CC BY
152Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 4 Курск: Науком, 2012. - 128 с., ил. ISBN 978-5-4297-0004-5
ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ В ГОСУДАРСТВЕННОМ И МУНИЦИПАЛЬНОМ
УПРАВЛЕНИИ
УДК 004.8
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2013 гг.», государственный контракт № 07.514.11.4115.
Уваров А.Н., Челышов С.Ю.
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ МОНИТОРИНГ ТЕРРИТОРИЙ СУБЪЕКТОВ РФ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ
Рассмотрена технология беспроводных сенсорных сетей для реализации подсистемы мониторинга территорий субъектов РФ в информационно-аналитических систем органов власти.
Беспроводная сенсорная сеть (БСС) - это сеть, узлами которой являются миниатюрные устройства (моты), выполняющие одновременно вычислительные и коммуникационные функции. В узле размещаются процессор, память - флэш и оперативная, цифроаналоговые и аналогоцифровые преобразователи, радиочастотный приемопередатчик, источник питания и различные датчики (рис. 1).
8
Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 4 -Курск: Науком, 2012. - 128 с., ил. ISBN 978-5-4297-0004-5
Рис. 1 - Схема построения узла БСС
Простота аппаратной части узлов позволяет добиться низкой стоимости одного устройства, что дает возможность создавать сети, состоящие из нескольких тысяч элементов. Благодаря низкому энергопотреблению, узлы могут работать от одного источника питания в течение от нескольких месяцев до нескольких лет. БСС являются одним из современных направлений развития самоорганизующихся отказоустойчивых систем наблюдения и управления распределенными процессами. Возможность развертывания сети в сложных условиях, отсутствие физических коммуникаций и минимальные размеры сенсорных устройств определяют перспективность и целесообразность применения технологий БСС для создания подсистем мониторинга ИАС ОВ.
Существующие БСС различаются по следующим основным критериям: сфере применения, географической протяженности, локализации абонентов, способу сбора данных, архитектурным решениям, реализации позиционирования устройств.
По географической протяженности сети различают: персональные, локальные, региональные, глобальные БСС.
По способу локализации или размещения абонентов БСС различаются на: динамические (мобильные) и статические (фиксированные). Динамический способ размещения характерен для ряда задач, требующих постоянного определения координат узла и его размещения относительно соседей. Такие задачи решаются при мониторинге движения объекта, на котором размещены узлы, в пространстве. Статическая локализация БСС применяется при решении задач мониторинга параметров окружающей обстановки.
Согласно работе [1], сбор данных БСС может производиться различными способами в зависимости от целевого назначения конкретной сети. Принимая во внимание различные способы использования сетевых ресурсов, БСС можно разделить на классы в зависимости от вида их
9
Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 4 -Курск: Науком, 2012. - 128 с., ил. ISBN 978-5-4297-0004-5
функционирования и типа целевого приложения: проактивные сети, реактивные сети, гибридные сети.
Узлы проактивной сети снимают показания и передают их на базовую станцию в определенный период времени, формируя, таким образом, картину окружающей обстановки. Проактивные сети используются обычно для приложений, требующих регулярного мониторинга факторов, составляющих описание некоторой обстановки.
Узлы реактивных сетей так же снимают показания в определенный период, однако не передают их, если полученные данные попадают в определенную область нормальных показаний. В то же время сведения о выходе за диапазон нормальных значений оперативно передаются на базовую станцию. Этот вид сети предназначен для работы с приложениями реального времени.
Гибридные сети - это комбинация двух вышеперечисленных типов, где сенсорные узлы не только периодически отправляют снятые данные, но и реагируют на резкие изменения в значениях.
Наиболее перспективной структурой БСС для обеспечения функционирования подсистемы мониторинга ИАС ОВ является гибридная сеть.
Существующие технологии построения БСС позволяют строить крупномасштабные сети для сбора и первичной обработки данных, составляющих описание обстановки на территориях субъектов РФ. При этом передача данных по сети осуществляется «по цепочке» от одного устройства к другому. Маршруты передачи данных формируются автоматически таким образом, чтобы за конечное число пересылок по сети, данные с каждого узла были переданы на шлюз - устройство, имеющее соединение с аппаратным и программным обеспечением ИАС ОВ. В случае выхода из строя одного или нескольких узлов, структура сети изменится таким образом, чтобы информация со всех работающих узлов могла быть получена указанным шлюзом.
