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Recentemente, un team di ricerca dell'Università di Tongji ha compiuto importanti progressi nel rilevamento delle strutture di rivestimento in calcestruzzo sotterranee, affidandosi alla telecamera iperspettrale FigSpec FS-27 sviluppata da Hangzhou CHNSpec Technology, il team ha costruito con successo una tecnologia di rilevamento non distruttivo che integra imaging iperspettrale (HSI) e reti neurali profonde (DNN). Questa tecnologia consente il monitoraggio automatizzato e ad alta precisione e la visualizzazione dei difetti della resistenza alla compressione dei rivestimenti dei tunnel sotterranei. I risultati correlati sono stati accettati per la pubblicazione dalla rivista internazionale di punta Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering (rivista SCIE Q1 Top).
I punti critici nel rilevamento dell'ingegneria sotterranea evidenziano la necessità di innovazione nei metodi tradizionali
Con l'accelerazione dell'urbanizzazione, le infrastrutture sotterranee come i tunnel della metropolitana e i passaggi fluviali continuano ad espandersi. Essendo la struttura protettiva principale nell'ingegneria sotterranea, la resistenza alla compressione dei rivestimenti in calcestruzzo influisce direttamente sull'integrità strutturale e sulla sicurezza operativa. Tuttavia, l'ambiente sotterraneo è chiuso e complesso e i metodi di rilevamento tradizionali affrontano molte limitazioni: i metodi distruttivi come il campionamento del nucleo e i test di estrazione danneggiano la struttura e richiedono tempo e manodopera; le tecnologie non distruttive convenzionali come gli ultrasuoni e i martelli di rimbalzo mancano di sufficiente accuratezza e non possono ottenere la visualizzazione spaziale della distribuzione della resistenza, rendendo difficile l'identificazione precisa di difetti locali come crepe, sfaldamenti e infiltrazioni.
I dati operativi dei tunnel fluviali come la linea 12 della metropolitana di Shanghai e la linea 8 della metropolitana di Qingdao mostrano che l'erosione a lungo termine delle acque sotterranee e lo stress geologico possono facilmente portare al degrado della resistenza del rivestimento. Senza un monitoraggio tempestivo e accurato, possono verificarsi rischi strutturali. Pertanto, lo sviluppo di una tecnologia di rilevamento non a contatto, automatizzata e ad alta precisione è diventato un'esigenza urgente per la manutenzione dell'ingegneria sotterranea.
La telecamera iperspettrale CHNSpec fornisce l'abilitazione principale, ottenendo tre innovazioni tecniche
La telecamera iperspettrale CHNSpec FigSpec FS-27 selezionata dal team di ricerca è diventata il supporto hardware chiave dietro questa svolta tecnologica. La telecamera è dotata di un sensore InGaAs in grado di catturare 1024 bande spettrali consecutive nell'intervallo spettrale del vicino infrarosso 900–1700 nm, raggiungendo una risoluzione spettrale di 6,5 nm. Può catturare con precisione sottili differenze di caratteristiche spettrali sulla superficie del calcestruzzo, fornendo abbondanti informazioni fisico-chimiche per la valutazione della resistenza. In combinazione con sorgenti luminose alogene e un pannello di calibrazione della riflettanza standard, il dispositivo può ancora ottenere stabilmente immagini spettrali ad alta definizione 1280×1280 in ambienti di tunnel oscuri e complessi, soddisfacendo i severi requisiti del rilevamento in loco.
Sulla base dei dati spettrali ad alta dimensione ottenuti dalla telecamera, il team ha sviluppato in modo innovativo due modelli di regressione DNN. Tra questi, il regressor neurale profondo a spettro segmentato (SegS_DNR) ha ottenuto le migliori prestazioni: attraverso la fusione delle caratteristiche spazio-spettrali utilizzando una finestra di pixel 5×5, il modello ha raggiunto un coefficiente di determinazione del set di test (Rp²) di 0,925 e una deviazione predittiva residua (RPD) di 5,28, superando di gran lunga i modelli di regressione ai minimi quadrati parziali (PLSR) e di foresta casuale (RFR) tradizionali. Nel frattempo, ha generato mappe di calore della distribuzione della resistenza alla compressione 2D che presentano visivamente le differenze di resistenza tra le diverse regioni di rivestimento, raggiungendo i duplici obiettivi di "rilevamento quantitativo + presentazione visiva".
