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最近、同済大学の研究チームが、地下コンクリートライニング構造物の検出において重要な進展を遂げました。杭州CHNSpec Technologyが開発したFigSpec FS-27ハイパースペクトルカメラを活用し、ハイパースペクトルイメージング（HSI）と深層ニューラルネットワーク（DNN）を統合した非破壊検査技術を構築することに成功しました。この技術により、地下トンネルライニングの圧縮強度を自動的かつ高精度に監視し、欠陥を可視化することが可能になります。関連する研究成果は、国際的なトップジャーナルであるJournal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering（SCIE Q1 Top journal）に掲載が決定しました。
地下工学検査における課題は、従来の技術革新の必要性を浮き彫りにする
都市化の加速に伴い、地下鉄トンネルや河川横断通路などの地下インフラが拡大し続けています。地下工学における中核的な保護構造物として、コンクリートライニングの圧縮強度は構造的完全性と運用上の安全に直接影響します。しかし、地下環境は閉鎖的で複雑であり、従来の検査方法には多くの限界があります。コアサンプリングや引抜き試験などの破壊検査は構造物を損傷し、時間と労力を要します。超音波やリバウンドハンマーなどの従来の非破壊検査技術は十分な精度を欠き、強度の空間的可視化を実現できないため、ひび割れ、剥離、浸水などの局所的な欠陥を正確に特定することが困難です。
上海地下鉄12号線や青島地下鉄8号線などの河川横断トンネルの運用データは、長期的な地下水浸食と地質応力により、ライニング強度が低下しやすいことを示しています。タイムリーかつ正確な監視がなければ、構造的なリスクが発生する可能性があります。したがって、非接触、自動化、高精度な検査技術の開発は、地下工学の維持管理における緊急の課題となっています。
CHNSpecハイパースペクトルカメラがコアエンパワーメントを提供し、3つの技術革新を実現
研究チームが選択したCHNSpec FigSpec FS-27ハイパースペクトルカメラは、この技術的ブレークスルーの背後にある重要なハードウェアサポートとなりました。このカメラは、900～1700 nmの近赤外スペクトル範囲で1024の連続スペクトルバンドをキャプチャできるInGaAsセンサーを搭載しており、6.5 nmのスペクトル分解能を実現しています。コンクリート表面の微妙なスペクトル特性の違いを正確に捉えることができ、強度の評価に豊富な物理化学的情報を提供します。ハロゲン光源と標準的な反射率校正パネルを組み合わせることで、暗く複雑なトンネル環境下でも1280×1280の高解像度スペクトル画像を安定的に取得でき、現場検査の厳しい要件を満たしています。
カメラで取得した高次元スペクトルデータに基づいて、チームは2つのDNN回帰モデルを革新的に開発しました。その中で、セグメント化スペクトル深層ニューラル回帰器（SegS_DNR）が最も優れた性能を発揮しました。5×5ピクセルウィンドウを使用した空間的・スペクトル的特徴融合により、モデルは0.925の決定係数（Rp²）と5.28の残差予測偏差（RPD）をテストセットで達成し、従来の偏最小二乗回帰（PLSR）およびランダムフォレスト（RFR）モデルをはるかに上回りました。同時に、ライニングの異なる領域間の強度差を視覚的に示す2D圧縮強度分布ヒートマップを生成し、「定量的検出+視覚的提示」という二重の目標を達成しました。
上海地下鉄12号線の黄浦江横断トンネルで行われた現場検証では、この技術は正常な区間（平均約47.6 MPa）の圧縮強度を正確に測定しただけでなく、ひび割れ、剥離、浸水のある領域の強度低下の特徴を明確に特定しました。欠陥領域の強度は平均33～37 MPaまで低下し、実際のエンジニアリング検査結果と高度に一致し、ベテランエンジニアと同等の認識精度を実現しました。
インテリジェントなメンテナンスを強化し、地下工学検査における新たなパラダイムをリード
この技術的ブレークスルーにおいて、CHNSpec FigSpec FS-27ハイパースペクトルカメラの高い安定性と高いスペクトル分解能の利点が十分に検証されました。深層学習アルゴリズムとの共同適用により、地下ライニング構造物の従来の検査モデルが完全に変革されました。この技術は構造物の表面に接触する必要がなく、広範囲の高速スキャン検査を完了でき、生成された強度分布マップはメンテナンスの意思決定を直接サポートし、地下工学のライフサイクル管理の科学性と効率性を大幅に向上させます。
現在、この技術は、河川横断トンネルや海底トンネルなどの複雑な地質条件下における地下工学プロジェクトでパイロットアプリケーションを完了しています。将来的には、ロボット検査、IoT（モノのインターネット）、BIM（ビルディングインフォメーションモデリング）技術と統合して、地下インフラのインテリジェントな監視システムを構築する可能性があります。CHNSpecの広報担当者によると、同社はハイパースペクトルイメージング機器のエンジニアリング適応性を継続的に最適化し、輸送、土木工学、地質学などの分野における非破壊検査のニーズに対して、より的を絞った技術ソリューションを提供します。
この研究成果の実装は、地下工学の安全確保のための新たな技術的道筋を提供するだけでなく、ハイエンドの研究およびエンジニアリングアプリケーションにおける国産ハイパースペクトル機器の中核的な競争力を実証し、中国の地下インフラの安全で持続可能な運用に新たな勢いを注入します。
FS-27は、FigSpec® FS2Xシリーズの短波近赤外線イメージングハイパースペクトルカメラです。透過型回折格子スペクトル分離技術を採用し、高解像度と高安定性を特徴とし、複数の分野にわたる専門的なスペクトルイメージング分析に適しています。
主な製品の特徴:
優れたスペクトル性能：900～1700 nmの短波近赤外線範囲をカバーし、波長分解能は6 nm未満で、1024のスペクトルチャネルをサポートしています。信頼性の高い画像品質：画像解像度は1280×1280に達し、ダイナミックレンジは12ビット、SNRは600：1、迷光レベルはわずか0.5％です。便利で効率的な操作：内蔵のスキャンイメージングと補助ビューカメラは、撮影エリアをリアルタイムで監視できます。複数の地域ROI機能をサポートします。画像速度は1スキャンあたり10秒です。
