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研究生: 黃冠淯
Huang, Guan-Yu
論文名稱: 應用被動式熱成像與機器學習於外牆瓷磚空鼓缺陷檢測之研究
Detection of Delamination in Exterior Wall Tiles via Passive Thermography and Machine Learning
指導教授: 馮重偉
Feng, Chung-Wei
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年: 2025
畢業學年度: 113
語文別: 中文
論文頁數: 134
中文關鍵詞: 被動式熱成像機器學習外牆瓷磚空鼓缺陷非破壞性檢測
外文關鍵詞: Passive Thermography, Machine Learning, Exterior tile delamination, Non-destructive testing (NDT)
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  • 近年來,高樓建築外牆瓷磚剝落事件頻傳,嚴重威脅公共安全。傳統外牆檢測方法,如搭設鷹架或人員垂降,不僅成本高昂、耗時且伴隨作業風險,其檢測範圍與結果判讀亦高度依賴人工經驗,導致全面性的定期檢測難以有效落實。面對大量檢測需求與數據,發展可靠、高效率且具成本效益的自動化檢測技術,尤以整合人工智慧與大數據分析者為當務之急。
    本研究旨在提出整合被動式熱成像與機器學習的外牆瓷磚空鼓缺陷自動檢測方案。首先以標準化打診法標註空鼓狀態,作為熱成像模型訓練目標。繼而採集牆面被動式熱影像,提取溫度變異特徵。基於此數據集與打診標註,訓練評估支持向量機(SVM)、隨機森林(RF)及邏輯回歸(LR)三種機器學習模型,以建構能從大量熱影像中自動辨識空鼓的智慧系統。
    結果顯示,於訓練數據上,隨機森林模型表現最佳,其宏平均F1分數達到0.99,支持向量機則次之為0.96,初步驗證了本方案之可行性。然而,在後續的獨立案例驗證中,模型面對全新數據時的泛化能力仍有待提升,此結果明確指出了未來研究的優化方向。儘管如此,本研究成功建立了一套完整的自動化檢測框架,證明其在提供一個具備大數據處理能力且更經濟的替代方案上具有重要價值,可望提升檢測頻率與建築物公共安全。

    The frequent peeling of exterior wall tiles from high-rise buildings has become a serious threat to the public. Traditional inspection methods, such as scaffolding and rope access, are costly, time-consuming, and hazardous. Furthermore, their reliance on manual experience limits the scope and reliability of assessments. This highlights an urgent need for reliable and efficient automated technologies that integrate artificial intelligence and big data analytics.
    This study proposes an automated solution for detecting debonding defects in exterior tiles by combining passive thermography with machine learning. Initially, a standardized tapping method was used to label the debonding status of tiles, serving as ground truth for model training. Passive thermal images of the wall surfaces were then captured to extract features based on temperature variations. Using this dataset, three machine learning models—Support Vector Machine (SVM), Random Forest (RF), and Logistic Regression (LR)—were trained and evaluated to build an intelligent system for automated defect identification.
    Results demonstrate the Random Forest model achieved the best performance on the training data, with a macro-average F1-score of 0.99, followed by the SVM at 0.96, preliminarily validating the approach's feasibility. However, in subsequent independent case validations, the models' generalization capability on new data indicated a need for further improvement, clearly defining future research directions. Nevertheless, this study successfully establishes a complete automated inspection framework, proving its value as a more economical alternative with big data processing capabilities that can enhance inspection frequency and public safety.

