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基于物联网的结构健康监测体系研究综述
C. Jr. Arcadius Tokognon，高斌，IEEE高级会员，田贵云，IEEE高级会员，严燕
摘要 - 物联网（IoT）最近因其潜力和能力被集成到任何复杂系统中而备受关注。随着无线射频识别，传感器等传感技术的迅速发展以及无线通信和互联网等信息技术的融合，物联网正在成为监控系统的重要技术。本文回顾并介绍了一种结构健康监测（SHM）框架，该框架使用物联网技术进行智能可靠的监测。具体而言，介绍了IoT和SHM系统实施所涉及的技术以及IoT环境中的数据路由策略。由于传感设备产生的数据量比以往更大，速度也更快，因此引入大数据解决方案来处理从安装在结构上的传感器收集的大量复杂数据。
索引术语 - 物联网（IoT），不仅包括SQL（NoSQL）数据库，路由协议，结构健康监测（SHM），无线传感器网络（WSN）。
- 导言
在20世纪60年代末，由美国国防部发起的第一个网络项目Arpanet设计了第一种称为网络控制协议的协议，以便通过分组交换来连接不同的机器和共享信息[1]。 后来，Arpanet成为了基于开放架构理念开发的互联网项目和新标准协议。 因此，被称为传输控制协议（TCP）和因特网的新协议。
手稿于2016年10月10日完成; 2016年12月29日修订; 2017年1月27日接受。发布日期2017年2月6日; 目前版本的日期为2017年6月15日。这项工作部分得到了中国自动化工程学院结构健康监测和无损评估研究中心的部分支持，部分由中国国家自然科学基金委员会 格兰特61401071，格兰特51377015和格兰特61527803部分由NSAF根据格兰特U1430115部分由FP7 HEMOW IRSES项目在格兰特269202部分由中央大学的基础研究基金赞助ZYGX2014J068部分由 中国博士后科学基金资助项目136413，部分由中国四川省科技厅资助2016GZ0185。 （通讯作者：Bin Gao; C. Jr. Arcadius Tokognon。）
C. Jr. A. Tokognon先生在电子科技大学自动化工程学院成都611731（电子邮件：tokjunior07@yahoo.fr）。
B. Gao，电子科技大学自动化工程学院，成都611731（电子邮件：bin_gao@uestc.edu.cn）。
田燕燕教授与电子科技大学自动化工程学院，成都611731，同时也是电气与电子工程学院，
纽卡斯尔大学，泰恩河上的纽卡斯尔NE1 7RU，U.K.（电子邮件：
协议（IP）在20世纪80年代早期被证明是成功的，并指定了数字消息如何打包，编址以及通过网络发送。 IP的成功以及卫星和无线电网络的使用使得互联网成为一个全球系统，能够从另一个地方访问和远程计算机，收集信息，并通过互联网使用TCP / IP架构与世界各地的人们进行通信。 互联网现在向所有想连接的人开放。 因此，互联网上可见的主机数量呈指数增长，并且根据专家估计，到2020年将超过500亿[2]。
如今，任何能够感知，发送或接收数字信息的物体都使用IP连接到互联网。 在某些情况下，可以使用IP代理或能够将IP转换为专用无线协议的软件来确保不支持IP和互联网的传感对象之间的连续性。 连接到互联网的物体可以是手机，相机，家用电器，城市基础设施，医疗仪器以及配备传感器的工厂或车辆。 这个概念与物联网（IoT）相关联，物联网感知并使用IP在彼此之间进行通信并随时随地从任何地点共享有关其环境的信息。 无线传感器网络（WSN）被认为是物联网的关键技术之一[3]，[4]，并广泛应用于医疗系统，环境监测系统，结构健康监测（SHM）系统等各个领域[5]。
作为新颖的想法，物联网已经迅速成为研究人员和行业的一个有吸引力的话题。 它集成到像SHM这样的监控系统中，对于工业，企业，消费者，环境，个人和社会都是有利的。 SHM背后的想法是从安装在结构上的多个传感器收集数据，以便处理和提取有关结构当前状态的有用信息以实现维护和安全目的[6]。 除了将IoT集成到此类系统之后的潜力之外，从智能结构收集的数据采样量将非常庞大和复杂，以至于使用传统数据管理系统处理和处理这些数据将变得很困难， 因此大数据技术的出现，可以用来存储和处理大量的监测数据[7]。
本文的目的是提供基于WSN，物联网和大数据工具集成的SHM系统实施的概述。 本文的其余部分安排如下。 在第二部分中，对物联网进行了简要介绍。 第III部分提供了SHM的概述，第4部分介绍了基于SHM的IoT的框架。 第五部分提供了物联网环境中的详细数据路由策略。 第六部分介绍了大数据存储和处理引擎，通常用于管理来自传感器的大量数据。 最后，第七节给出了结论和未来的方向。
