A review on computer vision based defect detection and condition assessment of concrete and asphalt civil infrastructure

To ensure the safety and the serviceability of civil infrastructure it is essential to visually inspect and assess its physical and functional condition. This review paper presents the current state of practice of assessing the visual condition of vertical and horizontal civil infrastructure; in particular of reinforced concrete bridges, precast concrete tunnels, underground concrete pipes, and asphalt pavements. Since the rate of creation and deployment of computer vision methods for civil engineering applications has been exponentially increasing, the main part of the paper presents a comprehensive synthesis of the state of the art in computer vision based defect detection and condition assessment related to concrete and asphalt civil infrastructure. Finally, the current achievements and limitations of existing methods as well as open research challenges are outlined to assist both the civil engineering and the computer science research community in setting an agenda for future research

Hydrolink 2021/2. Artificial Intelligence

Topic: Artificial Intelligenc

Development of Wall-Pressed in-Pipe Robot for Cleaning and Inspection Tasks

The aim of the project is to design a pipe cleaning and inspection robot for industrial applications. This is going to use very simple mechanism for cleaning the internal area of the pipe with changing diameters. The design is focusing on developing a bevel gear mechanism which can able to clean and translate the robot body into the pipe effectively. Here we are going to use only single DC motor for both cleaning and locomotion in the pipe. The inspection of the pipe is by using the ultrasonic sensor. The ultrasonic sensor is going to give the distance between the obstacle and the robot. According to the distance measured we are going to know about the bends and joints. The ultrasonic sensor is also going to give information regarding the waste materials accumulated in the pip

Natural and Technological Hazards in Urban Areas

Natural hazard events and technological accidents are separate causes of environmental impacts. Natural hazards are physical phenomena active in geological times, whereas technological hazards result from actions or facilities created by humans. In our time, combined natural and man-made hazards have been induced. Overpopulation and urban development in areas prone to natural hazards increase the impact of natural disasters worldwide. Additionally, urban areas are frequently characterized by intense industrial activity and rapid, poorly planned growth that threatens the environment and degrades the quality of life. Therefore, proper urban planning is crucial to minimize fatalities and reduce the environmental and economic impacts that accompany both natural and technological hazardous events

Sewer inflow and infiltration for catchments with high rainfall and aging infrastructure

As traditional gravity sewer systems age, they become less efficient due to an increase in Inflow and Infiltration (I/I) of stormwater and groundwater into the system. The current sewage estimation methods used throughout Australia do not reflect actual flow data, sometimes not even considering major extraneous flows. These methods adopt the use of crude blanket values, causing great inaccuracies and misleading sewage flow estimations data. The aim of this project was to explore methods to adequately identify and quantify I/I, then determine the implication it has on a sewerage network. By utilising a combination of respectable existing identification and quantification methods, and modifying as necessary, a customised hydraulic estimation method was designed. The methodology was to consider and evaluate a sewerage catchment in a holistic manner. With significant emphasis placed separately on rainfall, groundwater table, watercourses, potable water consumption and sewerage infrastruction conditions. These factors are major contributors or have a substantial influence on sewage flows. Once this customised hydraulic estimation method was derived, it was implemented into a case study catchment for refinement. The township of Gordonvale was used, as it experiences large peaks in sewage flows due to high annual rainfall and prolonged sewage flows after rain events due to the deteriorating sewerage infrastructure. The researched sewage flow estimation methods were all implemented for comparison against historic sewage flow data. The customised hydraulic estimation method generated results and compared against the other estimation methods. The results revealed that the designed custom sewage estimation method accurately predicted sewage flows for the trial periods. It was able to quantify sources of I/I and revealed that the ageing and defective sewage infrastructure to be the foremost contributing factor, with ground water infiltration of major concern. A remediation model was also undertaken that provided a comparison of the expected results to repair this increasing issue. Full sewer replacement with conventional PVC and the more recent NuSewer system were investigated, along with repair of house connection branches. Overall, the customised estimation method adequately achieved to identify and predict sewage flows with greater accuracy than the current methods used. The customised hydraulic model that was developed identifies areas of concern and better estimates sewage flows without the need for adopting blanket estimation values. This method provides a greater level of confidence in determining the makeup of the sewage flows and identifying the major contributing factors

