Η μέθοδος υβριδικής μηχανικής εκμάθησης ενισχύει την ανάλυση της τομογραφίας ηλεκτρικής αντίστασης

Η τομογραφία ηλεκτρικής σύνθετης αντίστασης (EIT) είναι μια μη καταστροφική τεχνική απεικόνισης που χρησιμοποιείται για την οπτικοποίηση του εσωτερικού των υλικών. Σε αυτή τη μέθοδο, ένα ηλεκτρικό ρεύμα εγχέεται μεταξύ δύο ηλεκτροδίων, δημιουργώντας ένα ηλεκτρικό πεδίο και άλλα ηλεκτρόδια μετρούν τις παραμορφώσεις που προκαλούνται από την παρουσία ξένων αντικειμένων μέσα στο υλικό.

Σε σύγκριση με άλλες μεθόδους απεικόνισης, όπως η ακτινογραφία, η αξονική τομογραφία και η μαγνητική τομογραφία, το EIT έχει τα πλεονεκτήματα του χαμηλού κόστους και λιγότερο επαχθές καθώς δεν απαιτεί μεγάλους μαγνήτες ή ακτινοβολία. Ως εκ τούτου, έχει μεγάλες δυνατότητες ως μη καταστροφική μέθοδος παρακολούθησης της δομικής υγείας για περίπλοκα και πολύπλοκα δομικά υλικά με βάση το τσιμέντο.

Η πρόκληση με το EIT, ωστόσο, έγκειται στην ακριβή ανασύνθεση των πληροφοριών που λαμβάνονται ως εικόνες. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται συνήθως αλγόριθμοι όπως Gauss-Newton ενός βήματος, μέθοδος αρχέγονου διπλού εσωτερικού σημείου και επαναληπτικό Gauss-Newton (IGN). Ωστόσο, λόγω της φύσης του ΕΙΤ, οι λύσεις που λαμβάνονται με τις παραπάνω μαθηματικές μεθόδους περιέχουν ορισμένες ανακρίβειες.

Πρόσφατα, για να ξεπεραστεί αυτό το ζήτημα, χρησιμοποιήθηκαν αλγόριθμοι μηχανικής μάθησης, όπως τα μονοδιάστατα συνελικτικά νευρωνικά δίκτυα (1D-CNN). Ωστόσο, η αδυναμία αυτών των αλγορίθμων έγκειται στον χειρισμό δεδομένων που δεν είχαν δει προηγουμένως, γεγονός που μειώνει την αποτελεσματικότητά τους.

Για την αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων, ο αναπληρωτής καθηγητής Takashi Ikuno από το Πανεπιστήμιο Επιστημών του Τόκιο (TUS), μαζί με τους συνεργάτες του, Keiya Minakawa, Keigo Ohta και Hiroaki Komatsu από το TUS και ο αναπληρωτής καθηγητής Tomoko Fukuyama από το Πανεπιστήμιο Ritsumeikan, όλοι από την Ιαπωνία, έχουν τώρα ανέπτυξε μια νέα υβριδική προσέγγιση EIT, που ονομάζεται AND, η οποία συνδυάζει τα οφέλη του IGN και του 1D-CNN.

Όταν η αναλογία επιφάνειας διατομής του ξένου σώματος προς το δείγμα ήταν 5×10^-4 (πολύ μικρό ξένο σώμα), η παρούσα προσέγγιση μείωσε το σφάλμα μεγέθους σε λιγότερο από το 1/6 του εκείνου της συμβατικής μεθόδου EIT. Τα ευρήματά τους ήταν δημοσίευσε στο περιοδικό Προκαταβολές AIP στις 12 Ιανουαρίου 2024.

“Από την προοπτική της πρόληψης καταστροφών, η ανάλυση φθοράς των υφιστάμενων κατασκευών που κατασκευάστηκαν κατά την περίοδο υψηλής οικονομικής ανάπτυξης είναι σημαντική. Η νέα μας μέθοδος μπορεί να βελτιώσει την εφαρμογή του EIT ως μη καταστροφικής μεθόδου δοκιμών και να συμβάλει στην αποφυγή καταρρεύσεων κτιρίων”, λέει ο Ikuno .

Η καινοτόμος μέθοδος AND εκτελεί 2D λογικές λειτουργίες σε πολλαπλές εικόνες που λαμβάνονται από το EIT για τον εντοπισμό μικρών ξένων αντικειμένων μέσα σε υλικά. Στη μελέτη τους, η ομάδα δοκίμασε τη μέθοδο AND σε πραγματικά δείγματα τσιμέντου χρησιμοποιώντας τόσο την προσομοίωση όσο και πειραματικά δεδομένασυγκρίνοντας την απόδοσή του με αυτή των μεθόδων IGN και 1D-CNN και στα δύο σενάρια.

Όταν χρησιμοποιούσαν δεδομένα προσομοίωσης, διαπίστωσαν ότι η μέθοδος IGN οδήγησε σε μεγάλα σφάλματα στις ανακατασκευασμένες εικόνες καθώς μειώθηκε το μέγεθος των ξένων αντικειμένων. Αντίθετα, η μέθοδος AND ανακατασκεύασε τη θέση και το μέγεθος των ξένων αντικειμένων με μεγαλύτερη ακρίβεια από το IGN και το 1D-CNN.

Επιπλέον, με πειραματικά δεδομένα, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τόσο η προτεινόμενη μέθοδος AND όσο και η μέθοδος 1D-CNN ήταν πιο ακριβείς από το IGN. Επιπλέον, εντόπισαν επίσης μια άλλη μέθοδο για τη βελτίωση της ακρίβειας του EIT.

Ο Δρ. Ikuno εξηγεί, “Μια προσέγγιση για τη βελτίωση του EIT είναι να αλλάξει το τρέχον πρότυπο έγχυσης. Με την αλλαγή της χωρικής κατανομής του ηλεκτρικό πεδίο και συνδυάζοντας την παρούσα προσέγγιση με άλλες τεχνικές NDE, η ανάλυση για την ανίχνευση του μεγέθους και της θέσης των ξένων σωματιδίων μπορεί να βελτιωθεί.” Αυτό είναι το επίκεντρο της μελλοντικής τους έρευνας.

“Η προτεινόμενη μέθοδος ανακατασκευής EIT, αν και είναι κατώτερη από άλλες NDE ως προς την ανάλυση, έχει πλεονεκτήματα όσον αφορά το μέγεθος και το κόστος του εξοπλισμού. Μπορεί να οδηγήσει σε βελτιωμένη ανίχνευση μη καταστροφικών ξένων αντικειμένων, επιτρέποντας ευκολότερη και πιο τακτική αξιολόγηση της υγείας του κτιρίου.

“Θα μπορούσε επίσης να αναπτυχθεί για γρήγορο έλεγχο ασφαλείας μετά από σεισμό ή έκρηξη. Επιπλέον, αναμένεται να είναι εύκολο να εκπαιδεύονται οι επιθεωρητές και το προσωπικό να χρησιμοποιούν αυτήν την τεχνολογία”, καταλήγει ο Δρ. Ikuno.

Συνολικά, αυτά τα ευρήματα σηματοδοτούν ένα σημαντικό βήμα προόδου στην τεχνολογία EIT, η οποία θα μπορούσε να γίνει μια σημαντική τεχνική ανίχνευσης για την πρόληψη της κατάρρευσης κτιρίου στο μέλλον.