本發(fā)明涉及道路工程設(shè)計，具體為一種三維建模與有限元集成的路面結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)的道路設(shè)計主要采用二維及手動計算的設(shè)計方式，如果出現(xiàn)設(shè)計變更，需要非常大的工作量進(jìn)行修改，目前通過bim(三維建模)技術(shù)，可實現(xiàn)設(shè)計的三維可視化，但目前bim技術(shù)缺少結(jié)構(gòu)驗算分析，而此過程又是瀝青路面設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。車轍是瀝青路面的永久變形，對瀝青路面質(zhì)量及使用壽命具有重要影響，疲勞開裂是瀝青路面常見病害之一，嚴(yán)重影響瀝青路面的服役性能及使用壽命，利用數(shù)值模擬的方式可準(zhǔn)確模擬瀝青路面車轍及疲勞壽命，然而由于道路的環(huán)境及外在條件的多變，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。通過傳統(tǒng)的bim模型與有限元結(jié)合的設(shè)計方式，很難實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模和不同的數(shù)據(jù)格式集成，此外，現(xiàn)有研究方法并沒有針對數(shù)據(jù)模擬的結(jié)果結(jié)合自動化算法來對路面結(jié)構(gòu)組合進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，因此，需要開發(fā)一個可以在復(fù)雜的道路條件下，高效地進(jìn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計的框架及算法。

2、過往在道路工程領(lǐng)域，建立復(fù)雜的道路線性與路面結(jié)構(gòu)一體化模型需要在多個軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，嚴(yán)重影響瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析效率，傳統(tǒng)的bim與fem(有限元集成)模擬方法在數(shù)據(jù)傳輸過程中,缺少控制網(wǎng)格模型的精度與標(biāo)準(zhǔn)，使得驗算的結(jié)果與實際結(jié)果偏差較大，準(zhǔn)確性較低，現(xiàn)有的道路bim-fem框架，缺少實際工程參考的結(jié)果，框架的可靠性無法得到驗證，另外，針對路面結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化方面，缺少準(zhǔn)確地數(shù)據(jù)參考及計算結(jié)果，以上因素會對道路結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬的驗算結(jié)果及路面結(jié)構(gòu)設(shè)計效率造成嚴(yán)重影響，難以滿足道路設(shè)計智能化，自動化的需求。

3、因此，針對以上問題，提供一種三維建模與有限元集成的路面結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的缺陷而提供的一種三維建模與有限元集成的路面結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計方法，大幅度提高了bim在復(fù)雜條件道路結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析的效率，更加準(zhǔn)確可靠的確定瀝青路面最佳的設(shè)計方案。

2、實現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案是：

3、一種三維建模與有限元集成的路面結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計方法，包括：

4、步驟s1，依照道路線性數(shù)據(jù)，圖紙，路面結(jié)構(gòu)層信息建立瀝青路面道路線性與路面結(jié)構(gòu)一體化bi?m模型；

5、步驟s2，將建立的bim模型在hypermesh軟件中進(jìn)行精細(xì)網(wǎng)格生成與檢查，得到網(wǎng)格模型，即bi?m-fem自動化數(shù)值模擬框架，并以.inp文件形式導(dǎo)出；

6、步驟s3，將bim-fem自動化數(shù)值模擬框架導(dǎo)入abaqus軟件中，對框架進(jìn)行車轍變形數(shù)值模擬，分析瀝青路面的車轍變形情況，建立車轍與疲勞數(shù)值模擬自動預(yù)處理流程；

7、步驟s4，基于車轍與疲勞數(shù)值模擬自動預(yù)處理流程，利用bim-fem自動化數(shù)值模擬框架進(jìn)行車轍與疲勞數(shù)值模擬，得到不同路面結(jié)構(gòu)的車轍值及疲勞壽命數(shù)值模擬結(jié)果；

