서포트벡터머신 기반 PVDF 센서의 결함 예측 기법

김승욱(Seung-Wook Kim),이상민(Sang-Min Lee) 한국전자통신학회 2023 한국전자통신학회 논문지 Vol.18 No.5

본 연구에서는 구조물 건전성 모니터링에 널리 활용되고 있는 PVDF(: Polyvinylidene fluoride) 센서에 나타날 수 있는 결함을 실시간으로 분류 및 예측하기 위한 방법론을 제안하였다. 센서 부착 환경에 따라 나타나는 센서의 결함 유형을 분류하였고, 임팩트 해머를 이용한 충격 시험을 수행하여 결함 유형에 따른 출력 신호를 획득하였다. 결함 유형에 따른 출력 신호간의 차이를 식별하기 위해 이들의 시간영역 통계 특징을 추출하여 데이터 집합을 구축하였다. 머신러닝 기반 분류 알고리즘들 중 센서 결함 유형 감지에 가장 적합한 알고리즘 선정을 위해 구축한 데이터 집합의 학습 및 이에 따른 결과를 분석하였고, 이들 중 SVM(: Support vector machine)이 가장 높은 성능을 보임을 확인하였다. 선정된 SVM 알고리즘의 추가적인 정확도 향상을 위해 하이퍼 파라미터 최적화 작업을 수행하였으며, 결과적으로 92.5%의 정확도로 센서 결함 유형을 분류하였고 이는 타 분류 알고리즘에 비하여 최대 13.95% 높은 정확도를 보였다. 본 연구에서 제안한 센서 결함 예측 기법은 PVDF 센서뿐만 아니라 실시간 구조물 건전성 모니터링을 위한 다양한 센서의 신뢰성을 확보하기 위한 기반 기술로 활용될 수 있을 것으로 사료된다. In this study, a methodology for real-time classification and prediction of defects that may appear in PVDF(Polyvinylidene fluoride) sensors, which are widely used for structural integrity monitoring, is proposed. The types of sensor defects appearing according to the sensor attachment environment were classified, and an impact test using an impact hammer was performed to obtain an output signal according to the defect type. In order to cleary identify the difference between the output signal according to the defect types, the time domain statistical features were extracted and a data set was constructed. Among the machine learning based classification algorithms, the learning of the acquired data set and the result were analyzed to select the most suitable algorithm for detecting sensor defect types, and among them, it was confirmed that the highest optimization was performed to show SVM(Support Vector Machine). As a result, sensor defect types were classified with an accuracy of 92.5%, which was up to 13.95% higher than other classification algorithms. It is believed that the sensor defect prediction technique proposed in this study can be used as a base technology to secure the reliability of not only PVDF sensors but also various sensors for real time structural health monitoring.

무선 센서 네트워크에서의 감지범위 보존을 위한 백업 노드 기반 결함 허용 기법

한주선(Joosun Hahn),하란(Rhan Ha) 한국정보과학회 2009 정보과학회논문지 : 정보통신 Vol.36 No.4

무선 센서 네트워크에서 센서 노드의 한정된 배터리 자원은 네트워크 수명에 직접적인 영향을 끼친다. 따라서 불필요한 전력 소모를 줄이기 위해, 많은 경우 최소한의 센서 노드만을 활성 모드로 유지하고 나머지는 휴면 모드로 유지한다. 그러나 이러한 경우, 예상하지 못한 결함으로 인해 센서 노드가 감지 및 전송 기능을 수행하지 못하게 되면 네트워크 서비스를 안정적으로 제공할 수가 없다. 따라서 센서 노드의 결함에도 불구하고 감지수준을 일정하게 유지하는 것은 신뢰성 있는 감지환경을 제공하는 데 있어 매우 중요하다. 본 논문에서는 센서 노드의 결함으로 인한 감지수준 저하의 문제를 효과적으로 극복하기 위해 FCP(Fault-tolerant Coverage Preserving) 기법을 제안한다. FCP 기법에서는 각 활성 노드에 대해 백업 노드 집합을 미리 선정하여, 활성 노드의 결함 시 결함 노드를 대신하도록 한다. 성능 평가 결과, FCP 기법이 기존 결함 허용 기법들에 비해 평균 87.2% 향상된 감지범위 보존 성능을 보일 뿐 아니라, 추가 백업 노드 수와 추가 제어 메시지 전송량 측면에서도 각각 평균 57.6%, 평균 99.5% 향상된 효율성을 제공함을 보였다. In wireless sensor networks, the limited battery resources of sensor nodes have a direct impact on network lifetime. To reduce unnecessary power consumption, it is often the case that only a minimum number of sensor nodes operate in active mode while the others are kept in sleep mode. In such a case, however, the network service can be easily unreliable if any active node is unable to perform its sensing or communication function because of an unexpected failure. Thus, for achieving reliable sensing, it is important to maintain the sensing level even when some sensor nodes fail. In this paper, we propose a new fault-tolerance scheme, called FCP(Fault-tolerant Coverage Preserving), that gives an efficient way to handle the degradation of the sensing level caused by sensor node failures. In the proposed FCP scheme, a set of backup nodes are pre-designated for each active node to be used to replace the active node in case of its failure. Experimental results show that the FCP scheme provides enhanced performance with reduced overhead in terms of sensing coverage preserving, the number of backup nodes and the amount of control messages. On the average, the percentage of coverage preserving is improved by 87.2% while the additional number of backup nodes and the additional amount of control messages are reduced by 57.6% and 99.5%, respectively, compared with previous fault-tolerance schemes.

