Integration of Bridge Damage Detection Concepts and Components (3 volumes), TR-636, 2013

This work is divided into three volumes: Volume I: Strain-Based Damage Detection; Volume II: Acceleration-Based Damage Detection; Volume III: Wireless Bridge Monitoring Hardware. Volume I: In this work, a previously-developed structural health monitoring (SHM) system was advanced toward a ready-for-implementation system. Improvements were made with respect to automated data reduction/analysis, data acquisition hardware, sensor types, and communication network architecture. The statistical damage-detection tool, control-chart-based damage-detection methodologies, were further investigated and advanced. For the validation of the damage-detection approaches, strain data were obtained from a sacrificial specimen attached to the previously-utilized US 30 Bridge over the South Skunk River (in Ames, Iowa), which had simulated damage,. To provide for an enhanced ability to detect changes in the behavior of the structural system, various control chart rules were evaluated. False indications and true indications were studied to compare the damage detection ability in regard to each methodology and each control chart rule. An autonomous software program called Bridge Engineering Center Assessment Software (BECAS) was developed to control all aspects of the damage detection processes. BECAS requires no user intervention after initial configuration and training. Volume II: In this work, a previously developed structural health monitoring (SHM) system was advanced toward a ready-for-implementation system. Improvements were made with respect to automated data reduction/analysis, data acquisition hardware, sensor types, and communication network architecture. The objective of this part of the project was to validate/integrate a vibration-based damage-detection algorithm with the strain-based methodology formulated by the Iowa State University Bridge Engineering Center. This report volume (Volume II) presents the use of vibration-based damage-detection approaches as local methods to quantify damage at critical areas in structures. Acceleration data were collected and analyzed to evaluate the relationships between sensors and with changes in environmental conditions. A sacrificial specimen was investigated to verify the damage-detection capabilities and this volume presents a transmissibility concept and damage-detection algorithm that show potential to sense local changes in the dynamic stiffness between points across a joint of a real structure. The validation and integration of the vibration-based and strain-based damage-detection methodologies will add significant value to Iowa’s current and future bridge maintenance, planning, and management Volume III: In this work, a previously developed structural health monitoring (SHM) system was advanced toward a ready-for-implementation system. Improvements were made with respect to automated data reduction/analysis, data acquisition hardware, sensor types, and communication network architecture. This report volume (Volume III) summarizes the energy harvesting techniques and prototype development for a bridge monitoring system that uses wireless sensors. The wireless sensor nodes are used to collect strain measurements at critical locations on a bridge. The bridge monitoring hardware system consists of a base station and multiple self-powered wireless sensor nodes. The base station is responsible for the synchronization of data sampling on all nodes and data aggregation. Each wireless sensor node include a sensing element, a processing and wireless communication module, and an energy harvesting module. The hardware prototype for a wireless bridge monitoring system was developed and tested on the US 30 Bridge over the South Skunk River in Ames, Iowa. The functions and performance of the developed system, including strain data, energy harvesting capacity, and wireless transmission quality, were studied and are covered in this volume.

Data-driven topo-climatic mapping with machine learning methods

Automatic environmental monitoring networks enforced by wireless communication technologies provide large and ever increasing volumes of data nowadays. The use of this information in natural hazard research is an important issue. Particularly useful for risk assessment and decision making are the spatial maps of hazard-related parameters produced from point observations and available auxiliary information. The purpose of this article is to present and explore the appropriate tools to process large amounts of available data and produce predictions at fine spatial scales. These are the algorithms of machine learning, which are aimed at non-parametric robust modelling of non-linear dependencies from empirical data. The computational efficiency of the data-driven methods allows producing the prediction maps in real time which makes them superior to physical models for the operational use in risk assessment and mitigation. Particularly, this situation encounters in spatial prediction of climatic variables (topo-climatic mapping). In complex topographies of the mountainous regions, the meteorological processes are highly influenced by the relief. The article shows how these relations, possibly regionalized and non-linear, can be modelled from data using the information from digital elevation models. The particular illustration of the developed methodology concerns the mapping of temperatures (including the situations of Föhn and temperature inversion) given the measurements taken from the Swiss meteorological monitoring network. The range of the methods used in the study includes data-driven feature selection, support vector algorithms and artificial neural networks.

