建筑体健康监测系统的网内决策支持关健技术研究

There are significant attentions recently on applying wireless sensor networks (WSNs) for engineering structural health monitoring (SHM) applications. However, for monitoring modern structures (e.g., high-rise building, long-span bridge), transmission of high-resolution data over them is quite challenging, due to severe resource limitations (energy, bandwidth, etc.) of WSNs. To mitigate this challenge, in this proposal we consider the problem of in-network decision making for SHM, focusing on three key decision-making techniques. First, a technique to decision-making at each WSN node, by which each node can monitor structural health events (e.g., damage, cracks) using classical SHM algorithms and make a simplified decision (“0 for “no event” or “1” for an “event”). Second, a technique to QoS-aware relay nodes’ (RNs) deployment, by which a RN connects those sensors or subnetworks that are disconnected from the main WSN and makes a “0/1” decision for a particular subnetwork. Third, a technique to even-sensitive data sampling and compression, by which “uninteresting” data (in the case of a “0” decision) is not transmitted and “interesting” data (in the case of a “1” decision) can be compressed before transmission. The goal is to improve the applicability of the WSN-based SHM system to a great extent in terms of wireless communication, energy consumption, and quality of monitoring, which we believe will create reasonable choices for civil/structural engineers and respective research communities to ensure economic benefit and public safety in functioning civil structures.

近年来，应用无线传感器网络（WSN）进行建筑体健康监测（SHM）的研究引起了广泛的关注。但是，由于严重的资源受限（能量、带宽等），WSN在监测大型建筑（摩天大楼、跨海大桥等）的应用中，进行高精度的数据传输仍然存在很多问题。本项目拟研究SHM系统中的网内决策支持关键技术。首先，提出传感器节点的本地决策技术，每个监测节点利用经典的算法对建筑体事件（损坏、裂缝等）做出简单的0/1决策（有无损坏）。其次，设计QoS感知的中继节点（RN）部署方案，RN连接与主网络断开的节点或者子网，并对子网中的建筑体事件做0/1决策。最后，设计基于事件敏感性的数据抽样和压缩算法，“无意义的”数据（对应“0”）无需传输，而“有意义的”数据（对应“1”）则经压缩后再传输。本项目的目标是最大程度地提升SHM系统的性能，包括增强无线传输能力、降低能耗、增强监测质量等，以提高经济效益和公共安全水平。

建筑体健康监测（SHM）是无线传感器网络（WSNs）的基本应用。由于无线传感器网络严重的资源限制（能源，带宽等），传统的监测现代建筑（如高层建筑，大跨度桥梁，飞机）的方案在传输高分辨率采集数据方面遇到困难，本项目重点关于SHM网络内部决策的问题。我们在决策方案方面主要做了三个贡献。我们为每个WSN节点提出一个决策方案。我们使每个节点能够使用经典的SHM算法来监测结构健康事件（例如损伤，裂缝），并做出简单的决策。我们也观察了健康事件的决策表现，确保决策的可靠性。其次，我们提出了一个QoS感知中继节点（RNs）的部署方案。 RN主要连接与WSN断开的传感器和子网并针对特定子网络作出“0/1”决策。这也有助于强调关于特定子网络覆盖的结构区域内发生的健康事件的决策。无线传感器网络其他子网中的节点可以减轻他们的任务。第三，我们提出了一个更敏感的数据采样方案，通过这个方案无用的数据（在“0”判定的情况下）不被传输，并且有用数据（在“1”判定的情况下）可以在传输前压缩。因此，传感器节点可以显著降低其通信成本，而不失一般性。最后，我们收集了真实世界的数据，并在模拟和系统实现中验证了这些方案的有效性。该项目将在很大程度上促进无线传感器网络在无线通信，能源消耗和监测质量方面的适用性，并为各个研究团体提供合理的借鉴，以确保经济效益和公共安全。