تشخیص آسیب سازه‌ای با استفاده از شبکه‌ عصبی عمیق و تحلیل زمان–فرکانس سیگنال‌های ارتعاشی

پذیرفته شده برای پوستر
کد مقاله : 1048-ISAV2025 (R2)
نویسندگان
دانشکده فنی دانشگاه تهران
چکیده
در سال‌های اخیر، یادگیری ماشین و به‌ویژه یادگیری عمیق به‌عنوان ابزارهایی توانمند در تشخیص آسیب‌های سازه‌ای و ارتقای ایمنی سازه‌ها مورد توجه گسترده قرار گرفته‌اند. در این پژوهش، رویکردی مبتنی بر یادگیری عمیق برای تشخیص آسیب در سازه‌ها ارائه می‌شود. داده‌های ارتعاشی دکل فولادی LUMO در آلمان در دو وضعیت سالم و آسیب‌دیده به‌عنوان داده‌های ورودی این مطالعه مورد استفاده قرار گرفتند. داده‌ها با استفاده از تبدیل موجک پیوسته1 به نگاشت‌های زمان- فرکانس (اسکالوگرام)2 تبدیل شدند و تصاویر حاصل به‌عنوان ورودی شبکه‌ی عصبی کانولوشنی3 عمیق با معماری ResNet-18 مورد استفاده قرار گرفتند. نتایج نشان داد که مدل ResNet-18 با بهره‌گیری از اتصالات باقیمانده4 و قابلیت یادگیری عمیق، عملکرد دقیقی در استخراج ویژگی‌های مرتبط با آسیب دارد، به‌گونه‌ای که دقت مدل برابر با 97.5%، شاخص ‎F1‎ برابر با %‎94.7‎ و معیار فراخوانی برابر با‎90%‎ به‌دست آمد. همچنین به‌کارگیری Grad-CAM تفسیرپذیری مدل را افزایش داده و امکان شناسایی نواحی حساس به آسیب در اسکالوگرام‌ها را فراهم ساخت. یافته‌های این پژوهش نشان می‌دهد که چهارچوب پیشنهادی می‌تواند با دقت و اطمینان بالا آسیب‌های سازه‌ای را شناسایی کرده و به‌عنوان پایه‌ای برای توسعه سامانه‌های بلادرنگ پایش ارتعاشات در سازه‌های مهندسی به‌کار رود.
کلیدواژه ها
 
Title
Structural Damage Detection Using Deep Neural Networks and Time–Frequency Analysis of Vibration Signals
Authors
masoume rouhi, maryam saffari, Saghar Aghababai, maryam bitaraf
Abstract
In recent years, machine learning, particularly deep learning, has gained considerable attention as an effective approach for structural damage detection and improving structural safety. This study presents a deep learning–based framework for the diagnosis of structural damage. Vibration data were obtained from the LUMO steel lattice tower in Germany under both healthy and damaged conditions and employed as the primary dataset. The raw vibration signals were transformed into time–frequency representations (scalograms) using the continuous wavelet transform (CWT), and the resulting images were used as inputs to a deep convolutional neural network based on the ResNet-18 architecture.

The results demonstrate that the ResNet-18 model, owing to its residual connections and strong feature-learning capability, effectively extracted damage-related patterns and achieved high classification performance, with an accuracy of 97.5%, an F1-score of 94.7%, and a recall of 90%. Furthermore, the use of Grad-CAM enhanced the interpretability of the network by highlighting the time–frequency patterns within the scalograms that contributed most significantly to the model’s classification decisions. This analysis provides valuable insight into how the model distinguishes between healthy and damaged states, while remaining focused on the feature domain rather than the physical location of the damage. Overall, the proposed framework can accurately and reliably identify structural damage and provides a robust foundation for the development of real-time, vibration-based structural health monitoring (SHM) systems.
Keywords
Structural health monitoring, Deep learning, Scalogram, ResNet-18