[논문 리뷰] Real-time Structural Health Monitoring System Using Internet of Things and Cloud Computing

Hung-Fu Chang, Tzu‐Kang Lin|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 03.

Robotics and Automated Systems인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 실시간 구조물 건강 모니터링 시스템을 제안하며, IoT 센서와 클라우드 컴퓨팅을 통합하여 구조물의 변형을 동적 3D 시각화할 수 있도록 한다. 전역 좌표계 센서 데이터를 역기구학 계산을 통해 국소 요소의 이동으로 변환함으로써, 시스템은 형태 변화를 정확히 모델링하고 웹 기반 3D 모델을 사용해 실시간 변위 및 가속도를 시각화한다. 소켓 기반 클라우드 기반 데이터 스트리밍을 통해 실현된다.

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.

연구 동기 및 목표

• IoT 및 웹 기술을 사용한 실시간 클라우드 기반 구조물 건강 모니터링 시스템을 개발하기 위해.
• 실시간 센서 데이터를 반영한 온라인 생성 및 동적 3D 구조물 모델 시각화를 가능하게 하기 위해.
• 전역 좌표계 센서 측정치로부터 복잡한 구조물 형태 변화를 시각화하는 과제를 해결하기 위해.
• 현대 웹 및 데이터베이스 기술을 활용해 효율적인 데이터 처리 및 실시간 클라이언트-서버 통신을 구현하기 위해.
• 모의 3D 구조물 모델을 사용해 역이동 계산 방법의 정확성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 실시간으로 변위 및 가속도를 측정하기 위해 무선 IoT 센서 노드를 구축하기 위해.
• 클라이언트 측에서 원시 센서 데이터를 처리해 목표 구조물 반응을 계산하기 위해.
• 표준 웹 프로토콜을 사용해 처리된 데이터를 클라우드 서버로 전송하기 위해.
• 확장 가능한 액세스를 위해 이질적인 센서 데이터를 NoSQL 데이터베이스에 저장하기 위해.
• 실시간 모니터링 결과를 웹 및 모바일 클라이언트로 전송하기 위해 소켓 통신을 사용하기 위해.
• 전역 센서 데이터로부터 국소 요소의 회전 및 이동을 유도하기 위해 역이동 계산 방법을 적용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IoT 및 클라우드 컴퓨팅을 사용해 실시간 구조물 건강 모니터링을 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ2 실시간 센서 데이터 기반으로 3D 구조물 모델을 어떻게 동적으로 업데이트하고 시각화할 수 있는가?
• RQ3 전역 좌표계 센서 측정치로부터 구조물 형태 변화를 정확히 재구성하는 데 어떤 방법이 가능한가?
• RQ4 제안된 클라우드 기반 데이터 파이프라인의 성능 및 확장성 특성은 무엇인가?
• RQ5 역이동 계산 방법은 구조물 변형을 모델링하는 데 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• 시스템은 IoT 센서 데이터를 사용해 웹 기반 3D 모델에서 실시간으로 구조물 변형을 시각화하는 데 성공했다.
• 역이동 계산 방법은 전역 좌표계 센서 측정치로부터 국소 요소의 이동을 정확히 재구성한다.
• 소켓 기반 통신을 사용함으로써 클라이언트로 저지연 데이터 전송을 보장하여 실시간 모니터링을 지원한다.
• NoSQL 데이터베이스는 대규모에서 이질적인 IoT 데이터 스트림을 효율적으로 관리한다.
• 모의된 이중 레이어 3D 구조물은 시스템이 복잡한 형태 변화를 모델링할 수 있음을 검증했다.
• 클라이언트 측 스크립팅을 통해 전용 소프트웨어 없이도 상호작용 가능한 3D 시각화를 구현할 수 있다.