결함이 발생하는 센서 네트워크 환경에서 다중 트리 기반 라우팅 프로토콜

박준호(Jun Ho Park),성동욱(Dong Ook Seong),여명호(Myung Ho Yeo),김학신(Hak Sin Kim),유재수(Jae Soo Yoo) 한국정보과학회 2010 정보과학회 컴퓨팅의 실제 논문지 Vol.16 No.1

최근 무선 센서 네트워크는 광범위한 분야에서 적용되어 사용되고 있다. 많은 수의 센서 노드 간의 통신으로 이루어지는 무선 센서 네트워크는 각 센서 노드에 부착된 센서들을 이용하여 주변 환경의 데이터를 획득한다. 네트워크 결함이나 토폴로지 변화와 같은 가변적인 상황에서도 질의 결과의 높은 정확도를 위한 설계 요구조건 및 적합한 라우팅 알고리즘을 구성하는 것은 중요하다. 본 논문에서는 네트워크 결함이나 토폴로지 변화에서도 높은 정확도를 보이는 새로운 라우팅 기법을 제안한다. 응용에 따라 수 개의 단일 경로 기반의 라우팅 트리를 생성하고 수집된 결과에서 가장 높은 정확도를 보이는 데이터를 최종 질의 결과로 반환한다. 제안하는 기법의 우수성을 보이기 위해 시뮬레이션을 통해 기존에 제안된 라우팅 기법과 성능을 비교하였다. 그 결과 기존의 기법과 마찬가지로 정확도가 높은 결과를 보였음에도 데이터 전송량을 약 70% 감소시키는 것을 확인할 수 있었다. Wireless sensor networks (WSN) are widely used in many applications. WSN acquires the data of surrounding environments with sensors attached to each node. It is important to design sensor networks that can communicate energy-efficiently as well as to get sensor readings with high accuracy. In this paper, we propose a novel routing scheme that assures high accuracy and significantly reduces data transmission costs in WSN with faults. First, we organize a number of network topologies randomly for routing sensor readings to the base station. Because every sensor node is connected each other with a single path, redundant transmissions are not incurred. It can reduce unnecessary transmissions and guarantee final sensor readings with high accuracy. To show the superiority of our scheme, we compare it with an existing multi-path routing scheme. In the result, our scheme has similar accuracy as the existing scheme and reduces unnecessary data transmissions by about 70% over the existing technique.

결함 데이터가 필요치 않는 비지도 학습 기반 차량 센서 고장 진단 알고리즘 개발

조경호,유승한,안창선 한국자동차공학회 2024 한국 자동차공학회논문집 Vol.32 No.1

This paper presents a new approach to fault detection in vehicle sensors that is not dependent on specific vehicle dynamics models. The proposed technique utilizes easily accessible normal signal data, thus eliminating the need for expensive fault data collection methods. It focuses on a discriminator, which is developed by using Generative Adversarial Networks(GANs), that differentiates between genuine sensor signals and synthetic signals generated by a signal generator. This discriminator acts as a fault detection mechanism that helps identify faulty sensors. This study presents the GAN-based development process, neural network structures, data collection methods, and validation procedures on fault detection. Validation through simulation with CarSim demonstrates the feasibility of designing fault detection algorithms without having to collect fault data.

