评估视觉人工智能测量不确定性对贝叶斯结构耐久性评估的影响

《RELIABILITY ENGINEERING & SYSTEM SAFETY》：Evaluating the effects of visual AI measurement uncertainty on Bayesian structural durability assessment

　　

摘要

尽管基于深度学习的视觉检测模型在钢筋混凝土（RC）耐久性评估中的自动化裂缝宽度测量方面日益普及，但其测量误差对概率结构评估的下游影响仍未被量化。本研究将AI测量不确定性作为软证据纳入动态贝叶斯网络（DBN）。为克服传统高斯观测模型的局限性，引入了一种稳健的非参数方法（核密度估计，KDE）用于软证据建模。通过84张留出掩码参考裂缝图像，对三种深度学习模型——全卷积网络（FCN）、UNet和注意力增强ResNet50-UNet（Att-ResUNet）的偏斜且重尾裂缝宽度误差进行表征，基于四分位距（IQR）的稳健KDE大幅减少了人为概率泄漏，并根据不同架构，将发射矩阵的对角优势度提高了37-158%。当通过由610个加权样本表示的随机退化模型和DBN进行传播时，这些测量误差模型表明Att-ResUNet与理想观测基准的后验一致性最高。在参数化发射假设下，FCN在10%的场景中产生负信息增益。解析推导了一个关键精度阈值（σ_r ≈ 0.3，对应本文动态节点分箱离散化），以界定有益与有害检测区间之间的边界，为AI在结构健康监测中的应用提供了针对特定配置的精度准则。

章节片段

符号表

符号	定义/作用	约定
ec	控制暴露模型中全球变暖趋势的气候特征值	静态参数
$C_s$	表面氯离子含量	静态参数
$D_{c,\text{ref}}$	参考氯离子扩散系数	静态参数
$d_c$	混凝土保护层厚度	静态参数
$C_{\text{cr}}$	锈蚀起始的临界氯离子阈值	静态参数
$R_{c0}$	初始混凝土电阻率参数	静态参数
$C_{2d}\left(t\right)$	时间切片 $t$ 处的氯离子含量状态	时间切片状态节点
$I_{2d}\left(t\right)$	腐蚀	时间切片状态节点

深度学习裂缝检测与度量失配

语义分割领域的持续进步大幅扩展了自动化裂缝检测的能力。全卷积网络（FCN）[18]、带有跳跃连接的编码器-解码器框架（UNet）[19]以及结合通道-空间注意力的注意力增强变体[20,21]，逐步将像素级F1分数从FCN类架构的约0.82-0.88提升至现代注意力增强模型的0.95-0.98[22]。最近，基于状态空间模型的方法

所提出的CV-DBN框架

本节提出了一种混合框架，通过软证据接口将CV裂缝量化流程与基于物理的DBN耦合，将AI测量不确定性转化为似然向量[50]。

示例说明：实验设计

因子实验设计评估了操作参数的全面组合。转移CPT的构建遵循第3.2节中所述的GLP-PSS直方图分箱程序，而观测CPT由第3.4节中详述的发射矩阵定义。在推理阶段，针对每个场景执行完整的正向-反向平滑协议，以计算后验边际分布。为优化计算效率，这些

软证据构建的实证评估：高斯与非参数KDE

如第3.3.2节所述，所有评估的AI模型均表现出非高斯误差分布，且具有依赖于架构的偏差、离散度和尾部行为。这些连续误差分布若以参数化方式建模，会系统性地扭曲离散软证据似然向量的构建。为评估发射矩阵形式化的影响，表6量化了经典高斯假设与所提出的非参数KDE之间的结构差异

有害检测的治理机制

结果揭示了一条连接发射矩阵结构与推理质量的单一因果链。有害检测由观测模型的两个耦合缺陷驱动：系统偏差（|μ_r| ? 0），使似然向量 Λ 偏离真实状态；以及较大离散度（σ_r ? 0），使 Λ 趋于均匀化，从而削弱发射矩阵的对角优势度（第5.1节）。在高斯假设下，两种基准检测器均受到这两个缺陷的影响，

方法学验证与边界情况验证

为评估集成CV-DBN信息管道的合理性与正确性，通过三项互补检查对框架进行了验证，分别关注概率闭合、参考案例一致性和极限行为。

• (1)
  发射矩阵被要求满足行随机概率闭合，反射KDE构建被检查以确保在由相对误差空间中 r = -1 表示的非负预测宽度边界处保持概率质量。该

结论

本研究建立了一个信息论框架，用于系统量化视觉AI测量不确定性对贝叶斯结构耐久性评估的下游影响。通过将AI特定误差分布作为软证据注入动态贝叶斯网络，在裂缝宽度观测接口处采用本文的动态节点分箱离散化和 n_w=18，并结合二维氯离子传输和时间变化环境作用，得出以下主要

CRediT作者贡献声明

郭宏元：撰写——初稿、方法论、调查、形式分析、概念化。王杰辉：撰写——审阅与编辑、验证、方法论、调查、概念化。陈子阳：验证、调查、数据整理。董友：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、概念化。戴建国：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、方法论、概念化。

郭宏元|王杰辉|陈子阳|董友|戴建国