8、步驟s5，將車轍值與疲勞壽命數(shù)值模擬結(jié)果與實際工程的檢測結(jié)果進(jìn)行對照，驗證bim-fem自動化數(shù)值模擬框架的穩(wěn)定性與可靠性；

9、步驟s6，采用拉丁超立方采樣方法選擇1000組瀝青路面參數(shù)組合樣本通過b?im-fem自動化數(shù)值模擬框架模擬，計算得到車轍和疲勞壽命的結(jié)果，并結(jié)合cnn與tcn，建立預(yù)測模型cnn-tcn-attent?ion(卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-時間卷積網(wǎng)絡(luò)-注意力機制)，利用樣本結(jié)果訓(xùn)練預(yù)測模型，得到車轍和疲勞壽命與各輸入變量之間的關(guān)系；

10、步驟s7，依托基于種群進(jìn)化程度的改進(jìn)moea/d(基于多分解目標(biāo)進(jìn)化算法)優(yōu)化算法對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，采用topsis在帕累托最優(yōu)解決方案中找到最佳解決方案，確定瀝青路面結(jié)構(gòu)的最佳設(shè)計方案。

11、優(yōu)選的，所述步驟s1中，用道路數(shù)據(jù)信息，在dyanmo(基于revit的參數(shù)化設(shè)計的輔助工具)中創(chuàng)建道路線性，開發(fā)dynamo節(jié)點，建立三維參數(shù)化設(shè)計曲線，根據(jù)給定的路面結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算出每段路面的角度信息和對應(yīng)的點的位置信息，確定與放置路面結(jié)構(gòu)自適應(yīng)族位置，建立瀝青路面道路線性與路面結(jié)構(gòu)一體化bim模型。

12、優(yōu)選的，在dyanmo中創(chuàng)建道路線性，開發(fā)dynamo節(jié)點，建立三維參數(shù)化設(shè)計曲線，包括：

13、利用filepath(文件路徑)節(jié)點讀取excel表格道路中線的坐標(biāo)，該表格中包含每個控制點的x，y坐標(biāo)、設(shè)計高程和方位角；

14、開發(fā)control.centerlinebypoints(定義一條中心線)節(jié)點讀取excel的坐標(biāo)信息生成樣條曲線作為道路中線，開發(fā)control.3d?curvechainagepoint(三維曲線控制點)節(jié)點讀取道路線形的位置信息，在曲線上以固定的長度處獲取點的坐標(biāo)；

15、根據(jù)給定平面和半徑創(chuàng)建一個圓，根據(jù)圓創(chuàng)建一個曲面，計算曲面與某個對象之間的交點，創(chuàng)建用于線形控制的控制點；

16、開發(fā)control.createthickenandgetperimetercurves(獲取對象的周長曲線)節(jié)點通過對道路中線進(jìn)行平移操作，然后使用loft(創(chuàng)建一個復(fù)雜曲面的命令)操作生成一個曲面，并獲取該曲面的邊界曲線；

17、然后，在dynamo中使用python?script(一個腳本)開發(fā)control.joincurves節(jié)點將邊界曲線進(jìn)行分組，做為后續(xù)路面結(jié)構(gòu)模型建立的控制線，即三維參數(shù)化設(shè)計曲線。

18、優(yōu)選的，根據(jù)給定的路面結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立瀝青路面道路線性與路面結(jié)構(gòu)一體化bim模型，包括：

19、利用readexcel.importexcel(讀取excel文件)節(jié)點讀取excel表格中道路面層相關(guān)參數(shù)；

20、導(dǎo)入所需的庫并定義了一個函數(shù)來將列表劃分為指定大小的塊；

21、然后獲取輸入?yún)?shù)aligns(對齊)、segments(片段)和lengths(長度)；

22、接著對路面各段進(jìn)行處理，計算角度和點的位置，并將結(jié)果存儲在相應(yīng)的列表中；

23、最后將計算得到的角度和點的位置作為輸出返回生成具有詳細(xì)參數(shù)屬性的自適應(yīng)路面結(jié)構(gòu)族，通過nurbscurve(一種數(shù)學(xué)表示方法，描述3d幾何形狀)節(jié)點創(chuàng)建參數(shù)化設(shè)計線形；

