شماره ركورد
34755
پديد آورنده
سيد توحيد آقاداود جلفائي
عنوان
تشخيص و شناسايي ترك در سازه هاي بتني با استفاده از الگوريتم هاي يادگيري ماشين و پردازش تصوير
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي عمران
سال تحصيل
1404
تاريخ دفاع
1404/10/03
استاد راهنما
دكتر غلامرضا قدرتي اميري
استاد مشاور
دكتر مريم بيطرف
دانشكده
دانشكده عمران
چكيده
اطمينان از يكپارچگي سازهاي زيرساختهاي عمراني بهمنظور كاهش خسارات اقتصادي و حفظ جان انسانها در برابر مخاطرات طبيعي نظير زلزله، از اهميت اساسي برخوردار است. در ميان شاخصهاي مختلف تخريب سازه، تركها در اعضاي بتني بهعنوان بارزترين و مهمترين نمودهاي آسيب شناخته ميشوند؛ ازاينرو، تشخيص دقيق و ارزيابي كمي آنها نقش كليدي در پايش سلامت سازهاي ايفا ميكند.
در اين پژوهش، يك چارچوب هوشمند مبتني بر يادگيري عميق بهمنظور تشخيص، بخشبندي و تحليل هندسي خودكار تركها در سطوح بتني توسعه داده شد. در مرحله نخست، شش معماري پيشرفته بخشبندي شامل EfficientCrackNet، MSP U-Net، CPCDNet، PCTC-Net، Segment Any Crack (SAC) و DeepLabV3+ بهصورت مقايسهاي ارزيابي شدند. نتايج نشان داد كه DeepLabV3+ عملكرد برتري ارائه ميدهد و بهعنوان چارچوب پايه براي بهينهسازيهاي بعدي انتخاب شد.
در مرحله دوم، بهمنظور تعيين استخراجكننده ويژگي بهينه، شش شبكه پشتيبان شامل ResNet-50، ResNet-101، MobileNetV2، GoogleNet، AlexNet و VGG16 مورد بررسي قرار گرفتند. در اين ميان، شبكه ResNet-101 بهترين عملكرد كلي را با دستيابي به دقت 98٫28٪ و خطاي آزمون 0٫0426 نشان داد و از نظر پايداري آموزش و همگرايي نسبت به ساير پيكربنديها برتري داشت.
مدل پيشنهادي با بهرهگيري از يادگيري انتقالي و استفاده از وزنهاي پيشآموزشدادهشده بر روي مجموعهداده COCO، براي طبقهبندي دودويي (ترك/غيرترك) آموزش داده شد. بدين منظور، مجموعهدادهاي شامل 20٬000 جفت تصوير و ماسك تهيه و به زيرمجموعههاي آموزش (14٬000)، اعتبارسنجي (3٬000) و آزمون (3٬000) تقسيم شد. بهمنظور افزايش دقت تفكيك، از پسپردازش مبتني بر آستانهگذاري تطبيقي استفاده شد تا خروجي شبكه به نقشههاي دودويي دقيق ترك تبديل شود.
در ادامه، براي استخراج ويژگيهاي هندسي ترك، مجموعهاي از تكنيكهاي پيشرفته پردازش تصوير بهكار گرفته شد. طول ترك با استفاده از رويكرد تركيبي شامل اسكلتبندي، بهينهسازي مسير ژئودزيك و درونيابي مكعبي B-Spline محاسبه گرديد كه دقت 95٫5٪ حاصل شد. عرض ترك با تركيب تبديل فاصله، برآورد زيرپيكسلي و رگرسيون فرايند گاوسي اندازهگيري شد و به دقت ميانگين 96٫02٪ و حداكثر 95٫97٪ دست يافت. شيب تغييرات عرض ترك از طريق مشتقگيري فضايي و برازش چندجملهاي استخراج شد و عمق ترك نيز بر پايه همبستگيهاي تجربي و اصول مكانيك شكست خطي الاستيك تخمين زده شد. در نهايت، تركها در پنج سطح شدت شامل ناچيز، كم، متوسط، بالا و بسيار بالا طبقهبندي شدند كه دقت كلي اين مرحله 95٫33٪ بهدست آمد.