Optimal sensor placement for sewer capacity risk management

2019 Spring.Includes bibliographical references.Complex linear assets, such as those found in transportation and utilities, are vital to economies, and in some cases, to public health. Wastewater collection systems in the United States are vital to both. Yet effective approaches to remediating failures in these systems remains an unresolved shortfall for system operators. This shortfall is evident in the estimated 850 billion gallons of untreated sewage that escapes combined sewer pipes each year (US EPA 2004a) and the estimated 40,000 sanitary sewer overflows and 400,000 backups of untreated sewage into basements (US EPA 2001). Failures in wastewater collection systems can be prevented if they can be detected in time to apply intervention strategies such as pipe maintenance, repair, or rehabilitation. This is the essence of a risk management process. The International Council on Systems Engineering recommends that risks be prioritized as a function of severity and occurrence and that criteria be established for acceptable and unacceptable risks (INCOSE 2007). A significant impediment to applying generally accepted risk models to wastewater collection systems is the difficulty of quantifying risk likelihoods. These difficulties stem from the size and complexity of the systems, the lack of data and statistics characterizing the distribution of risk, the high cost of evaluating even a small number of components, and the lack of methods to quantify risk. This research investigates new methods to assess risk likelihood of failure through a novel approach to placement of sensors in wastewater collection systems. The hypothesis is that iterative movement of water level sensors, directed by a specialized metaheuristic search technique, can improve the efficiency of discovering locations of unacceptable risk. An agent-based simulation is constructed to validate the performance of this technique along with testing its sensitivity to varying environments. The results demonstrated that a multi-phase search strategy, with a varying number of sensors deployed in each phase, could efficiently discover locations of unacceptable risk that could be managed via a perpetual monitoring, analysis, and remediation process. A number of promising well-defined future research opportunities also emerged from the performance of this research

Characterization of components of water supply systems from GPR images and tools of intelligent data analysis

