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Kürzlich hat ein Forschungsteam der Tongji-Universität wichtige Fortschritte bei der Detektion von unterirdischen Betonbauwerken erzielt – basierend auf der von Hangzhou CHNSpec Technology entwickelten Hyperspektralkamera FigSpec FS-27. Das Team baute erfolgreich eine zerstörungsfreie Detektionstechnologie auf, die Hyperspektralbildgebung (HSI) und tiefe neuronale Netze (DNN) integriert. Diese Technologie ermöglicht eine automatisierte, hochpräzise Überwachung und Defektvisualisierung der Druckfestigkeit von unterirdischen Tunnelverkleidungen. Die zugehörigen Ergebnisse wurden zur Veröffentlichung in der internationalen Top-Zeitschrift Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering (SCIE Q1 Top-Zeitschrift) angenommen.
Schwachstellen in der unterirdischen Bauwerksdetektion unterstreichen den Bedarf an Innovation in traditionellen Methoden
Mit der Beschleunigung der Urbanisierung nehmen unterirdische Infrastrukturen wie U-Bahntunnel und Flussquerungen weiter zu. Als Kernschutzstruktur im unterirdischen Bauwesen beeinflusst die Druckfestigkeit von Betonverkleidungen direkt die strukturelle Integrität und die Betriebssicherheit. Die unterirdische Umgebung ist jedoch geschlossen und komplex, und traditionelle Detektionsmethoden stoßen auf viele Einschränkungen: Zerstörende Methoden wie Kernbohrungen und Auszugstests beschädigen die Struktur und sind zeitaufwändig und arbeitsintensiv; herkömmliche zerstörungsfreie Technologien wie Ultraschall und Rückprallhammer mangeln an ausreichender Genauigkeit und können keine räumliche Visualisierung der Festigkeitsverteilung erreichen, was die präzise Identifizierung lokaler Defekte wie Risse, Abplatzungen und Wassereintritt erschwert.
Betriebsdaten von Flussquerungstunneln wie der Shanghai Metro Line 12 und der Qingdao Metro Line 8 zeigen, dass langfristige Grundwassererosion und geologische Belastungen leicht zu einer Festigkeitsminderung der Verkleidung führen können. Ohne rechtzeitige und genaue Überwachung können strukturelle Risiken auftreten. Daher ist die Entwicklung einer kontaktlosen, automatisierten, hochpräzisen Detektionstechnologie zu einem dringenden Bedarf für die Instandhaltung von unterirdischen Bauwerken geworden.
CHNSpec Hyperspektralkamera bietet Kernunterstützung und erzielt drei technische Innovationen
Die vom Forschungsteam ausgewählte CHNSpec FigSpec FS-27 Hyperspektralkamera wurde zur wichtigsten Hardware-Unterstützung hinter diesem technologischen Durchbruch. Die Kamera ist mit einem InGaAs-Sensor ausgestattet, der in der Lage ist, 1024 aufeinanderfolgende Spektralbänder im Nahinfrarotbereich von 900–1700 nm zu erfassen und eine spektrale Auflösung von 6,5 nm zu erreichen. Sie kann subtile spektrale Unterschiede auf der Betonoberfläche präzise erfassen und liefert reichlich physikalisch-chemische Informationen für die Festigkeitsbewertung. In Kombination mit Halogenlichtquellen und einer Standard-Reflexionskalibrierungstafel kann das Gerät auch in dunklen und komplexen Tunnelumgebungen stabil 1280×1280 hochauflösende Spektralbilder erhalten und so die strengen Anforderungen der Vor-Ort-Detektion erfüllen.
Basierend auf den von der Kamera erhaltenen hochdimensionalen Spektraldaten entwickelte das Team innovativ zwei DNN-Regressionsmodelle. Unter diesen Modellen schnitt der Segment-Spektrum-Deep-Neural-Regressor (SegS_DNR) am besten ab: Durch die räumlich-spektrale Feature-Fusion unter Verwendung eines 5×5-Pixel-Fensters erreichte das Modell einen Bestimmtheitskoeffizienten (Rp²) von 0,925 und eine Restvorhersageabweichung (RPD) von 5,28, was die traditionellen Partial Least Squares Regression (PLSR) und Random Forest (RFR) Modelle weit übertraf. Gleichzeitig erzeugte es 2D-Druckfestigkeitsverteilungs-Heatmaps, die Festigkeitsunterschiede in verschiedenen Verkleidungsbereichen visuell darstellen und so die doppelten Ziele der „quantitativen Detektion + visuellen Darstellung“ erreichten.