Robust power allocation algorithms for MIMO OFDM systems with imperfect CSI

This paper presents a Bayesian approach to the design of transmit prefiltering matrices in closed-loop schemes robust to channel estimation errors. The algorithms are derived for a multiple-input multiple-output (MIMO) orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system. Two different optimizationcriteria are analyzed: the minimization of the mean square error and the minimization of the bit error rate. In both cases, the transmitter design is based on the singular value decomposition (SVD) of the conditional mean of the channel response, given the channel estimate. The performance of the proposed algorithms is analyzed,and their relationship with existing algorithms is indicated. As withother previously proposed solutions, the minimum bit error rate algorithmconverges to the open-loop transmission scheme for very poor CSI estimates.

Mobiiliteknologia liikkuvan työntekijän apuna

Nomadic workers travel often between different work sites and work mainly outside their regular work place, but often require access to information stored electronically in corporate information systems. While working in field conditions, communication with an information system can be achieved by using mobile technology, i.e. mobile devices and wireless communication. This master’s thesis researches the use of mobile technology to assist nomadic field workers in their tasks. First different mobile technologies are compared and constraints that characterize mobile computing are explained. In the practical part of the thesis client software is developed for a mobile device. The software allows a nomadic construction worker to identify concrete elements and to acquire and update information concerning them. The characteristics of mobile computing and their effect on usability are taken into account when implementing the client software and the software is designed to be as easy to use as possible.

RFID-tekniikan käyttö betonielementtien tunnistamiseen

RFID on 2000-luvulla yleisesti saatavilla tullut tekniikka erilaisten kohteiden tunnistamiseen. RFID-tekniikassa tunnistamiseen käytetään pienikokoisia tunnisteita, joiden tietosisältö pystytään lukemaan langattomasti ilman näköyhteyttä tarkoitukseen soveltuvalla lukulaitteella. Tunnisteet ovat halpoja ja yksinkertaisia. Yleensä ne eivät sisällä omaa virtalähdettä, vaan ne toimivat ainoastaan lukulaitteen luoman kentän voimalla. Tässä työssä tutkitaan RFID-tekniikan soveltuvuutta betonista valmistettujen rakennuselementtien tunnistamiseen. Ympäristön vaikutukset tekniikan käyttöön tutkitaan ja selvitetään, mitkä ovat parhaat toimintatavat elementtien tunnistamiseen nämä vaikutukset huomioon ottaen. Työssä esitellään ensin RFID-tekniikan toimintaperiaatteet sekä tunnisteiden ja lukulaitteiden rakenne. Tunnisteiden jaottelu erilaisten ominasisuuksien perusteella käydään läpi ja sovellusalan kannalta tärkeimmät standardit esitellään. Käytännön osuudessa esitellään RFID-tekniikan soveltamista betonista valmistettujen rakennuselementtien tunnistamiseen. Työssä esitellään saavutetut mittaustulokset sekä betonielementtien tunnistamiseen ja tietojen hallintaan toteutetun järjestelmän rakenne.

Linear transceiver design in nonregenerative relays with channel state information

This paper deals with the design of nonregenerativerelaying transceivers in cooperative systems where channel stateinformation (CSI) is available at the relay station. The conventionalnonregenerative approach is the amplify and forward(A&F) approach, where the signal received at the relay is simplyamplified and retransmitted. In this paper, we propose an alternativelinear transceiver design for nonregenerative relaying(including pure relaying and the cooperative transmission cases),making proper use of CSI at the relay station. Specifically, wedesign the optimum linear filtering performed on the data to beforwarded at the relay. As optimization criteria, we have consideredthe maximization of mutual information (that provides aninformation rate for which reliable communication is possible) fora given available transmission power at the relay station. Threedifferent levels of CSI can be considered at the relay station: onlyfirst hop channel information (between the source and relay);first hop channel and second hop channel (between relay anddestination) information, or a third situation where the relaymay have complete cooperative channel information includingall the links: first and second hop channels and also the directchannel between source and destination. Despite the latter beinga more unrealistic situation, since it requires the destination toinform the relay station about the direct channel, it is useful as anupper benchmark. In this paper, we consider the last two casesrelating to CSI.We compare the performance so obtained with theperformance for the conventional A&F approach, and also withthe performance of regenerative relays and direct noncooperativetransmission for two particular cases: narrowband multiple-inputmultiple-output transceivers and wideband single input singleoutput orthogonal frequency division multiplex transmissions.

