La nouvelle technologie utilise l’IA et la réalité virtuelle pour surveiller la sécurité des ponts et des bâtiments

Surveiller la santé structurelle des bâtiments et des ponts vieillissants du pays est essentiel pour assurer la sécurité des personnes et contribuer à prévenir des tragédies telles que l’effondrement de la copropriété de Surfside en 2021.

C’est pourquoi des chercheurs de l’Université de Floride centrale ont développé quatre nouvelles inventions qui utilisent l’intelligence artificielle et la réalité virtuelle pour améliorer la surveillance de l’état structurel des bâtiments, des ponts, des routes et d’autres structures civiles.

« La surveillance de l’état des structures est un domaine où il y a un besoin à l’échelle internationale », déclare Necati Catbas, professeur Lockheed Martin St. Laurent au Département de génie civil, environnemental et de construction de l’UCF. « C’est presque comme surveiller la santé humaine. À mesure que nous vieillissons, la surveillance de notre santé devient très, très critique. »

Catbas, qui dirige le développement des technologies de surveillance de l’état des structures, affirme que les systèmes d’infrastructure civile dans les pays développés vieillissent, mais que ces nouvelles technologies peuvent aider.

« En comprenant mieux leurs conditions, nous pouvons anticiper les risques et mieux prioriser les investissements dans les infrastructures », dit-il.

Catbas affirme que les méthodes de surveillance traditionnelles impliquent une inspection visuelle sur site, qui peut être à la fois longue et coûteuse avec des inspections manuelles et peut entraîner des fermetures de circulation sur les routes et les ponts. En plus du temps et des dépenses, les sites dont les structures sont vieillissantes ou endommagées peuvent présenter des dangers pour les personnes présentes, même si elles portent un équipement de protection individuelle.

Catbas et son équipe de recherche ont développé des technologies permettant de résoudre ces problèmes.

«Je suis très chanceux d’avoir collaboré au fil des années avec de nombreuses personnes possédant une expertise en matière de surveillance de la santé des structures, et je dois reconnaître leur contribution», dit-il. « Ce n’est pas l’effort d’une seule personne. »

Surveillance de la santé structurelle à l’aide de la vision par ordinateur et de la réalité augmentée/virtuelle

Une invention développée par Catbas et son équipe utilise la vision par ordinateur, tandis qu’une autre utilise la réalité augmentée (AR) et la réalité virtuelle (VR).

Il affirme que la vision par ordinateur peut compléter les capteurs et l’inspection visuelle de l’état des structures, et qu’elle est très pratique car elle ne nécessite pas de structures d’accès telles que des ponts, des bâtiments ou des tours.

« Nous pouvons utiliser la caméra et, en analysant les images, nous pouvons extraire des informations significatives sur ces ponts et bâtiments », explique-t-il.

La technologie, un système complet de surveillance de l’état des structures, permet aux inspecteurs de visualiser en toute sécurité et d’évaluer avec précision la résistance à la charge et l’aptitude au service des structures sans avoir à se rendre sur place.

Catbas explique que l’invention de l’UCF utilise des caméras placées sur et autour d’une structure, comme un pont, pour collecter des données d’image et de localisation liées à l’utilisation de la structure. Dans l’exemple du pont, les données concernent les véhicules qui le traversent. Les données peuvent inclure le déplacement vertical ou horizontal des poutres provoqué par leur mouvement, leurs effets vibratoires et leur vitesse. Pendant que les caméras surveillent en permanence le site, un logiciel de vision par ordinateur traite et analyse les données collectées, fournissant ainsi aux utilisateurs du système une évaluation de la sécurité comprenant des informations sur les changements et les faiblesses structurelles, ainsi que sur les dommages immédiats.

La deuxième invention développée par l’équipe est un système de visualisation immersive qui utilise la réalité virtuelle et la réalité augmentée pour analyser les structures via des « visites virtuelles ». La réalité virtuelle fournit un environnement entièrement simulé par ordinateur, tandis que la réalité augmentée génère ou superpose du contenu sur des vues réelles d’un environnement réel.