- 物联网背景
- 定义和体系结构
术语物联网在语义上与两个词“互联网”和“事物”相关，其中互联网被称为使用TCP / IP协议套件来互连不同计算机网络的全球系统，而事物指的是围绕我们并具有 能够感知和收集有关其环境的数据。 因此，IoT可以被定义为基于IP套件的全球系统，其中配备有传感器，射频识别（RFID）标签或条码的对象具有独特的身份，在智能环境中运行，并通过IP无缝集成到信息网络中 使用智能接口[3]，[4]。 物联网依赖于广泛的材料，网络基础设施，通信协议，互联网服务和计算技术[2]。 在物联网概念涉及的各种不同技术中，无线传感器网络是能够将传感设备集成到物联网生态系统中的最重要的技术之一。
传感设备部署在网络中，通过互联网无缝地收集和发送实时原始数据到达数据中心。 最终用户可以使用互联网服务远程控制设备。 他们还可以随时通过互联网从任何地点访问数据中心，以便检索，处理和分析数据。 物联网架构是基于多层的开放架构。 面向服务的架构是近年来研究人员采用IoT系统实现的方法之一[4]，[8]。 通过提供不同的服务，如感应，传输，收集，存储和信息处理，各层互相交互。 物联网设备和传感器受计算和能源限制。 因此，为了实现跨异构网络的互操作性并无缝地允许整个物联网系统进行数据交换，建立了不同的协议和标准。
图1显示了IoT系统的架构。
- 物联网标准和协议栈
物联网系统的发展取决于可用于互连小功率和低功率设备以及数据中间件或应用程序的标准和协议栈。各种技术都涉及物联网范例[9]。例如NFC，RFID和WSN协议，这些协议广泛用于物联网中的各种物体。正在建立针对物联网的不同标准以应对互操作性问题以及促进业务。但是，现有的标准被广泛用于实现物联网设备之间的数据交换。例如，在部署物联网设备时，IEEE 802.15.4和IEEE 802.11是最相关的通信标准[4]，[8] - [11]。使用的最流行的WSN协议之一被称为ZigBee。 ZigBee是基于IEEE 802.15.4标准的无线个人局域网中的低功耗协议，适用于无处不在的传感器网络[5]，[12]，[13]。与基于802.11标准的低功率无线局域网协议Wi-Fi相比，ZigBee处理低数据速率，但最大的优势是低能耗，因为设备的电池功率有限[14]。由于基于IEEE 802.15.4标准的传感器网络资源的限制，需要考虑的关键挑战是如何有效地适应WSN上的IP堆栈。近年来已经开发出不同的解决方案，如[15] - [17]所述。
如前所述，IP是允许通过异构网络进行数据通信的通用标准。 IoT包含大量互联网连接的设备;每个设备都有一个唯一的IP地址。多年来，基于32位的IPv4已被用于为需要连接到Internet的所有设备分配IP地址。不幸的是，可用的IPv4地址数量将很快被使用，因为连接到互联网的设备和应用程序数量迅速增加。为了使越来越多的东西适应互联网，IoT社区采用了基于128位的下一代IP，称为IPv6，为数十亿的连接设备分配IP地址。 IETF负责互联网标准的组织开展的不同项目已经提出了标准，规定在传感器节点上使用IPv6时，IoT生态系统中具有低计算能力，内存，带宽和能量[18]。这些协议中第一个众所周知的是6LoWPAN，它在低功率无线个人区域网络上定义为IPv6。该协议的开发目的是使小功率小型存储器的小型传感设备能够承载IPv6数据包并参与IoT [19]，[20]。 6LoWPAN通常用于简化IEEE 802.15.4协议链路层之上的IPv6协议实现。另一种协议被称为RPL，它是低功耗和有损网络的路由协议的缩写[18,21]。它在网络层运行，目的是通过带有损耗，低带宽和低功率无线电链路的网络传播和传播IPv6数据包。广泛用于应用层IoT的标准和协议包括受限应用协议（CoAP），高级消息队列协议和消息队列遥测传输，它们有效地用于互联和控制远程物联网设备，代理或网关，如[ 22]和[23]。
除了IETF定义的标准协议之外，其他组织也对IoT的低功耗通信协议和标准的开发感兴趣。由欧洲电信标准协会标准化的低吞吐量网络[24]以及3GPP和LoRa Alliance提供的标准都是很好的IoT标准示例，它规定了低功率广域网（LPWAN）部署的架构和接口。这些类似于长期演进（LTE）技术的标准协议完美适用于需要长距离传输低数据速率，同时最大限度延长电池寿命的设备。 LPWAN技术的例子包括SigFox，窄带 - 物联网（NB-IoT），LoRaWAN，LTE-M，无线上网（也称为Ingenu或RPMA）等[25]。这些新技术等已成为事实上的物联网标准，允许在表1中列举的广域网上的低功率设备之间传输少量数据，处理和通信。潜在的应用，部署和在[24] - [27]中总结了LPWA标准的未来挑战以及所涉及的最重要的技术。