데이터 중심 저장 환경에서 소실 데이터 보정 기법을 이용한 인-네트워크 병합 질의 처리

박준호(Jun Ho Park),이효준(Hyo Joon Lee),성동욱(Dong Ook Seong),유재수(Jae Soo Yoo) 한국정보과학회 2010 정보과학회논문지 : 데이타베이스 Vol.37 No.6

센서 네트워크에서 발생하는 데이터를 저장하고, 효율적으로 질의를 처리하는 기법에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다. 대표적인 연구로 데이터 중심 저장 기법이 있다. 데이터 중심 저장 기법의 경우 질의를 효과적으로 처리하기 위해 수집한 데이터 값에 따라 저장 될 센서 노드를 지정하고, 질의 처리를 위해 질의에 해당하는 데이터를 저장하는 노드에서만 데이터를 수집한다. 하지만 노드의 결함이 발생하면 결함 노드에 저장 되어 있는 전체 데이터가 소실 됨에 따라 질의 결과 정확도가 저하 되는 문제점이 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 논문에서는 데이터 중심 저장 기법에서 노드 결함에 따른 데이터 소실이 발생하여도 높은 정확도를 보이는 인-네트워크 병합 질의 처리 기법을 제안한다. 데이터 소실이 발생 하였을 경우 선형 회귀 분석 기법을 이용하여 소실 된 영역에 해당하는 보정 모델을 생성하고, 이를 통해 가상의 데이터를 포함한 질의 결과를 반환한다. 제안하는 기법의 우수성을 보이기 위해 시뮬레이션을 통해 소실 데이터 보정 기법을 적용한 KDDCS(E-KDDCS) 기법과 기존의 데이터 중심 저장 기법과 성능을 비교하였다. 그 결과 기존 기법에 비해 질의 결과 정확도가 향상되었고, 질의 처리 시 에너지 소모를 감소시켰다. In Wireless Sensor Networks (WSNs), various Data-Centric Storages (DCS) schemes have been proposed to store the collected data and to efficiently process a query. A DCS scheme assigns distributed data regions to sensor nodes and stores the collected data to the sensor which is responsible for the data region to process the query efficiently. However, since the whole data stored in a node will be lost when a fault of the node occurs, the accuracy of the query processing becomes low. In this paper, we propose an in-network aggregation query processing method that assures the high accuracy of query result in the case of data loss due to the faults of the nodes in the DCS scheme. When a data loss occurs, the proposed method creates a compensation model for an area of data loss using the linear regression technique and returns the result of the query including the virtual data. It guarantees the query result with high accuracy in spite of the faults of the nodes. To show the superiority of our proposed method, we compare E-KDDCS (KDDCS with the proposed method) with existing DCS schemes without the data-loss correction method. In the result, our proposed method increases accuracy and reduces query processing costs over the existing schemes.