    摘要 i Abstract ii 誌謝 vi 目錄 vii 表目錄 x 圖目錄 xi 第一章 緒論 1 1.1 研究背景與動機 1 1.2 研究目的 3 1.3 研究範圍與限制 5 1.4 研究流程 7 1.5 論文架構 9 第二章 問題陳述與文獻回顧 11 2.1 問題陳述 11 2.2 現行外牆瓷磚空鼓檢測的相關法規 14 2.2.1 建築物外牆瓷磚飾材評估檢查及診斷標準之研究 14 2.2.2 臺北市建築物外牆安全診斷檢查及申報辦法 16 2.2.3 外牆安全檢查相關公開資料集 19 2.3 非破壞性檢測技術於外牆瓷磚空鼓檢測之相關研究 21 2.3.1 非破壞性檢測原理與應用 21 2.3.2 打診法原理與應用 24 2.3.3 主動式熱成像技術原理與應用 25 2.3.4 被動式熱成像技術原理與參數相關研究 28 2.3.5 被動式熱成像於建築診斷的國內外研究案例 31 2.4 非圖像比對機器學習模型的功能與架構相關研究 34 2.4.1 熱成像圖數據特徵化方法原理與應用 34 2.4.2 機器學習演算法相關研究 37 2.5 小結 40 第三章 研究方法 42 3.1 需求分析工具 43 3.1.1 特性要因圖 (Cause-and-Effect Diagram, CED) 43 3.1.2 IDEF0 流程圖 (Integration Definition for Function Modeling) 44 3.1.3 統計檢定與t檢定法 46 3.2 現地實驗器材 46 3.2.1 南瓜型打診棒 47 3.2.2 Flir One Pro 簡易型熱像儀 48 3.3 資料處理工具 50 3.3.1 Audacity 音訊分析工具 50 3.3.2 Flir Image Extractor 熱像圖數據提取工具 51 3.3.3 功率頻譜密度(PSD)與Welch估計法 53 3.3.4 Computer Vision Annotation Tool (CVAT) 標註工具 54 3.3.5 熱訊號重建(TSR)與特徵提取 55 3.4 程式開發工具 56 3.4.1 Google Colab 雲端開發環境 56 3.4.2 Python 程式開發語言 57 3.4.3 Scikit-Learn 機器學習函式庫 57 3.4.4 CuML 機器學習函式庫 58 3.4.5 機器學習模型評估指標 59 3.5 小結 63 第四章 研究模式建立 64 4.1 解析熱成像檢測於外牆瓷磚空鼓缺陷之需求 64 4.1.1 解析紅外線檢測瓷磚空鼓的標準 65 4.1.2 建立檢測模型資訊流架構 66 4.1.3 解析建築物外牆瓷磚安全檢查人力供需 68 4.1.4 確立熱成像檢測於外牆瓷磚空鼓缺陷之需求與實驗假設 70 4.2 蒐集現地實驗資料 71 4.2.1 實驗場地與目標選定 71 4.2.2 實驗儀器與設備 71 4.2.3 打診法音檔數據蒐集步驟 72 4.2.4 被動式熱成像蒐集步驟 73 4.2.5 蒐集打診法音檔誤差討論 76 4.2.6 蒐集熱成像圖檔誤差討論 76 4.3 建立與評估打診法聲音機器學習模型 77 4.3.1 打診法聲音前處理 78 4.3.2 打診法聲音機器學習模型訓練 80 4.3.3 打診法聲音機器學習模型評估 84 4.3.4 打診法聲音機器學習模型誤差討論 86 4.4 建立與評估熱成像圖機器學習模型 86 4.4.1 熱成像圖數據前處理 87 4.4.2 熱成像圖機器學習模型訓練 89 4.4.3 熱成像圖機器學習模型評估 93 4.4.4 熱成像圖機器學習模型誤差討論 95 4.5 小結 96 第五章 實驗結果與分析 97 5.1 實驗設定 97 5.1.1 運算環境設定 97 5.1.2 輸入資料設定 98 5.2 實驗結果 99 5.3 實驗結果評估 110 5.3.1 比較實驗組之間的結果 110 5.3.2 評估結果討論 111 5.4 小結 112 第六章 結論與建議 113 6.1 結論 113 6.2 未來研究方向 114 參考文獻 116

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