- 物联网应用
自Ashton [28]于1999年在麻省理工学院自动识别中心给出的第一个定义以来，由于其关键技术（如WSN，RFID和云计算）促进其与现有系统的集成，物联网已经发展并成为现实。在这种背景下，物联网应用涉及广泛的领域，如安全和监控，环境监测，医疗和保健，SHM，农业，物流和运输，制造业等[29] - [35]。基于物联网的应用程序依赖创建智能环境和诸如智能家居，智能城市，智能基础设施，智能交通，智能健康，智能电网和智能产品之类的东西[3]。物联网的一个着名应用是医疗行业，随着电子设备上运行的应用程序的开发，这些设备将传感器和手机作为一个平台来实时监控个人健康状况。基于物联网应用的智能健康监测移动网关的一个很好的例子是AMBRO平台，该平台在[36]中介绍。这些类型的应用还可以用于患者或临床实验，以记录和处理数据，以便对某些常规疾病进行诊断，治疗和预防[37]。物联网在行业中的应用有望通过智能监控和服务改善业务流程和供应链管理。例如智能电力和水消费服务，智能停车服务，在线交通监控，智能交通等。
本文介绍了基于物联网的SHM系统的概念设计。 在实施这样的系统之前，需要考虑将智能传感器集成到物联网生态系统和大数据管理中的几个挑战。 基于物联网和大数据工具，将实施可靠，灵活和大规模的健康监测系统，以实时监测任何事件或结构状况的变化，并提高任何城市和地区的服务质量 农村基础设施，如建筑物，桥梁，铁路轨道等。
- 结构健康综述
自从成功地进行监测，性能评估，预测和结构完整性报告以来，SHM一直被选为制造业，土木工程和航空航天工业的相关研究课题[6]。 SHM适用于新结构以及现有结构。 SHM应用于新结构的目的是实时或定期收集有关制造，制造和施工过程中涉及的结构部件的数据，以测试新结构安装过程中的安全风险。 至于现有结构，SHM应用程序的目标是访问结构条件以计算其剩余时间。 监控系统使用各种技术跟踪结构元素或环境的任何变化，以检测可能发生的事件，维护，修理，改造和安全目的的恶化或损坏。
根据[38]，可以将SHM应用程序定义为基于四个步骤的过程。 检测，提供有关结构中是否存在任何损坏的信息。 这一步之后是确定损害可能位置的本地化步骤。 然后使用评估方法来估计损害程度。 最后一步是关于结构剩余时间的预测和预测。 Sohn等人 [39]，Worden和Dulieu-Barton [40]在损伤定位和评估之间引入了一个额外的步骤。 据作者说，在评估损害的严重程度之前应进行分类，以便提供有关损害类型的信息并有效计算结构的剩余寿命。 这意味着结构的完整性应按照以下五个步骤进行：1）检测; 2）本地化; 3）分类; 4）评估; 和5）预测。
所有的SHM系统都依靠三个主要子系统的集成来实现，以满足SHM要求并组织监控活动。 这三个子系统分别是传感和数据采集子系统，管理子系统和数据访问和检索子系统。
- 传感和数据采集子系统：数据采集组件包括传感器，用于在变化的环境条件下观察和测量适当的数据，还包括用于实时向服务器传输测量数据的数据通信系统。 该子系统涉及结构上的传感模块的选择，数量和位置。
- 数据管理子系统：数据管理子系统由数据收集技术，数据存储以及数据处理组成，以提供对结构状况的评估。数据管理基础设施的发展涉及以及用于组织从传感器获取的原始数据并在处理前消除噪音的预处理方法。数据处理任务是提取功能的基础，允许在系统中进行损坏和完好识别。已经开发了几种数据处理技术和分析模型，以试图检测和定位SHM系统中的损伤。用于处理来自传感器网络的数据的技术基于机器学习或模式识别算法。这些算法包括新颖性检测[41]，[42]，分类[43]和回归[44]方法。其中，基于人工神经网络[45] - [47]的新颖性检测近年来越来越受到人们的关注，即检测结构中的损伤。
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数据访问和检索子系统：该子系统基于在线或离线数据控制和访问; 在这个系统中进行数据分析和解释，为决策提供有用的信息。 工程师可以通过互联网远
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