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

自编码 计算机科学 人工智能 认知科学 心理学 认识论 法律工程学 工程类 哲学 人工神经网络
作者
Xuyang Li,Hamed Bolandi,Mahdi Masmoudi,Talal Salem,Nizar Lajnef,Vishnu Naresh Boddeti
出处
期刊:Cornell University - arXiv 被引量:1
标识
DOI:10.48550/arxiv.2402.15492
摘要

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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