Download Deploying Wireless Sensor Networks with Fault-Tolerance for Structural Health Monitoring

ABSTRCT

Structural health monitoring (SHM) systems are implemented for structures(e.g., bridges, buildings) to  monitor their operations and health status. Wireless sensor networks (WSNs) are becoming an enabling  technology for SHM applications that are more prevalent and more easily deployable than traditional wired  networks. However, SHM brings new challenges to WSNs: engineering-driven optimal deployment, a large  volume of data, sophisticated computing, and so forth. In this paper, we address two important challenges: sensor deployment and decentralized computing. We propose a solution, to deploy wireless sensors at  strategic locations to achieve the best estimates of structural health (e.g., damage) by following the widely  used wired sensor system deployment approach from civil/structural engineering. We found that faults  (caused by communication errors, unstable connectivity, sensor faults, etc.) in such a deployed WSN greatly affect the performance of SHM. To make the WSN resilient to the faults, we present an approach, called  FTSHM (fault-tolerance in SHM), to repair the WSN and guarantee a specified degree of fault tolerance.  FTSHM searches the repairing points in clusters in a distributed manner, and places a set of backup sensors at those points in such a way that still satisfies the engineering requirements. FTSHM also includes an SHM  algorithm suitable for decentralized computing in the energy-constrained WSN, with the objective of  guaranteeing that the WSN for SHM remains connected in the event of a fault, thus prolonging the WSN  lifetime under connectivity and data delivery constraints. We demonstrate the advantages of FTSHM  through extensive simulations and real experimental settings on a physical structure.

INTRODUCTION

THE wireless sensor networks (WSNs) effective and economi- new advances in sensor device technologies  make cally-viable solutions for a wide variety of applications, such as environmental monitoring, scientific  exploration, and target tracking . Civil structures, including bridges, buildings, tunnels, aircrafts, nuclear  plants, among others, are complex engineering systems that ensure society’s economic and industrial  prosperity . Structural health monitoring (SHM) systems are implemented for these structures to monitor  their operations and health status. WSNs are becoming an enabling technology for SHM that are more  prevalent and more easily deployable than current wired systems. Examples include the Golden gate bridge in the US , bridge monitoring in India , and Guangzhou new TV tower (GNTVT) in China .

چکیده

سیستم های نظارت بر سلامت سازمانی (SHM) برای ساختار (به عنوان مثال، پل ها، ساختمان ها) برای نظارت بر عملیات و وضعیت سلامت آنها اعمال می شود. شبکه های حسگر بی سیم (WSNs) در حال تبدیل شدن به تکنولوژی فعال برای برنامه های SHM هستند که شایع تر و راحت تر قابل استفاده هستند از شبکه های سنتی سنتی. با این حال، SHM چالش های جدیدی را برای WSN به ارمغان می آورد: بهینه سازی بهینه مهندسی، حجم زیادی از داده ها، محاسبات پیچیده و غیره. در این مقاله، ما دو چالش مهم را مطرح می کنیم: استقرار سنسور و محاسبات غیر متمرکز. ما یک راه حل پیشنهاد می کنیم تا حسگر های بی سیم را در مکان های استراتژیک برای دستیابی به بهترین برآوردها از سلامت سازمانی (مثلا آسیب) با پیروی از رویکرد گسترش سیستم حسگر سیمی از مهندسی عمران / ساخت و ساز استفاده کنیم. ما دریافتیم که خطاها (ناشی از خطاهای ارتباط، اتصال ناپایدار، گسل های سنسور و غیره) در چنین WSN مستقر شده، تا حد زیادی بر عملکرد SHM تاثیر می گذارد. برای ایجاد WSN مقاوم در برابر خطاها، ما یک رویکرد را به نام FTSHM (تحمل خطا در SHM) ارائه می کنیم، برای تعمیر WSN و تضمین درجه مشخص معادله خطا. FTSHM نقاط تعمیر در خوشه ها را به صورت توزیع جستجو می کند و مجموعه ای از سنسورهای پشتیبان را در آن نقاط به گونه ای قرار می دهد که هنوز نیازهای مهندسی را برآورده می کند. FTSHM همچنین شامل یک الگوریتم SHM مناسب برای محاسبات غیر متمرکز در WSN محدود شده با انرژی است، با هدف اطمینان از اینکه WSN برای SHM همچنان متصل است در صورت بروز خطا، در نتیجه طول عمر WSN تحت اتصال و محدودیت های تحویل داده را افزایش می دهد. ما مزایای FTSHM را از طریق شبیه سازی های گسترده و تنظیمات آزمایشی واقعی بر روی یک ساختار فیزیکی نشان می دهیم.

مقدمه

شبکه های حسگر بی سیم (WSNs) پیشرفت های موثر و اقتصادی در تکنولوژی های دستگاه سنسور، راه حل های متنوعی را برای طیف وسیعی از برنامه های کاربردی مانند نظارت بر محیط زیست، اکتشاف علمی و ردیابی هدف ها می سازد. ساختارهای مدنی، از جمله پل ها، ساختمان ها، تونل ها، هواپیماها، نیروگاه های هسته ای، از جمله دیگر، سیستم های مهندسی پیچیده ای هستند که رفاه اقتصادی و صنعتی جامعه را تضمین می کنند. سیستم های نظارت بر سلامت سازمانی (SHM) برای این ساختارها برای نظارت بر عملیات و وضعیت سلامت آنها اعمال می شود. WSN ها در حال تبدیل شدن به یک فناوری توانمند برای SHM هستند که شایع تر و راحت تر قابل استفاده هستند از سیستم های فعلی سیمی. نمونه هایی از پل دروازه طلایی ایالات متحده، مانیتورینگ پل در هند و برج تلویزیون جدید گوانگژو (GNTVT) در چین است.

Year: 2015

Publisher : IEEE

By : Md Zakirul Alam Bhuiyan , Guojun Wang,  Jiannong Cao , Jie Wu 

File Information: English Language/ 14 Page / size: 1.21 KB

Download

سال : 1394

ناشر : IEEE

کاری از : دكتر زكير الله المحيين، گوجون وانگ، جيانونگ كائو، جي وو

اطلاعات فایل : زبان انگلیسی / 14 صفحه / حجم : KB 1.21

لینک دانلود