Bei der Vor-Ort-Verifizierung im Huangpu-Flusstunnel der Shanghai Metro Line 12 maß die Technologie nicht nur präzise die Druckfestigkeit von Normalabschnitten (durchschnittlich etwa 47,6 MPa), sondern identifizierte auch deutlich Festigkeitsminderungsmerkmale in Bereichen mit Rissen, Abplatzungen und Wassereintritt – die Festigkeitsmittelwerte der Defektbereiche sanken auf 33–37 MPa, was mit den tatsächlichen technischen Detektionsergebnissen übereinstimmt, wobei die Erkennungsgenauigkeit mit der von erfahrenen Ingenieuren vergleichbar ist.
Intelligente Instandhaltung ermöglichen und ein neues Paradigma in der unterirdischen Bauwerksdetektion anführen
Bei diesem technologischen Durchbruch wurden die Vorteile der hohen Stabilität und der hohen spektralen Auflösung der CHNSpec FigSpec FS-27 Hyperspektralkamera voll ausgeschöpft. Ihre gemeinsame Anwendung mit Deep-Learning-Algorithmen hat das traditionelle Detektionsmodell für unterirdische Verkleidungsstrukturen grundlegend verändert. Die Technologie benötigt keinen Kontakt mit der Oberfläche der Struktur, kann die großflächige Scannung schnell abschließen, und die erzeugten Festigkeitsverteilungskarten können die Entscheidungsfindung bei der Instandhaltung direkt unterstützen, wodurch die wissenschaftliche Natur und die Effizienz des Lebenszyklusmanagements von unterirdischen Bauwerken erheblich verbessert werden.
Gegenwärtig hat die Technologie Pilotanwendungen in unterirdischen Bauprojekten unter komplexen geologischen Bedingungen wie Flussquerungs- und Unterseetunneln abgeschlossen. In Zukunft könnte sie in Roboterinspektion, IoT (Internet der Dinge) und BIM (Building Information Modeling) -Technologien integriert werden, um ein intelligentes Überwachungssystem für die unterirdische Infrastruktur aufzubauen. Laut einem relevanten Sprecher von CHNSpec wird das Unternehmen die technische Anpassungsfähigkeit von Hyperspektralbildgebungsgeräten weiter optimieren und gezieltere technische Lösungen für zerstörungsfreie Testanforderungen in den Bereichen Verkehr, Hochbau, Geologie und anderen Bereichen anbieten.
Die Umsetzung dieses Forschungsergebnisses bietet nicht nur einen neuen technischen Weg für die Gewährleistung der Sicherheit im unterirdischen Bauwesen, sondern demonstriert auch die Kernwettbewerbsfähigkeit der im Inland produzierten Hyperspektralgeräte in High-End-Forschungs- und technischen Anwendungen und injiziert der sicheren und nachhaltigen Nutzung der chinesischen unterirdischen Infrastruktur neue Impulse.
FS-27 ist eine kurzwellige Nahinfrarot-Bildgebungs-Hyperspektralkamera der FigSpec® FS2X-Serie. Sie verwendet die spektrale Trennungstechnologie mit Transmissionsgitter und zeichnet sich durch hohe Auflösung und hohe Stabilität aus, wodurch sie sich für die professionelle Spektralbildanalyse in verschiedenen Bereichen eignet.
Kernproduktmerkmale:
Hervorragende spektrale Leistung: Abdeckung des kurzwelligen Nahinfrarotbereichs von 900–1700 nm mit einer Wellenlängenauflösung von besser als 6 nm und Unterstützung von 1024 Spektralkanälen. Zuverlässige Bildqualität: Die Bildauflösung erreicht 1280×1280, der Dynamikbereich beträgt 12 Bit, das SNR beträgt 600:1 und der Streulichtpegel beträgt nur 0,5 %. Bequeme und effiziente Bedienung: Die integrierte Scanbildgebung und die Hilfsansichtskamera können den Aufnahmebereich in Echtzeit überwachen; unterstützt mehrere regionale ROI-Funktionen; die Bildgebungsgeschwindigkeit beträgt 10 Sekunden pro Scan.
