；

6、基于所述关联样本集中的实测沉降变形数据，构建用于评价有限元模拟变形数据与实测变形数据差异的综合损失目标函数，并基于地质勘察数据及路基处理设计施工参数确定待反演参数的先验搜索区间及物理约束条件；采用optuna框架下的树结构parzen估计器采样策略对有限元模型中的待反演参数进行自动迭代搜索，以所述综合损失目标函数作为参数寻优依据，获得有限元模拟变形数据与实测变形数据拟合度最优的参数组合；

7、将所述最优的参数组合回填至所述初始有限元计算模型，模拟路基填筑、预压、运营及长期服役过程，获得路基及道路结构的变形、应力和超孔隙水压力响应数据；将所述响应数据与路表实测裂缝的位置、类型及分布特征进行空间关联和比对校验，确定异常沉降与路表裂缝之间的对应关系，判断道路结构安全状态，并识别与路表裂缝形成相关的主要影响因素，并输出道路结构安全诊断结果及风险评估结果。

8、根据本技术实施例的第二方面，提供一种贝叶斯算法耦合有限元对道路结构安全自动化分析的系统，包括：

9、数据采集与原始数据库构建模块，用于采集并整合路表裂缝图像、不同检测时期的路表高程数据、施工期及运营期沉降监测数据、地质勘察数据、室内土工物理力学参数、道路设计资料、路基处理设计施工参数及竣工资料，按照统一的数据字段进行存储，构建全维度原始数据库；

10、时空配准与结构化数据库构建模块，用于对所述全维度原始数据库中的路表裂缝图像、路表高程数据及沉降监测数据进行数据清洗、坐标转换、误差修正和空间配准，将不同来源数据统一至道路设计采用的大地坐标系，并将裂缝位置、高程测点及沉降监测点与道路设计平面线位和里程桩号进行匹配，以道路里程桩号为统一空间索引，构建“路段－断面－测点”三级索引结构化数据库；

11、候选分析路段筛选与初始有限元分析模块，用于基于所述三级索引结构化数据库，根据路表裂缝类型、裂缝空间位置及对应的沉降变形特征筛选候选分析路段；调用所述候选分析路段对应的地质勘察数据、室内土工物理力学参数、道路设计资料、路基处理设计施工参数及竣工资料，建立候选分析路段的初始有限元计算模型，并采用地质勘察及设计施工资料中的参数作为有限元模型初始参数进行计算；结合实测沉降变形数据与初始有限元计算结果确定异常沉降路段，并构建裂缝特征、沉降变形特征、地质条件及路基处理参数之间的关联样本集；

12、贝叶斯优化参数反演模块，用于基于所述关联样本集中的实测沉降变形数据，构建用于评价有限元模拟变形数据与实测变形数据差异的综合损失目标函数，并基于地质勘察数据及路基处理设计施工参数确定待反演参数的先验搜索区间及物理约束条件；采用optuna框架下的树结构parzen估计器采样策略对有限元模型中的待反演参数进行自动迭代搜索，以所述综合损失目标函数作为参数寻优依据，获得有限元模拟变形数据与实测变形数据拟合度最优的参数组合；

13、有限元校准与道路结构安全分析模块，用于将所述最优的参数组合回填至所述初始有限元计算模型，模拟路基填筑、预压、运营及长期服役过程，获得路基及道路结构的变形、应力和超孔隙水压力响应数据；将所述响应数据与路表实测裂缝的位置、类型及分布特征进行空间关联和比对校验，确定异常沉降与路表裂缝之间的对应关系，判断道路结构安全状态，并识别与路表裂缝形成相关的主要影响因素，并输出道路结构安全诊断结果及风险评估结果。

14、根据本技术实施例的第三方面，提供一种电子设备，包括：

15、一个或多个处理器；

16、存储器，用于存储一个或多个程序；

17、当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现如第一方面所述的贝叶斯算法耦合有限元对道路结构安全自动化分析的方法。

18、根据本技术实施例的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如第一方面所述的方法。

19、由上述实施例可知，本发明相较于现有技术，基于独创的技术组合与参数约束，具备以下突出有益效果：

20、第一，通过统一存储路表裂缝、多期路表高程、沉降监测、地质勘察、道路设计、路基处理设计施工及竣工资料，并以道路里程桩号建立“路段－断面－测点”三级索引关系，使不同来源的道路工程数据能够在统一空间基准下进行关联，为裂缝、沉降变形、地质条件和软基处理结构之间的联合分析提供数据基础。

21、第二，通过根据裂缝特征和沉降变形特征筛选候选分析路段，可以减少对全部道路区段逐段进行有限元建模与参数反演产生的计算量，使后续数值分析集中于具有异常变形风险的路段。

22、第三，通过调用地质勘察、室内土工试验、道路设计、路基处理设计施工及竣工资料自动建立初始有限元计算模型，使有限元分析建立在实际工程几何结构、材料参数和施工阶段基础上，减少完全依靠人工经验设置模型参数产生的偏差。

23、第四，通过采用optuna框架下的树结构parzen估计器采样策略，将候选参数生成、有限元自动计算、模拟沉降结果提取、综合损失值计算以及后续采样策略更新形成闭环，并利用土体参数及路基处理结构参数的工程物理约束限制参数搜索范围，从而提高有限元模型参数反演的自动化程度和工程合理性。

24、第五，通过将反演得到的最优参数组合回填至初始有限元计算模型，并模拟道路施工、预压、运营及长期服役过程，使模拟结果能够与实测沉降和裂缝空间分布进行对应分析，从而为道路裂缝主要诱因判断、道路结构安全状态分析以及后续风险评估提供量化依据。

25、第六，所述方法能够利用车载检测获得的路表裂缝和高程数据开展道路结构状态分析，可减少人工逐点巡查以及重复手动调整有限元参数的工作量，提高道路结构安全分析过程的数据处理和数值分析自动化程度。

26、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。