[論文レビュー] Real-time Structural Health Monitoring System Using Internet of Things and Cloud Computing

Hung-Fu Chang, Tzu‐Kang Lin|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2019

Robotics and Automated Systems被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、IoTセンサーとクラウドコンピューティングを統合したリアルタイム構造健康モニタリングシステムを提示する。これにより、グローバル座標のセンサー情報を逆運動解析計算によって局所的要素の動きに変換し、ウェブベースの3Dモデルを用いてリアルタイムでの変位および加速度の動的3D可視化が可能になる。

ABSTRACT

Real-time monitoring of various structural behaviors, particularly displacement and acceleration, serves important and valuable information for people; for example, they can be used for active control or damage warning. With recent advancement of the Internet of Things and client-side web technologies, wireless integrated sensor devices nowadays can process real-time raw sensor signal data into target measurements, such as displacement, and then send the results through a standard protocol to the servers on the Internet. The monitoring results are further processed for visualization purpose in the servers and the computed results are pushed to connected clients like browsers or mobile applications in real-time. We build a real-time cloud-based system that can receive heterogeneous IoT data, allow users to create a three-dimensional model online according to the real world structure, and the monitoring results can be visualized in that model. In this paper, we illustrate the software architecture of the proposed system and focus on the technologies that are used, like client-side scripting, NoSql database, and socket communication. We also present the challenges of displaying the overall movement and shape transformation of the 3D structural model. Thus, each internal-connected element's rotations and translations are obtained by converting the monitoring results of each sensor device measured in the global coordinate system. To overcome this, we create an inverted movement calculation method. A simple 3D two-level structural model and simulated sensor displacements are used to demonstrate system function and validate the inverted movement calculation method.

研究の動機と目的

• IoTおよびウェブ技術を用いたリアルタイムでクラウドベースの構造健康モニタリングシステムの開発。
• リアルタイムのセンサー情報を反映したオンラインでの3D構造モデルの作成および動的可視化の実現。
• グローバル座標のセンサー測定値から複雑な構造形状変化を可視化する課題の解決。
• 現代のウェブおよびデータベース技術を用いた効率的なデータ処理とリアルタイムのクライアント・サーバー間通信の実装。
• シミュレーテッド3D構造モデルを用いて、逆移動計算手法の正確性を検証すること。

提案手法

• リアルタイムで変位および加速度を測定するための無線IoTセンサーノードの展開。
• クライントの側で生のセンサー情報を処理し、目的の構造的応答を計算。
• 標準的なウェブプロトコルを用いて処理済みデータをクラウドサーバーに送信。
• スケーラブルなアクセスを可能にするために、非構造化センサー情報をNoSQLデータベースに保存。
• ソケット通信を用いて、リアルタイムの監視結果をウェブおよびモバイルクライアントにプッシュ。
• グローバルセンサー情報から局所的要素の回転および変位を導出するための逆移動計算手法の適用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにしてIoTとクラウドコンピューティングを用いてリアルタイム構造健康モニタリングを実現できるか？
• RQ2 どのようにしてセンサー情報に基づいてリアルタイムで3D構造モデルを動的に更新および可視化できるか？
• RQ3 グローバル座標のセンサー測定値から構造形状変化を正確に再構築するための手法は何か？
• RQ4 提案されたクラウドベースのデータパイプラインのパフォーマンスおよびスケーラビリティ特性は何か？
• RQ5 逆移動計算手法は、構造変形のモデリングにおいてどの程度効果的か？

主な発見

• 本システムは、IoTセンサー情報に基づいて、ウェブベースの3Dモデルを用いて構造変形のリアルタイム可視化を成功裏に実現した。
• 逆移動計算手法により、グローバル座標のセンサー測定値から局所的要素の動きを正確に再構築できた。
• ソケットベースの通信により、クライアントへの低遅延データプッシュが実現され、リアルタイム監視を支援した。
• NoSQLデータベースは、スケールに応じた非構造化IoTデータストリームを効率的に管理した。
• シミュレーテッド2階建て3D構造モデルにより、本システムが複雑な形状変化をモデリングする能力を検証した。
• クライント側のスクリプト処理により、特別なソフトウェアを必要とせずにインタラクティブな3D可視化が可能になった。