24、再由polycurve(多項式曲線)在關(guān)鍵控制節(jié)點上創(chuàng)建不同結(jié)構(gòu)層的參數(shù)化橫斷面輪廓，利用solid(幾何)節(jié)點沿路徑掃掠，建立瀝青路面道路線性與路面結(jié)構(gòu)一體化bim模型。

25、優(yōu)選的，所述步驟s2包括：

26、將建立的道路結(jié)構(gòu)一體化bim模型，導(dǎo)出為.sat文件；

27、將幾何屬性、材料屬性、環(huán)境因素和荷載條件數(shù)據(jù)記錄在.txt文件中；

28、將.sat文件導(dǎo)入hypermesh(有限元分析軟件中的一款預(yù)處理工具)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分別基于幾何特征定義網(wǎng)格形狀的網(wǎng)格大小標(biāo)準(zhǔn)和控制標(biāo)準(zhǔn)，對精細(xì)網(wǎng)格生成與檢查得到網(wǎng)格模型，即bim-fem自動化數(shù)值模擬框架，并以.inp文件形式導(dǎo)出。

29、優(yōu)選的，所述步驟s3中，建立車轍與疲勞數(shù)值模擬自動預(yù)處理流程，包括：

30、將bim-fem自動化數(shù)值模擬框架導(dǎo)入至abaqus(一款基于有限元分析法的通用有限元分析軟件)有限元軟件中，利用python(一種編程語言)語言對包含幾何信息、材料屬性、邊界定義的.inp進(jìn)行自動編碼；

31、利用fortran(一種編程語言)語言定義外界隨時間變化的溫度、熱流，用來模擬在外界環(huán)境下的道路結(jié)構(gòu)溫度場；

32、修改初始.inp文件，添加初始條件以導(dǎo)入對應(yīng)的溫度場，并建立彈性分析步和蠕變分析步，分析步總時間設(shè)為荷載累積作用時間，進(jìn)行輪胎接地荷載的施加，模擬路面200萬次標(biāo)準(zhǔn)軸次后的路面車轍。

33、優(yōu)選的，所述步驟s4中，重新導(dǎo)入bim-fem自動化數(shù)值模擬框架.inp文件，定義材料粘彈性屬性，選擇靜態(tài)分析的形式，施加荷載，輸出應(yīng)力強度因子，通過應(yīng)力壽命法計算得到不同路面結(jié)構(gòu)的車轍值及疲勞壽命數(shù)值模擬結(jié)果。

34、優(yōu)選的，所述步驟s6包括：

35、采用拉丁超立方采樣方法選擇1000組瀝青路面參數(shù)組合樣本作為bim-fem自動化數(shù)值模擬框架的輸入?yún)?shù)，提取abaqus計算odb(溫度場計算結(jié)果)文件的結(jié)果，得到1000組車轍和疲勞壽命的結(jié)果作為輸出參數(shù)；

36、結(jié)合cnn與tcn，并引入注意力機制，建立預(yù)測模型cnn-tcn-attention，通過訓(xùn)練集與測試集數(shù)據(jù)記性對比，得到車轍和疲勞壽命與各輸入變量之間的關(guān)系；其中，80％的樣本設(shè)置為模型訓(xùn)練過程中的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，而剩下的20％作為測試數(shù)據(jù)集。

37、優(yōu)選的，所述步驟s6中，預(yù)測模型cnn-tcn-attention包括：6個卷積層、6個池化層、1個全連接層、2個tcn層和1個注意力層，其中，卷積層的卷積核數(shù)量依次為16、32、32、64、64和64，池化層的區(qū)域大小設(shè)為2×1，預(yù)測模型的dropout比例設(shè)置為0.25，學(xué)習(xí)率為0.008，訓(xùn)練輪數(shù)為1000次；