데이터 중심 저장 환경에서 높은 정확도를 갖는 소실 데이터 보정 기법

박준호,유석종,성동욱,유재수 한국정보과학회 2011 데이타베이스 연구 Vol.27 No.1

In wireless sensor networks (WSNs), various data‐centric storage (DCS) schemes have been proposed to store the collected data and to efficiently process a query. The DCS scheme assigns divided data regions to sensor nodes and stores the collected data to the sensor which is responsible for the data region to process the query efficiently. However, since the whole data stored in a node will be lost when the fault of a node occurs, the accuracy of the query processing becomes low. To solve such a problem, we propose a new data correction method for high accuracy in DCS schemes with faults. The proposed method assures the high accuracy of the query result in the case of data losses due to the faults of the nodes in the DCS scheme. When a data loss occurs, the proposed method generates a compensation model against the area of the data loss data distribution patterns and data variation rate of the data. It returns the query results including virtual data by using the compensation model. Therefore, it guarantees the query result with high accuracy in spite of the faults of the nodes. To show the superiority of our proposed method, we compare the proposed method with the conventional data‐loss correction method. In the result, the proposed method shows about 19% accuracy rates on average in the various data sets. 최근 무선 센서 네트워크 환경에서 감지되는 데이터를 네트워크상에 효과적으로 저장하고 처리하기 위한 다양한 기법들이 제안되었다. 대표적인 연구로 데이터중심 저장 기법이 있다. 데이터 중심 저장 기법의 경우 질의 처리에는 효과적이지만, 노드의 결함이 발생하면 결함 노드에 저장 되어 있는 전체 데이터가 소실 됨에따라 질의 결과 정확도가 저하 되는 문제점이 발생한다. 최근 이와 같은 데이터 소실 문제를 해결하기 위해 선형 회귀 분석 기법을 기반으로 보정 모델을 생성하는E‐KDDCS가 제안되었다. 하지만 E‐KDDCS의 경우, 선형 회귀 분석 기법을 이용하여 데이터의 분포 패턴이나 변화율을 고려하지 않는 단순한 보정 모델을 생성하기 때문에, 결과적으로 낮은 정확도의 질의 결과를 보인다. 본 논문에서 데이터중심 저장 기법에서의 정확도 높은 소실 데이터 보정 기법을 제안한다. 제안하는 기법은 데이터 존재 영역의 데이터의 분포 패턴 및 변화율을 고려하여 보정 모델을 생성함으로써, 기존의 기법에 비해 높은 정확도를 가지는 가상 데이터를생성하는 것이 가능하다. 제안하는 기법의 우수성을 보이기 위해 시뮬레이션을통해 기존의 소실 데이터 보정(EKDDCS) 기법과 제안하는 기법과의 성능을 비교하였다. 그 결과 기존 기법에 비해 평균 19% 이상의 질의 결과 정확도의 향상을 보였다.

클러스터 기반 라우팅 프로토콜을 위한 결함허용기법

민홍(Hong Min),김봉재(Bongjae Kim),정진만(Jinman Jung),김석현(Seukhyun Kim),윤진혁(Jinhyuk Yoon),조유근(Yookun Cho),허준영(Junyoung Heo),이상호(Sangho Yi),홍지만(Jiman Hong) 한국정보과학회 2010 정보과학회 컴퓨팅의 실제 논문지 Vol.16 No.6

무선 센서 네트워크에서의 결함 허용은 센서 노드의 취약성 보완과 신뢰성 높은 정보 제공을 위해 필요하다. 센서 노드들의 자원 제약적인 특성 때문에 오류에 노출되기 쉬우며, 기존의 체크포인팅 기법 들은 센서 네트워크의 특성을 고려하지 않고 설계되었기 때문에 이를 적용하기 어렵다. 본 논문에서는 클러스터 기반의 라우팅 프로토콜에 체크포인팅 기법을 적용하여 헤드 노드의 결함 시 발생할 수 있는 정보 손실과 높은 복구 비용 문제를 해결하는 방법을 제안한다. In wireless sensor networks, a fault-tolerant scheme that detects the failure of sensor nodes and improves the reliability of collected information must be considered. Resource-constraint sensor nodes expose vulnerability and cannot use existing checkpointing schemes that do not consider a feature of sensor networks. In this paper, we propose a fault-tolerant scheme for clustering routing protocols that support the recovery of a head node.

쇽 펄스 센서를 이용한 저속 축 베어링의 결함 검출

양영훈(Young-Hun Yang),이중혁(Joong-Hyeok Lee),박선미(Sun-Mi Park),김석현(Seockhyun Kim) 대한기계학회 2018 대한기계학회 논문집. Transactions of the KSME. C, 산업기술과 혁신 Vol.6 No.2

메가와트 급의 대형 풍력터빈은 매우 낮은 속도로 장시간 회전하면서 전력을 생산한다. 터빈에 사용되는 베어링은 반복 하중에 장시간 노출되면서 결함이 발생하기 쉬운 요소이다. 큰 고장을 사전에 방지기 위해서는 베어링의 결함을 초기에 진단하는 것이 중요하다. 그러나 축의 회전속도가 낮고 하중이 작을 때, 작은 결함에서 내는 미세한 이상 진동은 일반적인 가속도계로는 그 검출이 쉽지 않다. 쇽펄스 센서는 베어링과 내·외륜 사이에 미세한 충돌이 발생할 때, 이를 공진 증폭 시켜 유의미한 검출신호를 출력시킨다. 본 연구에서는 저속 회전기계 모듈을 제작하여 가속도계로 신호 검출이 어려울 정도의 작은 결함을 만들었다. 이를 대상으로 쇽 펄스 센서로 미세한 결함 신호의 검출이 가능한지를 확인하였다. Large megawatt wind turbines produce electricity at very low speeds for long periods of time. The bearings used in the turbine are susceptible to failure due to prolonged exposure to cyclic loads. It is important to diagnose bearings defects early to prevent large failures in advance. However, when the rotation speed of the shaft is low and the load is small, it is not easy to detect a minute abnormal vibration from a small defect by a general accelerometer. When a slight collision occurs between the bearing and the inner/outer races, the shock pulse sensor is resonated and generates a defect signal. In this study, a low - speed rotating machine module was fabricated and made a small defect that is difficult to detect signal with accelerometer. With this module, we examined whether a shock pulse sensor can detect a minute defective signal.