[EN] Over time, due to multiple operational and maintenance activities, the networks of water supply systems (WSSs) undergo interventions, modifications or even are closed. In many cases, these activities are not properly registered. Knowledge of the paths and characteristics (status and age, etc.) of the WSS pipes is obviously necessary for efficient and dynamic management of such systems. This problem is greatly augmented by considering the detection and control of leaks. Access to reliable leakage information is a complex task. In many cases, leaks are detected when the damage is already considerable, which brings high social and economic costs. In this sense, non-destructive methods (e.g., ground penetrating radar - GPR) may be a constructive response to these problems, since they allow, as evidenced in this thesis, to ascertain paths of pipes, identify component characteristics, and detect primordial water leaks. Selection of GPR in this work is justified by its characteristics as non-destructive technique that allows studying both metallic and non-metallic objects. Although the capture of information with GPR is usually successful, such aspects as the capture settings, the large volume of generated information, and the use and interpretation of such information require high level of skill and experience. This dissertation may be seen as a step forward towards the development of tools able to tackle the problem of lack of knowledge on the WSS buried assets. The main objective of this doctoral work is thus to generate tools and assess their feasibility of application to the characterization of components of WSSs from GPR images. In this work we have carried out laboratory tests specifically designed to propose, develop and evaluate methods for the characterization of the WSS buried components. Additionally, we have conducted field tests, which have enabled us to determine the feasibility of implementing such methodologies under uncontrolled conditions. The methodologies developed are based on techniques of intelligent data analysis. The basic principle of this work has involved the processing of data obtained through the GPR to look for useful information about WSS components, with special emphasis on the pipes. After performing numerous activities, one can conclude that, using GPR images, it is feasible to obtain more information than the typical identification of hyperbolae currently performed. In addition, this information can be observed directly, e.g. more simply, using the methodologies proposed in this doctoral work. These methodologies also prove that it is feasible to identify patterns (especially with the preprocessing algorithm termed Agent race) that provide fairly good approximation of the location of leaks in WSSs. Also, in the case of pipes, one can obtain such other characteristics as diameter and material. The main outcomes of this thesis consist in a series of tools we have developed to locate, identify and visualize WSS components from GPR images. Most interestingly, the data are synthesized and reduced so that the characteristics of the different components of the images recorded in GPR are preserved. The ultimate goal is that the developed tools facilitate decision-making in the technical management of WSSs, and that such tools can even be operated by personnel with limited experience in handling non-destructive methodologies, specifically GPR.[ES] Con el paso del tiempo, y debido a múltiples actividades operacionales y de mantenimiento, las redes de los sistemas de abastecimiento de agua (SAAs) sufren intervenciones, modificaciones o incluso, son clausuradas, sin que, en muchos casos, estas actividades sean correctamente registradas. El conocimiento de los trazados y características (estado y edad, entre otros) de las tuberías en los SAAs es obviamente necesario para una gestión eficiente y dinámica de tales sistemas. A esta problemática se suma la detección y el control de las fugas de agua. El acceso a información fiable sobre las fugas es una tarea compleja. En muchos casos, las fugas son detectadas cuando los daños en la red son ya considerables, lo que trae consigo altos costes sociales y económicos. En este sentido, los métodos no destructivos (por ejemplo, ground penetrating radar - GPR), pueden ser una respuesta a estas problemáticas, ya que permiten, como se pone de manifiesto en esta tesis, localizar los trazados de las tuberías, identificar características de los componentes y detectar las fugas de agua cuando aún no son significativas. La selección del GPR, en este trabajo se justifica por sus características como técnica no destructiva, que permite estudiar tanto objetos metálicos como no metálicos. Aunque la captura de información con GPR suele ser exitosa, la configuración de la captura, el gran volumen de información, y el uso y la interpretación de la información requieren de alto nivel de habilidad y experiencia por parte del personal. Esta tesis doctoral se plantea como un avance hacia el desarrollo de herramientas que permitan responder a la problemática del desconocimiento de los activos enterrados de los SAAs. El objetivo principal de este trabajo doctoral es, pues, generar herramientas y evaluar la viabilidad de su aplicación en la caracterización de componentes de un SAA, a partir de imágenes GPR. En este trabajo hemos realizado ensayos de laboratorio específicamente diseñados para plantear, elaborar y evaluar metodologías para la caracterización de los componentes enterrados de los SAAs. Adicionalmente, hemos realizado ensayos de campo, que han permitido determinar la viabilidad de aplicación de tales metodologías bajo condiciones no controladas. Las