A Methodology to Develop Computer Vision Systems in Civil Engineering: Applications in Material Testing and Fish Tracking

[Resumen] La Visión Artificial proporciona una nueva y prometedora aproximación al campo de la Ingeniería Civil, donde es extremadamente importante medir con precisión diferentes procesos. Sin embargo, la Visión Artificial es un campo muy amplio que abarca multitud de técnicas y objetivos, y definir una aproximación de desarrollo sistemática es problemático. En esta tesis se propone una nueva metodología para desarrollar estos sistemas considerando las características y requisitos de la Ingeniería Civil. Siguiendo esta metodología se han desarrollado dos sistemas: Un sistema para la medición de desplazamientos y deformaciones en imágenes de ensayos de resistencia de materiales. Solucionando las limitaciones de los actuales sensores físicos que interfieren con el ensayo y solo proporcionan mediciones en un punto y una dirección determinada. Un sistema para la medición de la trayectoria de peces en escalas de hendidura vertical, con el que se pretende solucionar las carencias en el diseño de escalas obteniendo información sobre el comportamiento de los peces. Estas aplicaciones representan contribuciones significativas en el área, y demuestran que la metodología definida e implementada proporciona un marco de trabajo sistemático y confiable para el desarrollo de sistemas de Visión Artificial en Ingeniería Civil.[Resumo] A Visión Artificial proporciona unha nova e prometedora aproximación ó campo da Enxeñería Civil, onde é extremadamente importante medir con precisión diferentes procesos. Sen embargo, a Visión Artificial é un campo moi amplo que abarca multitude de técnicas e obxectivos, e definir unha aproximación de desenvolvemento sistemática é problemático. En esta tese proponse unha nova metodoloxía para desenvolver estes sistemas considerando as características e requisitos da Enxeñería Civil. Seguindo esta metodoloxía desenvolvéronse dous sistemas: Un sistema para a medición de desprazamentos e deformacións en imaxes de ensaios de resistencia de materiais. Solucionando as limitacións dos actuais sensores físicos que interfiren co ensaio e só proporcionan medicións nun punto e nunha dirección determinada. Un sistema para a medición da traxectoria de peixes en escalas de fenda vertical, co que se pretende solucionar as carencias no deseño de escalas obtendo información sobre o comportamento dos peixes. Estas aplicacións representan contribucións significativas na área, e demostran que a metodoloxía definida e implementada proporciona un marco de traballo sistemático e confiable para o desenvolvemento de sistemas de Visión Artificial en Enxeñería Civil.[Abstract] Computer Vision provides a new and promising approach to Civil Engineering, where it is extremely important to measure with accuracy real world processes. However, Computer Vision is a broad field, involving several techniques and topics, and the task of defining a systematic development approach is problematic. In this thesis a new methodology is carried out to develop these systems attending to the special characteristics and requirements of Civil Engineering. Following this methodology, two systems were developed: A system to measure displacements from real images of material surfaces taken during strength tests. This technique solves the limitation of current physical sensors, which interfere with the assay and which are limited to obtaining measurements in a single point of the material and in a single direction of the movement. A system to measure the trajectory of fishes in vertical slot fishways, whose purpose is to solve current lacks in the design of fishways by providing information of fish behavior. These applications represent significant contributions to the field and show that the defined and implemented methodology provides a systematic and reliable framework to develop a Computer Vision system in Civil Engineering

Herramientas de análisis y predicción del comportamiento de buque atracado en operaciones de carga y descarga: aplicación a los Puertos Interior y Exterior de A Coruña

