Mechanics-Informed Autoencoder Enables Automated Detection and Localization of Unforeseen Structural Damage

要約

構造健全性モニタリング (SHM) は、建物や橋などの構造物の安全性と寿命を確保するために不可欠です。
構造物の量と規模、およびその故障の影響が増大し続けるにつれて、拡張可能で安価で、人間の介入なしで受動的に動作し、複雑なベースライン モデルを必要とせずに機械構造ごとにカスタマイズできる SHM 技術が切実に必要とされています。
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構造物の損傷を自動検出して位置特定するための、新しい「展開して忘れる」アプローチを紹介します。
これは、安価なセンサーと機構に基づいたオートエンコーダーによる完全にパッシブな測定の相乗的な組み合わせに基づいています。
導入後、当社のソリューションは、損傷を受けていない状態の応答特性から学習し、各構造のオーダーメイドのベースライン モデルを継続的に学習して適応させます。
わずか 3 時間のデータから学習した後、さまざまな種類の予期せぬ損害を自律的に検出し、位置を特定できます。
数値シミュレーションと実験の結果は、機械的特性を変分オートエンコーダに組み込むことで、標準のオートエンコーダよりも最大 35\% 早期に損傷を検出し、位置を特定できることを示しています。
私たちのアプローチは、人間の介入と検査のコストを大幅に削減し、予防的かつ予防的なメンテナンス戦略を可能にし、それによって民間インフラの寿命、信頼性、持続可能性を延長するという大きな可能性を秘めています。

要約(オリジナル)

Structural health monitoring (SHM) is vital for ensuring the safety and longevity of structures like buildings and bridges. As the volume and scale of structures and the impact of their failure continue to grow, there is a dire need for SHM techniques that are scalable, inexpensive, operate passively without human intervention, and customized for each mechanical structure without the need for complex baseline models. We present a novel ‘deploy-and-forget’ approach for automated detection and localization of damages in structures. It is based on a synergistic combination of fully passive measurements from inexpensive sensors and a mechanics-informed autoencoder. Once deployed, our solution continuously learns and adapts a bespoke baseline model for each structure, learning from its undamaged state’s response characteristics. After learning from just 3 hours of data, it can autonomously detect and localize different types of unforeseen damage. Results from numerical simulations and experiments indicate that incorporating the mechanical characteristics into the variational autoencoder allows for up to 35\% earlier detection and localization of damage over a standard autoencoder. Our approach holds substantial promise for a significant reduction in human intervention and inspection costs and enables proactive and preventive maintenance strategies, thus extending the lifespan, reliability, and sustainability of civil infrastructures.

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