metodologías elaboradas están basadas en técnicas de análisis inteligentes de datos. El principio básico de este trabajo ha consistido en el tratamiento adecuado de los datos obtenidos mediante el GPR, a fin de buscar información de utilidad para los SAAs respecto a sus componentes, con especial énfasis en las tuberías. Tras la realización de múltiples actividades, se puede concluir que es viable obtener más información de las imágenes de GPR que la que actualmente se obtiene con la típica identificación de hipérbolas. Esta información, además, puede ser observada directamente, de manera más sencilla, mediante las metodologías planteadas en este trabajo doctoral. Con estas metodologías se ha probado que también es viable la identificación de patrones (especialmente el pre-procesado con el algoritmo Agent race) que proporcionan aproximación bastante acertada de la localización de las fugas de agua en los SAAs. También, en el caso de las tuberías, se puede obtener otro tipo de características tales como el diámetro y el material. Como resultado de esta tesis se han desarrollado una serie de herramientas que permiten visualizar, identificar y localizar componentes de los SAAs a partir de imágenes de GPR. El resultado más interesante es que los resultados obtenidos son sintetizados y reducidos de manera que preservan las características de los diferentes componentes registrados en las imágenes de GPR. El objetivo último es que las herramientas desarrolladas faciliten la toma de decisiones en la gestión técnica de los SAAs y que tales herramientas puedan ser operadas incluso por personal con una experiencia limitada en el manejo[CA] Amb el temps, a causa de les múltiples activitats d'operació i manteniment, les xarxes de sistemes d'abastament d'aigua (SAAs) se sotmeten a intervencions, modificacions o fins i tot estan tancades. En molts casos, aquestes activitats no estan degudament registrats. El coneixement dels camins i característiques (estat i edat, etc.) de les canonades d'aigua i sanejament fa evident la necessitat d'una gestió eficient i dinàmica d'aquests sistemes. Aquest problema es veu augmentat en gran mesura tenint en compte la detecció i control de fuites. L'accés a informació fiable sobre les fuites és una tasca complexa. En molts casos, les fugues es detecten quan el dany ja és considerable, el que porta costos socials i econòmics. En aquest sentit, els mètodes no destructius (per exemple, ground penetrating radar - GPR) poden ser una resposta constructiva a aquests problemes, ja que permeten, com s'evidencia en aquesta tesi, per determinar rutes de canonades, identificar les característiques dels components, i detectar les fuites d'aigua quan encara no són significatives. La selecció del GPR en aquest treball es justifica per les seves característiques com a tècnica no destructiva que permet estudiar tant objectes metàl·lics i no metàl·lics. Tot i que la captura d'informació amb GPR sol ser reeixida, aspectes com ara la configuració de captura, el gran volum d'informació que es genera, i l'ús i la interpretació d'aquesta informació requereix alt nivell d'habilitat i experiència. Aquesta tesi pot ser vista com un pas endavant cap al desenvolupament d'eines capaces d'abordar el problema de la manca de coneixement sobre els actius d'aigua i sanejament enterrat. L'objectiu principal d'aquest treball doctoral és, doncs, generar eines i avaluar la seva factibilitat d'aplicació a la caracterització dels components de los SAAs, a partir d'imatges GPR. En aquest treball s'han dut a terme proves de laboratori específicament dissenyats per proposar, desenvolupar i avaluar mètodes per a la caracterització dels components d'aigua i sanejament soterrat. A més, hem dut a terme proves de camp, que ens han permès determinar la viabilitat de la implementació d'aquestes metodologies en condicions no controlades. Les metodologies desenvolupades es basen en tècniques d'anàlisi intel·ligent de dades. El principi bàsic d'aquest treball ha consistit en el tractament de dades obtingudes a través del GPR per buscar informació útil sobre els components d'SAA, amb especial èmfasi en la canonades. Després de realitzar nombroses activitats, es pot concloure que, amb l'ús d'imatges de GPR, és factible obtenir més informació que la identificació típica d'hipèrboles realitzat actualment. A més, aquesta informació pot ser observada directament, per exemple, més simplement, utilitzant les metodologies proposades en aquest treball doctoral. Aquestes metodologies també demostren que és factible per identificar patrons (especialment el pre-processat amb l'algoritme Agent race) que proporcionen bastant bona aproximació de la localització de fuites en SAAs. També, en el cas de tubs, es pot obtenir altres característiques com ara el diàmetre i el material. Els principals resultats d'aquesta tesi consisteixen en una sèrie d'eines que hem desenvolupat per localitzar, identificar i visualitzar els components dels SAAS a partir d'imatges GPR. El resultat més interessant és que els resultats obtinguts són sintetitzats i reduïts de manera que preserven les característiques dels diferents components registrats en les imatges de GPR. L'objectiu final és que les eines desenvolupades faciliten la presa de decisions en la gestió tècnica de SAA, i que tals eines poden fins i tot ser operades per personal amb poca experiència en el maneig de metodologies no destructives, específicament GPR.Ayala Cabrera, D. (2015). Characterization of components of water supply systems from GPR images and tools of intelligent data analysis [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/59235TESISPremios Extraordinarios de tesis doctorale

