Wireless sensor networks for Industrial health assessment based on a random forest approach

par Wiem Elghazel

Thèse de doctorat en Automatique

Soutenue le 09-12-2015

à Besançon , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; Dijon ; Belfort) , en partenariat avec FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) (laboratoire) et de Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies / FEMTO-ST (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Réseaux de capteurs sans fil pour l'évaluation de l'état de santé de systèmes industriels


  • Résumé

    Une maintenance prédictive efficace se base essentiellement sur la fiabilité des données de surveillance.Dans certains cas, la surveillance des systèmes industriels ne peut pas être assurée à l’aide de capteurs individuels ou filaires. Les Réseaux de Capteurs Sans Fil (RCSF) sont alors une alternative. Vu la nature de communication dans ces réseaux, la perte de données est très probable. Nous proposons un algorithme distribué pour la survie des données dans le réseau. Cet algorithme réduit le risque d’une perte totale des paquets de données et assure la continuité du fonctionnement du réseau. Nous avons aussi simulé de différentes topologies du réseau pour évaluer leur impact sur la complétude des données au niveau du nœud puits. Par la suite, nous avons proposé une démarche d’évaluation de l’état de santé de systèmes physiques basée sur l’algorithme des forêts aléatoires. Cette démarche repose sur deux phases : une phase hors ligne et une phase en ligne. Dans la phase hors ligne, l’algorithme des forêts aléatoires sélectionne les paramètres qui contiennent le plus d’information sur l’état du système. Ces paramètres sont utilisés pour construire les arbres décisionnels qui constituent la forêt. Dans la phase en ligne, l’algorithme évalue l’état actuel du système en utilisant les données capteurs pour parcourir les arbres construits. Chaque arbre dans la forêt fournit une décision, et la classe finale est le résultat d’un vote majoritaire sur l’ensemble de la forêt. Quand les capteurs commencent à tomber en panne, les données décrivant un indicateur de santé deviennent incomplètes ou perdues. En injectant de l’aléatoire dans la base d’apprentissage, l’algorithme aura des points de départ différents, et par la suite les arbres aussi. Ainsi, l’absence des mesures d’un indicateur de santé ne conduit pas nécessairement à l’interruption du processus de prédiction de l’état de santé.


  • Résumé

    An efficient predictive maintenance is based on the reliability of the monitoring data. In some cases, themonitoring activity cannot be ensured with individual or wired sensors. Wireless sensor networks (WSN) arethen an alternative. Considering the wireless communication, data loss becomes highly probable. Therefore,we study certain aspects of WSN reliability. We propose a distributed algorithm for network resiliency and datasurvival while optimizing energy consumption. This fault tolerant algorithm reduces the risks of data loss andensures the continuity of data transfer. We also simulated different network topologies in order to evaluate theirimpact on data completeness at the sink level. Thereafter, we propose an approach to evaluate the system’sstate of health using the random forests algorithm. In an offline phase, the random forest algorithm selects theparameters holding more information about the system’s health state. These parameters are used to constructthe decision trees that make the forest. By injecting the random aspect in the training set, the algorithm (thetrees) will have different starting points. In an online phase, the algorithm evaluates the current health stateusing the sensor data. Each tree will provide a decision, and the final class is the result of the majority voteof all trees. When sensors start to break down, the data describing a health indicator becomes incompleteor unavailable. Considering that the trees have different starting points, the absence of some data will notnecessarily result in the interruption of the prediction process.


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Informations

  • Sous le titre : Wireless sensor networks for Industrial health assessment based on a random forest approach
  • Détails : 1 Vol. (112 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.105-112.
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