Ennakoivan Bluetooth -verkon hyödyntäminen paikkatietoon pohjautuvan opastusjärjestelmän toteutuksessa

Tekniikan kehitys ja elämänrytmin kiihtyminen ajaa eteenpäin sekä tarvetta että mahdollisuuksia toteuttaahenkilökohtaisia opastusjärjestelmiä. Lyhyen kantaman langattomat kommunikaatioteknologiat mahdollistavat erilaisten paikkasidonnaisten palveluiden, kuten opastusjärjestelmien toteuttamisen kohtuullisilla kustannuksilla. Markkinoilla olevista järjestelmistä sisätiloihin sijoittuvaan reaaliaikaiseen opastukseen soveltuvaa järjestelmää on vaikea löytää ja useimmat niistä hyödyntävät WLAN -tekniikkaa, joka ei ole kovin laajasti tuettuna matkapuhelimen kaltaisissa kannettavissa päätelaitteissa. Tässä työssä tuodaan esille Bluetooth -tekniikalla toteutettavien reaaliaikaisten järjestelmien ongelmia ja esitellään yksi ratkaisumalli. Toimintaa vaikeuttaa lähinnä pitkä yhteyden muodostumisaika, joka koostuu verkon laitteiden hakemiseen kuluvasta pitkästä vaikeasti kestoltaan arvioitavasta ajasta ja valittuun kohteeseen yhteyden muodostamiseen kuluneesta ajasta. Toteutetussa Bluetooth -opastusjärjestelmässä opastettavien laitteiden hakeminen liityntäpistettä vaihdettaessa on voitu jättää pois, koska yhteyden muodostamiseen vaaditut tiedot välitetään liityntäpisteille kiinteän Ethernet -verkon välityksellä. Työntuloksena syntyneen opastusjärjestelmän käyttökokemukset osoittavat opastusverkon suunnittelun olevan haastava tehtävä, mutta verkon toimintakuntoon saattamisen jälkeen järjestelmän suorituskykyyn saadaan huomattava parannus. Demonstraatiototeutus rajoittaa käytettävän laitteiston Linux-pohjaisiin järjestelmiin, vaikka laajemman käyttöönoton varmistamiseksi järjestelmä tulisi tehdä siirrettäväksiesimerkiksi Symbian -alustalle.

Langattoman tiedonsiirron hyödyntäminen kaukolämpöjärjestelmän hallinnassa

Langattomien tiedonsiirtotekniikoiden kehittyessä mielenkiinto niiden soveltamiseen teollisuudessa on kasvanut. Langattoman tiedonsiirron avulla voidaan korvata perinteiset kaapeliratkaisut ja samalla mahdollistaa uusia, lisäarvoa toiminnalle tuovia sovelluksia. Tavoitteena on kustannussäästöjen lisäksi tuotannon tehostaminen paremman tiedonkeruun ja joustavamman käyttöympäristön avulla. Kaukolämpöjärjestelmän osien väliset etäisyydet ovat useimmiten niin pitkiä, ettei lyhyen kantaman langattomia tekniikoita voida hyödyntää. Tämän työn perusteella realistisina vaihtoehtoina ovat toistaiseksi yleisten matkapuhelinverkkojen hyödyntäminen sekä radiolinkit, mutta tulevaisuudessa uudet langattomat verkkotekniikat voivat mahdollistaa ulkopuolisista operaattoreista riippumattoman mobiilin tiedonsiirtojärjestelmän toteuttamisen koko kaukolämpöjärjestelmän alueelle. Työn aikana havaittiin myös, että uusien sovellusalueiden kanssa on vielä entistäkin tärkeämpää kiinnittää huomiota huolelliseen suunnitteluun, kustannuslaskelmiin sekä tietoturvaan, jotta voidaan toteuttaa luotettava, edullinen ja toimivalangaton tiedonsiirtojärjestelmä.