Wastewater to renewable energy at a tapioca factory in Vietnam

Anaerobic digestion is a cost-effective way of treating high organic content wastewater, as it efficiently removes large amounts of organics at the same time as biogas is produced. The production of starch from cassava roots, named tapioca, creates large amounts of high organic content wastewater and uses large amounts of thermal energy for drying the starch. At Wusons tapioca factory in southern Vietnam the wastewater is treated in an anaerobic covered pond, a low technology system for anaerobic digestion which has become popular at tapioca factories in Vietnam. The performance of the digester is however not optimal and process failures occur regularly which can partly be ascribed to the fact that the understanding of the system is poor and other than pH no measurements has previously been done on the wastewater. In this project the influent and effluent wastewater from the digester has therefore been characterised and the conditions at the factory investigated with the aim of coming up with in-situ adapted suggestions of how the performance of the digester could be improved. The results from the characterization showed that the influent wastewater was close to optimal for anaerobic digestion, with a ratio between organics and nutrients (nitrogen and phosphorus) close to the theoretically optimal value commonly found in literature. Furthermore the results showed that the concentration of nitrogen and phosphorus were kept constant through the digestion process, but the ammonia concentrations doubled, according to the expected. Solids removal showed to be high, as did the removal of organics, but the discharge standards were still not met for any of these parameters. Cyanide, present in the wastewater because of the cassava roots special composition, was found to be removed very well and the levels met the discharge standards. The results indicate that the digester had problem with low pH, which is normal for this kind of wastewater. This problem could be addressed by for example adding calcium carbonate in the influent to increase the alkalinity (instead of sodium hydroxide which is used at the factory today), using fungi as primary treatment for increasing alkalinity or separating the acidifying phase of the digestion from the biogas-forming phase. Furthermore it was found that sodium hydroxide, which is used both for cleaning the equipment in the factory and regulating pH, might have an inhibitory effect on the digester and alternatives should be sought for. It was also found that improvements to the digestion process could be done by regulating the flow to the digester. During the project an additional anaerobic covered pond was built at the factory but as the results of the wastewater characterization performed showed that there was not much biodegradable matter left in the effluent from the first digester and that ammonia levels were high it is suggested that the flow is regulated for better use of both anaerobic ponds. For example the ponds could be used to separate the phases of the digestion process as suggested above. Further suggestions consider the removal of big solids in the influent wastewater, better usage of primary pond, and keeping the outlet from the digester clean. In addition to the above it was found that the factory should keep better track of what is happening in the digester by starting to monitor some parameters and in this way introduce some forward planning and thus avoid process failures. First of all alkalinity should be measured instead of pH to be able to regulate the alkalinity before pH drops and causes process failure as was observed. The flow should also be monitored as the big variations, that are normal in the factory, can cause problems for the digester.Under en tio veckors period i Vietnam hösten 2014 genomförde jag ett SIDA finansierat projekt med målet att hitta enkla och billiga lösningar på hur en befintlig biogasanläggning som behandlar industriellt avloppsvatten från en tapiokafabrik skulle förbättras. Jag gjorde mätningar på vattnet som gick in och ut ur lagunen för att försöka komma fram till vad som skedde där inne, och vad det var för fel på den. För så mycket visste jag; att det var någonting fel inne i lagunen som gjorde att fabriken inte fick tillräckligt med biogas. Mina mätningar visade att det framförallt var problem med att vattnet var för surt, någonting som är vanligt för den här typen av vatten och som fabriken egentligen redan var medvetna om och försökt att lösa. Efter att ha tagit mig igenom språkbarriären med hjälp av papper och penna och enkla skisser visade det sig att fabriken tillsatte stora mängder natriumhydroxid, eller soda som det kallas i folkmun, för att neutralisera surheten. Det de inte var medvetna om är att soda i för stora mängder kan döda de bakterier som lever inne i biogasanläggningen och är anledningen till att biogasen bildas. Kort efter att jag uppmärksammade detta byttes sodan ut mot det i många avseenden bättre alternativet karbonat, och anläggningen har sedan dess fungerat mycket bättre - de hade till och med ett överskott av biogas under högsäsongen den följande våren. De andra problem jag uppmärksammade på anläggningen var inte lika enkla att direkt koppla till produktionen av gas och hade inte lika enkla lösningar. Framförallt krävde de fortsatta undersökningar och stegvisa beslutstaganden för att kunna genomföras. Hur det blir med dessa förslag är därför oklart, antagligen kommer de inte att göra någonting nytt på fabriken förrän de återigen får för liten produktion av biogas. För i slutändan handlar det inte om att rädda miljön utan att skapa vinst för företaget. Dagens teknik möjliggör fantastiska lösningar på många av de miljöproblem som industrier ger upphov till. I Sverige strävar vi efter att använda oss av bästa möjliga teknik, och vi har lagar och regler som tvingar industrin att ligga i framkant snarare än att göra minsta möjliga, någonting som kan vara kostsamt men som på längre sikt ska gynna båda företagen och miljön. I Vietnam och andra utvecklingsländer ser läget annorlunda ut, i första hand för att ny bättre teknik helt enkelt är för dyr men också för att kunskapsnivån för att kunna använda sig av den är för låg. Här blir det därför extra viktigt att försöka hitta win-win lösningar, som både gynnar företagen ekonomiskt och bidrar till en hållbar utveckling och minskad miljöpåverkan. Biogas är ett utmärkt exempel på win-win lösningar där avloppsvatten renas samtidigt som värdefull biogas bildas, men som det visat sig på fabriken där jag var räcker det inte med att införa en smart lösning – det svåra är ofta att få det att fungera praktiskt i det långa loppet. Finns inte kunskapen om hur systemet fungerar kommer det förr eller senare att brista eftersom i princip alla system behöver någon slags underhåll. Enkelt och billigt har därför varit målramen när olika lösningar på hur fabriken ska förbättra sitt system har föreslagits, och förslagen på hur det ska göras kan därför i första avseende verka triviala men det är det som gör dem så bra. Ett förslag på förbättring var att sätta in ett filtersteg som tar bort de bitar som ändå inte kan brytas ned i anläggningen och som istället förkortar livslängden på den genom att fylla den med oanvändbart material. Om detta relativt enkla förslag genomförs kanske livslängden på anläggningen förlängs och dessutom kan det bidra till att processen förbättras i helhet. Små åtgärder som gör stor skillnad. Om de genomförs på rätt sätt