ادغام استخراج ويژگي چندمقياسه با تحليل هندسي دقيق، چارچوبي كارآمد و قابلاعتماد براي كاربردهاي پايش سلامت سازه فراهم ميكند. نتايج اين پژوهش نشان ميدهد كه تركيب يادگيري عميق با الگوريتمهاي پيشرفته پردازش تصوير ميتواند جايگزيني دقيق، پايدار و مقرونبهصرفه براي روشهاي سنتي بازرسي دستي در مهندسي عمران ارائه دهد.
تاريخ ورود اطلاعات
1405/02/07
عنوان به انگليسي
Crack Detection and Identification in Concrete Structures Using Machine Learning Algorithms and Image Processing
تاريخ بهره برداري
12/24/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
سيدتوحيد اقاداودجلفائي
چكيده به لاتين
Ensuring the structural integrity of civil infrastructure is essential for reducing economic losses and safeguarding human lives against natural hazards such as earthquakes. Among various indicators of structural deterioration, cracks in concrete members are recognized as the most prominent manifestations of damage. Therefore, accurate detection and quantitative evaluation of cracks play a critical role in structural health monitoring (SHM).
In this study, an intelligent deep learning–based framework was developed for automatic crack detection, segmentation, and geometric analysis on concrete surfaces. In the first stage, six advanced segmentation architectures, including EfficientCrackNet, MSP U-Net, CPCDNet, PCTC-Net, Segment Any Crack (SAC), and DeepLabV3+, were comparatively evaluated. The results indicated that DeepLabV3+ achieved superior performance and was therefore selected as the base framework for further optimization.
In the second stage, six backbone networks—ResNet-50, ResNet-101, MobileNetV2, GoogleNet, AlexNet, and VGG16—were investigated to determine the optimal feature extractor. Among them, ResNet-101 demonstrated the best overall performance, achieving an accuracy of 98.28% and a test error of 0.0426, outperforming other configurations in terms of training stability and convergence behavior.
The proposed model was trained using transfer learning with pre-trained weights from the COCO dataset for binary classification (crack/non-crack). A dataset consisting of 20,000 image–mask pairs was prepared and divided into training (14,000), validation (3,000), and testing (3,000) subsets. Adaptive thresholding was applied as a post-processing step to convert network outputs into precise binary crack maps.
For geometric feature extraction, several advanced image processing techniques were employed. Crack length was computed using a hybrid approach incorporating skeletonization, geodesic path optimization, and cubic B-spline interpolation, achieving an accuracy of 95.5%. Crack width was measured through a combination of distance transform, sub-pixel estimation, and Gaussian process regression, reaching mean and maximum accuracies of 96.02% and 95.97%, respectively. The slope of crack width variation was obtained via spatial differentiation and polynomial fitting, while crack depth was estimated based on empirical correlations and linear elastic fracture mechanics principles. Finally, cracks were classified into five severity levels—negligible, low, moderate, high, and very high—with an overall accuracy of 95.33%.
The integration of multi-scale feature extraction with precise geometric analysis provides a robust and efficient tool for structural health monitoring applications. The findings confirm that combining deep learning with advanced image processing algorithms can offer a reliable, accurate, and cost-effective alternative to traditional manual inspection methods in civil engineering.
كليدواژه هاي فارسي
بخشبندي ترك , ارزيابي آسيب بتن , يادگيري انتقالي , پايش سلامت سازه , يادگيري عميق
كليدواژه هاي لاتين
Crack Segmentation , Concrete Damage Assessment , Transfer Learning , Structural Health Monitoring (SHM) , Deep Learning
Author
Seyed Tohid Aghadavood Jolfaie
SuperVisor
Dr. Gholamreza Ghodrati Amiri