Nella verifica in loco condotta nel tunnel del fiume Huangpu della linea 12 della metropolitana di Shanghai, la tecnologia non solo ha misurato con precisione la resistenza alla compressione delle sezioni normali (in media circa 47,6 MPa), ma ha anche identificato chiaramente le caratteristiche di degrado della resistenza nelle aree con crepe, sfaldamenti e infiltrazioni: la resistenza della regione difettosa è scesa in media a 33–37 MPa, altamente coerente con i risultati effettivi del rilevamento ingegneristico, con un'accuratezza di riconoscimento paragonabile a quella degli ingegneri senior.
Abilitare la manutenzione intelligente e guidare un nuovo paradigma nel rilevamento dell'ingegneria sotterranea
In questa svolta tecnologica, i vantaggi di elevata stabilità e alta risoluzione spettrale della telecamera iperspettrale CHNSpec FigSpec FS-27 sono stati pienamente convalidati. La sua applicazione collaborativa con algoritmi di deep learning ha completamente trasformato il modello di rilevamento tradizionale per le strutture di rivestimento sotterranee. La tecnologia non richiede alcun contatto con la superficie della struttura, può completare rapidamente il rilevamento di scansione su larga area e le mappe di distribuzione della resistenza generate possono supportare direttamente il processo decisionale di manutenzione, migliorando significativamente la natura scientifica e l'efficienza della gestione del ciclo di vita dell'ingegneria sotterranea.
Al momento, la tecnologia ha completato le applicazioni pilota in progetti di ingegneria sotterranea in condizioni geologiche complesse come tunnel fluviali e sottomarini. In futuro, potrebbe essere integrata con l'ispezione robotica, l'IoT (Internet of Things) e le tecnologie BIM (Building Information Modeling) per costruire un sistema di monitoraggio intelligente per le infrastrutture sotterranee. Secondo il portavoce di CHNSpec, l'azienda continuerà a ottimizzare l'adattabilità ingegneristica delle apparecchiature di imaging iperspettrale e a fornire soluzioni tecniche più mirate per le esigenze di test non distruttivi nei settori dei trasporti, dell'ingegneria civile, della geologia e in altri campi.
L'implementazione di questo risultato di ricerca non solo fornisce un nuovo percorso tecnico per la garanzia della sicurezza dell'ingegneria sotterranea, ma dimostra anche la competitività principale delle apparecchiature iperspettrali di produzione nazionale nelle applicazioni di ricerca e ingegneria di fascia alta, iniettando nuovo slancio nel funzionamento sicuro e sostenibile delle infrastrutture sotterranee cinesi.
FS-27 è una telecamera iperspettrale per imaging nel vicino infrarosso a onde corte della serie FigSpec® FS2X. Adotta la tecnologia di separazione spettrale a reticolo di trasmissione e presenta alta risoluzione ed elevata stabilità, rendendola adatta per l'analisi professionale di imaging spettrale in diversi campi.
Caratteristiche principali del prodotto:
Prestazioni spettrali eccellenti: copre l'intervallo del vicino infrarosso a onde corte 900–1700 nm, con una risoluzione della lunghezza d'onda migliore di 6 nm e supporta 1024 canali spettrali. Qualità di imaging affidabile: la risoluzione dell'immagine raggiunge 1280×1280, la gamma dinamica è di 12 bit, SNR è 600:1 e il livello di luce diffusa è solo 0,5%. Funzionamento comodo ed efficiente: la telecamera di imaging a scansione integrata e la telecamera di visualizzazione ausiliaria possono monitorare l'area di ripresa in tempo reale; supporta più funzioni ROI regionali; la velocità di imaging è di 10 secondi per scansione.