Mobiilien päätelaitteiden käyttö opiskelun apuvälineenä

Kiinnostus mobiiliteknologiaa kohtion tällä hetkellä suuri ja erilaisten mobiililaitteiden ja tekniikoiden nopea kehitys on herättänyt kiinnostuksen myös mobiilioppimiseen. Diplomityössä esitetään mitä mobiililaitteita, langattomia tiedonsiirtotekniikoitaja mobiilipalveluita on tällä hetkellä käytettävissä opiskelun, opetuksen ja oppimisen avuksi. Työssä tutkitaan mitä mobiilioppiminen merkitsee käytännössä ja tuodaan esille mobiilioppimisen mahdollisuuksia ja ongelmia sekä ihmisten suhtautumista verkko- ja mobiilioppimiseen. Lisäksi työssä tutustutaan käytännön esimerkein siihen, miten laitteita on mahdollista käyttää hyväksi opiskelussa ja opetuksessa sekä tutkitaan mobiilioppimisen nykytilannetta ja pohditaan sentulevaisuutta. Mobiilit teknologiat tarjoavat parhaassa tapauksessa ajasta ja paikasta riippumattoman oppimisen lisäksi monia muita uusia mahdollisuuksia. Erilaisia mobiililaitteita, ja langattomia tekniikoita on jo tällä hetkellä paljon käytettävissä, mutta niiden käyttö koulutuksessa on kuitenkin vielä varsin harvinaista, sillä mobiilioppimiseen liittyy vielä paljon varsinkinkäytettävyyteen ja sopivien laitteiden puutteeseen liittyviä ongelmia.

LANGATTOMAN MITTAUS- JA VALVONTAJÄRJESTELMÄN PROTOKOLLAKEHITYS

Tässä diplomityössä esitellään langattoman mittaus- ja valvontajärjestelmän protokollakehitys. Työssä selvitetään protokollakehityksessä huomioon otettavat asiat ja esitetään langattoman tilavalvontaan perustuvan pilottijärjestelmän toteutus. Pilottijärjestelmänä käytetään Ensto Busch-Jaeger Oy:n Jussi-kosteusvahtijärjestelmää, joka muutetaan langattomaksi. Järjestelmän tiedonsiirto on yksisuuntaista ja tapahtuu radioyhteydellä. Käytetty taajuus on 433,92 MHz. Tavoitteena työssä oli kehittää yksinkertainen, mutta luotettava signalointijärjestelmä. Siihen toteutettu protokolla koodaa lähetettävän datan NRZ-L -koodauksen tapaisesti. Virheenkorjaus tehdään pariteettibittiä ja Hamming-etäisyyttä hyväksi käyttäen. Lisäksi tiedonsiirron yhteyskäytäntöön on lisätty rinnakkaisuutta yksisuuntaisen tiedonsiirron varmistamiseksi. Kehitetylle protokollalle tehdyt testit osoittavat sen olevan luotettava valitussa tiedonsiirtoympäristössä.

Lyhyen kantaman radiolähettimien soveltuvuus sähkökäyttöjen kunnon-valvonnan ja etädiagnostiikan tiedonsiirtotarpeisiin

Lyhyen kantaman radiolähettimien käyttö on kasvanut muutaman viime vuoden aikana huomattavasti. Osaltaan tähän on vaikuttanut uusien taajuusalueiden allokointi lupavapaiden radiolähettimien käyttöön, standardoitujen tekniikoiden yleistyminen ja laitteiden parempi saatavuus. Tässä työssä tarkastellaan lyhyen kantaman radiolähettimien soveltuvuutta sähkökäyttöjen kunnonvalvonnan ja etädiagnostiikan tiedonsiirtotarpeisiin. Työssä luodaan katsaus teollisuusympäristön vaikutuksiin langattomassa tiedonsiirrossa ja tarkastellaan sähkökäyttöjen kunnonvalvonnan ja etädiagnostiikan vaatimuksia tiedonsiirrolle ja tiedonsiirtojärjestelmälle. Työssä käydään läpi lyhyen kantaman radiolähettimiin liittyvät säädökset ja luodaan katsaus standardoituihin sekä valmistajakohtaisiin lyhyen kantaman radiotekniikoihin. Tiedonsiirtojärjestelmän suunnittelun kannalta tarkastellaan tiedonsiirtojärjestelmän topologiaa, protokollaa ja saatavilla olevia tekniikoita ja niiden implementoimista järjestelmään. Valmistajakohtaisia lyhyen kantaman radiomoduulien toimintaa ja Bluetoothin sisältävää älypuhelinta tutkitaan laboratoriomittauksin. Lopuksi kootaan yhteen langattoman tiedonsiirron ja eri tekniikoiden soveltuvuus sähkökäyttöjen kunnonvalvonnan ja etädiagnostiikan sovelluksiin.