38、并通過均方根誤差rmse、平均絕對誤差mae和擬合優(yōu)度r2作為預(yù)測模型的評估指標(biāo)，r2表示模型的特征與預(yù)測目標(biāo)之間的相關(guān)性，評價指標(biāo)的計算公式如下：

39、

40、式中，n為樣本數(shù)據(jù)集的總數(shù)，和分別代表預(yù)測模型的預(yù)測值和實際觀測值，和分別代表平均預(yù)測值和平均實際值。

41、優(yōu)選的，所述步驟s7包括：

42、步驟s71，對moea/d優(yōu)化算法中的選擇鄰域和替換領(lǐng)域進(jìn)行改進(jìn)，提出基于子問題的擁擠程度動態(tài)調(diào)整領(lǐng)域機制，得到基于種群進(jìn)化程度的改進(jìn)moea/d優(yōu)化算法，進(jìn)而對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化；

43、步驟s72，通過預(yù)測模型cnn-tcn-attention回歸預(yù)測擬合出車轍和疲勞壽命與路面面層結(jié)構(gòu)材料特性之間的關(guān)系，引入訓(xùn)練好的回歸函數(shù)作為優(yōu)化的適應(yīng)度函數(shù)；

44、步驟s73，采用topsis(優(yōu)劣解距離法)在帕累托最優(yōu)解決方案中找到最佳解決方案，得到瀝青路面最佳結(jié)構(gòu)。

45、本發(fā)明的有益效果是：

46、1)本發(fā)明基于dynamo可視化編程技術(shù)，開發(fā)出節(jié)點封裝程序，高效精確地建立了道路線性與結(jié)構(gòu)一體化三維bim模型，利用路面線性信息，如樁號坐標(biāo)，路面結(jié)構(gòu)層信息，如幾何尺寸，并通過參數(shù)化坐標(biāo)，建立了可快速完成更新的道路工程bim模型，為道路工程的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化提供了高效率的方法，為進(jìn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析提供了方法基礎(chǔ)；

47、2)本發(fā)明提出了針對道路工程瀝青路面的bim-fem自動話數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)換及數(shù)值模擬預(yù)處理流程，依靠tcl腳本語言，開發(fā)了hypermesh軟件，用于為bim道路模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，提供滿足數(shù)值模擬計算要求的網(wǎng)格模型，確保模型的保真度以及框架的可行性；此外，基于python腳本與和fortran語言編寫了連續(xù)變溫條件下瀝青路面車轍數(shù)值模擬的預(yù)處理流程，從而可以計算在真實地外界環(huán)境溫度下和荷載條件下，瀝青路面的車轍變形情況，提高了數(shù)值模擬在道路工程領(lǐng)域的可靠性與自動化水平；

48、3)本發(fā)明中bim-fem自動化數(shù)值模擬框架可將大型道路工程的建模與仿真控制在一個小時之內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的建模時間，且通過框架對路面結(jié)構(gòu)與車轍變形結(jié)果之間影響的研究，可為瀝青路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與路用性能提升提供一定的理論參考；

49、4)本發(fā)明通過結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與時間卷積網(wǎng)絡(luò)，并引入注意力機制建立多目標(biāo)預(yù)測模型，依靠bim-fem自動化數(shù)值模擬框架計算得到大量數(shù)據(jù)集，依靠訓(xùn)練集測試集對模型進(jìn)行訓(xùn)練，基于種群進(jìn)化程度的改進(jìn)moea/d優(yōu)化算法對預(yù)測模型的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，選擇最佳的瀝青路面設(shè)計方案，可顯著提高瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學(xué)性，精確性和經(jīng)濟性，可以極大的延長瀝青道面的使用壽命，降低了設(shè)計成本，為道路工程智能化轉(zhuǎn)型提供了重要技術(shù)支持。