論文の概要: Machine Learning Models for Reinforced Concrete Pipes Condition Prediction: The State-of-the-Art Using Artificial Neural Networks and Multiple Linear Regression in a Wisconsin Case Study

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2502.00363v1
• Date: Sat, 01 Feb 2025 08:16:08 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-02-05 15:21:53.674655
• Title: Machine Learning Models for Reinforced Concrete Pipes Condition Prediction: The State-of-the-Art Using Artificial Neural Networks and Multiple Linear Regression in a Wisconsin Case Study
• Title（参考訳）: 鉄筋コンクリート管条件予測のための機械学習モデル:人工ニューラルネットワークと複数線形回帰を用いた現状予測
• Authors: Mohsen Mohammadagha, Mohammad Najafi, Vinayak Kaushal, Ahmad Mahmoud Ahmad Jibreen,
• Abstract要約: 合衆国の老朽化した下水道インフラは210万キロメートルをカバーしており、構造的な問題に直面している。 年間約75,000の衛生用下水道が深刻な経済、環境、公衆衛生の危険を生じさせている。 本研究は,機械学習モデルを用いて下水道パイプラインの状態の予測精度を向上させることを目的とする。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: The aging sewer infrastructure in the U.S., covering 2.1 million kilometers, encounters increasing structural issues, resulting in around 75,000 yearly sanitary sewer overflows that present serious economic, environmental, and public health hazards. Conventional inspection techniques and deterministic models do not account for the unpredictable nature of sewer decline, whereas probabilistic methods depend on extensive historical data, which is frequently lacking or incomplete. This research intends to enhance predictive accuracy for the condition of sewer pipelines through machine learning models artificial neural networks (ANNs) and multiple linear regression (MLR) by integrating factors such as pipe age, material, diameter, environmental influences, and PACP ratings. ANNs utilized ReLU activation functions and Adam optimization, whereas MLR applied regularization to address multicollinearity, with both models assessed through metrics like RMSE, MAE, and R2. The findings indicated that ANNs surpassed MLR, attaining an R2 of 0.9066 compared to MLRs 0.8474, successfully modeling nonlinear relationships while preserving generalization. MLR, on the other hand, offered enhanced interpretability by pinpointing significant predictors such as residual buildup. As a result, pipeline degradation is driven by pipe length, age, and pipe diameter as key predictors, while depth, soil type, and segment show minimal influence in this analysis. Future studies ought to prioritize hybrid models that merge the accuracy of ANNs with the interpretability of MLR, incorporating advanced methods such as SHAP analysis and transfer learning to improve scalability in managing infrastructure and promoting environmental sustainability.
• Abstract（参考訳）: 合衆国の老朽化した下水道インフラは210万キロメートルをカバーし、構造的な問題に遭遇し、年間約75,000回の衛生的な下水道のオーバーフローが深刻な経済、環境、公衆衛生の危険を生じさせている。 従来の検査手法や決定論的モデルは、下水道の減少の予測不可能な性質を説明できないが、確率論的手法は、しばしば欠落または不完全である広範な歴史データに依存する。 本研究は, ニューラルネットワーク(ANN)と複数線形回帰(MLR)を用いて, 管齢, 材料, 直径, 環境影響, PACP評価などの要素を統合することにより, 下水道パイプラインの状態の予測精度を向上させることを目的とする。 ANNはReLUアクティベーション関数とAdam最適化を利用しており、MLRはマルチコリニアリティに対処するために正規化を適用し、どちらのモデルもRMSE、MAE、R2といったメトリクスで評価した。 その結果, ANN は MLR を上回り, R2 は 0.9066 であるのに対し, MLR は 0.8474 であり, 一般化を保ちながら非線形関係のモデル化に成功した。 一方、MLRは、残留ビルドのような重要な予測器をピンポイントすることで、解釈可能性を高めた。 その結果, パイプラインの劣化は, 管長, 年齢, 管径によって予測されるが, 深さ, 土壌タイプ, セグメントは, この分析にはほとんど影響しないことがわかった。 今後の研究は、ANNの精度とMLRの解釈可能性とを融合したハイブリッドモデルを優先し、SHAP分析やトランスファーラーニングといった先進的な手法を取り入れ、インフラ管理のスケーラビリティを向上し、環境サステナビリティを向上する。

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