Langattomien tietoverkkojen hyödyntäminen kuntoilujärjestelmissä

Tekniikan ja elektroniikan kehityksen myötä on voitu kehittää erilaisia kuntoilujärjestelmiä. Niiden tarkoituksena on motivoida liikkumaan, parantaa suorituksia sekä helpottaa harjoitustietojen keräystä ja analysointia. Langattomuus tuo etuja järjestelmän liikkuvuuteen ja komponenttien päivitettävyyteen. Langattomien henkilökohtaisten päätelaitteiden käyttö kuntoilujärjestelmän osana tarjoaa mahdollisuuden hyödyntää harjoitustietoja laajemmin. Langattoman kuntoilujärjestelmän luominen ei kuitenkaan ole ongelmatonta. Tässä diplomityössä keskitytään tutkimaan voidaanko tämän hetken langattomilla tietoverkoilla ja niitä käyttävillä päätelaitteilla toteuttaa sujuvasti toimiva langaton kuntoilujärjestelmä. Työssä perehdytään ensin olemassa oleviin kuntoilujärjestelmiin. Niiden ongelmia ratkomaan käytettiin langattomia tietoverkkoja. Tutkittaviksi tietoverkoiksi valitiin käytetyimmät radioverkot, joita myöhemmin hyödynnetään kuntoiluyhteisötutkimuksessa. Teoriaosaa tukemaan toteutetaan langaton kuntoilujärjestelmä. Työn tuloksena on selvitys langattoman kuntoilujärjestelmän toteuttamisen mahdollisuudesta tämän päivän tekniikoilla. Lisäksi tuloksena on langaton Bluetooth-verkkoa hyödyntävä kuntoiluohjelmisto.

Ajoneuvojärjestelmän tietoliikenne langattoman matkaviestinverkon välityksellä

Langattomien tiedonsiirtotekniikoiden kehitys on luonut mahdollisuuden Stora Enson ajoneuvojärjestelmän tietoliikennejärjestelmän uudistamiselle ja toiminnan kehittämiselle. Ajoneuvojärjestelmän tietoliikenteen tärkein tehtävä on kuljetuksen ohjaustiedon siirtäminen nopeasti ja luotettavasti Stora Enso Metsän metsäjärjestelmän, tuotantolaitosten ja ajoneuvojärjestelmän ajoneuvojen välillä. Tähän tehtävään ajoneuvojärjestelmä käyttää langatonta tiedonvälitystä. Tässä työssä suunnitellaan ja toteutetaan Stora Enson ajoneuvojärjestelmän kolmannen version tietoliikenne langattoman matkaviestinverkon välityksellä. Tietoliikennejärjestelmän langattoman tiedonvälityksen tekniset ratkaisut perustellaan. Järjestelmätestauksen suunnittelu ja toteutus Stora Enson tuotantoympäristössä esitetään. Testaustuloksia analysoidaan ja verrataan nykyiseen järjestelmään sekä asetettuihin tavoitteisiin, jotta varmistetaan tietoliikennejärjestelmälle asetettujen laatuvaatimusten täyttyminen. Lopuksi tarkastellaan ajoneuvojärjestelmän tulevaisuuden kehityskohteita ja tulevaisuuden tiedonsiirtotekniikoiden mahdollistamia tietoliikenteen kehitysmahdollisuuksia.