« Grâce à cette technologie, vous pouvez virtuellement amener des experts dans les zones sinistrées, telles que les bâtiments et les ponts, comme après un ouragan », explique Catbas. « Je peux virtuellement me trouver sur un pont endommagé en Floride pour discuter de décisions avec des collègues qui pourraient se trouver en Californie. »

Comme la première invention, le système de visualisation fournit des informations sur la détection des dommages et le transport de charges sur une structure à l’aide de caméras et de capteurs. De plus, il utilise d’autres outils tels que des robots, des véhicules aériens sans pilote (UAV) ou des drones, des scanners LiDAR et des caméras de thermographie infrarouge. Avec sa plateforme de visualisation, la technologie fournit les données et images collectées via une interface utilisateur et une infographie sophistiquée. Le résultat est une vue en temps réel d’un site et la possibilité d’interagir et de communiquer avec des personnes de différents endroits : sur place, à travers le pays et même à l’échelle mondiale.

Améliorer les inspections et les diagnostics de dommages structurels grâce à l’intelligence artificielle

Deux autres inventions développées par Catbas et son équipe intègrent l’IA. Premièrement, la technologie du cadre d’intelligence collective associe une IA centrée sur l’humain à une réalité mixte pour accélérer les processus d’inspection et réduire les coûts tout en garantissant l’exactitude. Grâce à cette invention, un inspecteur se trouvant à l’extérieur d’un bâtiment endommagé pourrait porter un casque et/ou utiliser un appareil portatif intégré à la technologie.

L’inspecteur utilise les éléments pour scanner les zones endommagées, que le système analyse en temps réel, lui évitant ainsi d’avoir à effectuer des mesures manuelles. Il calcule ou évalue ensuite l’état du bâtiment, accélérant ainsi le processus d’inspection. Au cours de l’évaluation, l’inspecteur interagit avec l’IA et peut ajuster ses défauts et ses limites de détection. Le système utilise les modifications apportées par l’inspecteur pour recycler le modèle d’IA afin que la précision de l’IA s’améliore au fil du temps. Un avantage majeur de l’invention réside dans sa capacité à combiner le jugement professionnel d’un inspecteur/ingénieur avec la puissance analytique de l’IA.

L’autre invention, le réseau contradictoire génératif (GAN), permet une approche plus proactive de la gestion et du maintien de la santé et de la sécurité des structures. Il utilise l’IA pour prédire les dommages et minimiser le besoin de collecte de données sur de nombreuses structures.

« Au lieu de placer des capteurs et des appareils sur toutes les structures, nous pouvons collecter des données sur quelques-unes seulement », explique Catbas.

Il a expliqué que la collecte de données utiles à partir de capteurs sur les structures endommagées est coûteuse et difficile.

« Il n’y a pas suffisamment de données sur les zones endommagées pour entraîner des modèles de détection », dit-il. « Pourtant, les algorithmes d’apprentissage automatique (ML) et d’apprentissage profond (DL) utilisés avec l’IA produisent des résultats meilleurs et plus précis en utilisant de grands ensembles de données. Comme solution à la rareté des données dans les applications de surveillance de l’état des structures civiles, l’invention utilise les données collectées à partir des structures. Il utilise des variantes de modèle de l’architecture GAN pour générer des échantillons de données synthétiques volumineux et précis afin de former des systèmes de diagnostic des dommages.

« En utilisant l’IA, nous pouvons mieux comprendre ce qui se passe dans d’autres structures similaires et décider plus efficacement comment réagir », dit-il.

La technologie peut prédire la réponse dynamique d’un changement de structure avant que des conditions de dommage ne surviennent. Il est également possible de créer des conditions futures potentielles pour les structures, par exemple en générant des données montrant quelle serait la réponse d’un pont sain après un dommage par rapport à la réponse d’un pont en mauvais état.

Catbas affirme que les inventions peuvent être utilisées indépendamment ou ensemble.

Projets à venir

Catbas affirme que les futurs plans de recherche de son équipe incluent un cadre permettant aux communautés intelligentes et résilientes de résister aux événements extrêmes.

« Il améliore la résilience des communautés en fournissant des informations précieuses pour la préparation aux catastrophes, l’allocation des ressources et la planification de l’évacuation », dit-il. « Le cadre améliore la gestion des urgences en permettant une prise de décision éclairée pendant les crises. »

Ils développent également un « jumeau numérique » d’actifs d’infrastructure, à l’instar de la façon dont la NASA utilise des répliques de composants d’engins spatiaux.

« Ils ont ces composants sur le terrain, et si quelque chose arrive, ils travaillent avec ces répliques », dit-il. « Donc, ce jumeau, dans un sens, nous permet de collecter des données simultanément et de travailler sur différents scénarios de structure en utilisant l’analyse prédictive. »