무선 센서 네트워크를 위한 간섭 인지 기반의 결함 허용 QoS 라우팅 기법

김현태(Hyun-Tae Kim),나인호(In-Ho Ra) 한국지능시스템학회 2012 한국지능시스템학회논문지 Vol.22 No.2

본 논문에서는 무선 센서 네트워크에서 실시간 대용량 데이터를 전송하과 할 때 QoS 요구조건과 에너지 효율성 요구를 만족시킬 수 있는 간섭 인지 기반의 결함 허용 QoS 라우팅 기법을 제안한다. 제안된 기법에서는 처리량을 최대화하고 지연시간을 최소화하기 위해 간섭비율과 예측전송시간을 기반으로 하는 새로운 누적 경로 메트릭을 사용하여 전송 경로에 결함이 발생하더라도 최적의 전송경로를 결정하도록 한다. 마지막으로, 시뮬레이션을 통하여 제안된 라우팅 기법을 사용하면 네트워크 처리량 및 지연시간 측면에서 성능이 향상됨을 보인다. In this paper, we propose a fault-tolerant QoS routing scheme based on interference awareness for providing both high throughput and minimum end-to-end delay for wireless sensor networks. With the proposed algorithm, it is feasible to find out the optimal transimission path between sensor nodes to the sink node by using cumulative path metric where real-time delivery, high energy efficiency and less interference are considered as in path selection. Finally, simulation resules show that network throughput and delay can be inproved by using the proposed routing scheme.

센서 네트워크 환경에서 가상 식별자를 이용한 에너지 효율적인 다중 경로 데이터 라우팅 기법

박준호(Junho Park),여명호(Myungho Yeo),성동욱(Dongook Seong),권현호(Hyunho Kwon),이현정(Hyunjung Lee),유재수(Jaesoo Yoo) 한국콘텐츠학회 2011 한국콘텐츠학회논문지 Vol.11 No.7

결함이 발생하는 센서 네트워크 환경에서 데이터 전송의 신뢰도와 집계질의의 정확도를 보장하기 위해 각 센서 노드들에 유일한 비트 식별자를 할당하고, 이를 이용한 다중 경로 라우팅 기법이 제안되었다. 하지만 기존 다중 경로 라우팅 기법은 네트워크 토폴로지 변경 시 발생하는 노드 식별자의 재할당에 따른 높은 갱신비용이 발생한다. 본 논문에서는 데이터의 중복 집계를 방지하는 동시에 식별자 갱신 비용을 줄이는 새로운 라우팅 기법을 제안한다. 제안하는 기법의 우수성을 보이기 위해 시뮬레이션을 통해 기존 기법과 성능을 비교평가 하였다. 그 결과, 제안하는 기법은 네트워크 결함에 따른 복구에 필요한 데이터 전송량을 평균 95% 감소시켰고 단위 질의당 데이터 전송량을 최대 22% 감소시켰다. The multi-path routing schemes that assigns labels to sensor nodes for the reliability of data transmission and the accuracy of an aggregation query over the sensor networks where data transfer is prone to defect have been proposed. However, the existing schemes have high costs for reassigning labels to nodes when the network topology is changed. In this paper, we propose a novel routing method that avoids duplicated data and reduces the update cost of a sensor node. In order to show the superiority of the proposed scheme, we compare it with the existing scheme through the various experiments. Our experimental results show that our proposed method reduces about 95% the amount of the transmitted data for restoration to node failure and about 220% the amount of the transmitted data for query processing over the existing method on average.