Programa Oficial de Doutoramento en Enxeñaría Civil . 5011V01[Resumen] La eficiencia de la maniobra de carga y descarga de un buque en puerto depende fundamentalmente de su comportamiento en el atraque, siendo éste un condicionante de la propia operatividad. Aunque existen normativas en las que se fijan umbrales admisibles de movimientos, su aplicación general hace que no se ajusten correctamente a las características de todos los puertos. Tradicionalmente el comportamiento del buque atracado ha sido analizado mediante modelización física y numérica, existiendo pocos ejemplos de estudios en campo debido a las dificultades que conllevan. Atendiendo a esta necesidad, esta Tesis Doctoral presenta el desarrollo y la validación de dos herramientas de bajo coste económico y de fácil manejo e instalación para la evaluación en campo de los movimientos de un buque atracado. Éstas se basan en la adaptación de dos tecnologías muy extendidas en el ámbito de la ingeniería, como son las unidades de medida inercial (IMU) y la visión artificial orientada al seguimiento de objetos. La aplicación de estas técnicas en campañas intensivas de monitorización de buques durante su operación en los Puertos Interior y Exterior de A Coruña, ambos con características diferentes, ha confirmado la versatilidad de estas herramientas. Además, se ha demostrado su potencial como instrumento eficaz para analizar la influencia de los agentes forzadores de los problemas que realmente afectan a un determinado puerto. Los resultados obtenidos han permitido conocer las condiciones operativas reales de los buques, constatando la necesidad de actualizar o particularizar los umbrales de movimientos de las normativas. Adicionalmente, se ha propuesto y aplicado una metodología para el desarrollo de herramientas predictivas de los movimientos de los buques atracados en una determinada instalación, a partir de registros reales de agentes océano‐meteorológicos y movimientos. Este resultado constituye un avance significativo hacia el desarrollo de sistemas de ayuda a la toma de decisiones en la gestión de un puerto[Resumo] A eficiencia da manobra de carga e descarga dun buque en porto depende fundamentalmente do seu comportamento no atracadoiro, sendo este un condicionante da propia operatividade. Aínda que existen normativas nas que se fixan límites admisibles de movementos, a súa aplicación xeral fai que non se axusten correctamente ás características de todos os portos. Tradicionalmente o comportamento do buque foi analizado mediante modelización física e numérica, existindo poucos exemplos de estudos en campo debido ás dificultades que conlevan. Atendendo a esta necesidade, esta tese doutoral presenta o desenvolvemento e a validación de dúas ferramentas de baixo custo económico e de fácil manexo e instalación para a avaliación en campo dos movementos dun buque atracado. Estas baséanse na adaptación de dúas tecnoloxías moi estendidas no ámbito da enxeñería, como son as unidades de medida inercial (IMU) e a visión artificial orientada ao seguimento de obxectos. A aplicación destas técnicas en campañas intensivas de monitoraxe de buques durante a súa operación nos Portos Interior e Exterior da Coruña, ambos con características diferentes, confirmou a versatilidade destas ferramentas. Ademais, demostrouse o seu potencial como instrumento eficaz para analizar a influencia dos axentes forzadores dos problemas que realmente afectan a un determinado porto. Os resultados obtidos permitiron coñecer as condicións operativas reais dos buques, constatando a necesidade de actualizar ou particularizar os límites de movementos das normativas. Adicionalmente, propúxose e aplicouse unha metodoloxía para o desenvolvemento de ferramentas preditivas dos movementos dos buques atracados nunha determinada instalación, a partir de rexistros reais de axentes océano‐meteorolóxicos e movementos. Este resultado constitúe un avance significativo cara ao desenvolvemento de sistemas de axuda á toma de decisións na xestión dun porto.[Abstract] The efficiency of a vessel’s cargo operation in port mainly depends on its behavior at berth, being this a determining factor in the operability. Although there are regulations proposing acceptable movement thresholds, their general application means that they do not properly match the characteristics of all ports. Traditionally, the behavior of moored ships has been analyzed by means of physical and numerical modeling, and there are few examples of field studies due to their involved difficulties. Taking this need into account, this doctoral thesis presents the development and validation of two low‐cost, easy‐to‐use and easy‐to‐install tools for in‐situ evaluation of moored vessel motions. They are based on the adaptation of two widely used technologies in engineering, such as inertial measurement units (IMU) and computer vision. The application of these techniques in intensive ship monitoring campaigns during their operation at the Inner and Outer Port of A Coruña, both with different characteristics, confirmed the versatility of these tools. In addition, their potential as an effective way for analyzing the influence of forcing agents on the problems affecting a specific port has been demonstrated. The obtained results have shown the real operating conditions of the ships, highlighting the need to update or particularize the movement thresholds of the regulations. Additionally, a methodology has been applied for moored ship motions predictive tools development in a specific facility, based on records of observed motions and meteorological and ocean data. This result constitutes a significant advance towards the development of decision‐making systems to contribute in the management of a por