При построении подсистемы мониторинга ИАС на основе БСС возникает задача рационального размещения узлов сети на местности. Задача размещения узлов БСС на исследуемой территории может быть решена как размещением каждого узла вручную, так и упрощенно (например, путем разбрасывания устройств с самолета), что позволяет устанавливать узлы в труднодоступных местах. В первом и во втором случае возникает необходимость контроля процесса создания структуры БСС, так как из-за недостаточной энергоемкости и внешних воздействий некоторые узлы могут быть недоступны для остальной сети на какой-то промежуток времени. Это означает существование необходимости динамической модификации маршрутов передачи данных в БСС, что предпо-
10
Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 4 -Курск: Науком, 2012. - 128 с., ил. ISBN 978-5-4297-0004-5
лагает автоматический выбор узлами схемы организации сети и маршрутов передачи данных.
В случае выхода узлов из строя или добавления новых узлов в сеть, поток данных от других узлов к базовой станции сети должен перераспределяться с учетом изменения конфигурации (рис. 2).
а) функционирование сенсорной сети в штатном режиме; б) удаление узла; в) добавление узла Рис. 2 - Возможные варианты изменения конфигурации сенсорной сети
Показано, что при построении подсистемы мониторинга ИАС ОВ на основе БСС необходимо учитывать недопущение повторной передачи одних и тех же данных от различных узлов. Поток данных от узлов к базовой станции должен перераспределяться с учетом изменений конфигурации сети, а образующиеся зоны недоступности должны определяться автоматически. При этом недостающие данные должны восполняться за приемлемое время. Аналогично, в случае добавления новых узлов в сеть, ее топология должна быть определена автоматически, а поток данных перераспределен соответствующим образом.
С целью поиска архитектурных решений для реализации подсистемы мониторинга ИАС ОВ проведен анализ существующих вариантов реализации БСС. В ходе анализа установлено, что выделяют два типа архитектуры БСС: однородные (одноранговые) и иерархические (кластерные) [1, 2].
Однородность сети подразумевает, что все узлы выполняют одинаковые функции при сборе, обработке и передаче информации. Данный тип сетей представлен платформой MeshLogic, являющейся разработкой российской компании «Высокотехнологичные системы», рис. 3.
В соответствии с этой платформой в сети определяется центральный функциональный узел, принимающий и обрабатывающий все данные, или шлюз для передачи данных на обработку узлу, сеть создается автоматически (Ad Hoc - «для конкретного случая»). Возможность
11
Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 4 -Курск: Науком, 2012. - 128 с., ил. ISBN 978-5-4297-0004-5
самоорганизации и самовосстановления данной топологии позволяет в случае выхода части узлов из строя спонтанно формировать новую структуру сети. Этот подход позволяет добиться оптимальной маршрутизации. Пересылка данных происходит по кратчайшим маршрутам, что позволяет добиться экономии таких важных ресурсов, как энергия (передача идет по маршруту с самым высоким запасом энергии) и время (передача происходит по самому короткому маршруту). Для критически важных данных может быть организована передача по наиболее надежному пути. Однако при такой организации сети формирование связей между узлами происходит случайно, что приводит к столкновениям пакетов и возникновению задержек, связанным с выходом из спящего режима узлов, находящихся на выбранном пути передачи.
Рис. 3 - Одноранговая топология сети на основе MeshLogic
Вторым типом архитектуры является иерархическая. Она основана на выделении из топологии областей, называемые кластерами. Внутри каждого кластера имеется маршрутизатор - узел, который отвечает за сбор информации со всего кластера, ее обработку и дальнейшую передачу. Остальные узлы кластера осуществляют только сбор данных и передачу их маршрутизатору. Узлы в иерархической сети не равноправны. Во-первых, агрегирование данных происходит на маршрутизаторах, и, во-вторых, пересылка агрегированных данных далее может производиться только маршрутизаторами. Таким образом, минимизируются задержки передачи, поскольку маршрутизаторы доступны всегда. Столкновения пакетов исключены благодаря централизованному методу создания ссылок. Однако такая маршрутизация не предоставляет оптимальных путей передачи данных. К тому же узел, выполняющий функции маршрутизатора, тратит значительно больше энергии, что приводит
12
Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 4 -Курск: Науком, 2012. - 128 с., ил. ISBN 978-5-4297-0004-5
к быстрому истощению его батарей. Данный тип сетей представлен в реализации платформой ZigBee, являющейся разработкой альянса ZigBee, (рис. 4).
Рис. 4 - Кластерная архитектура БСС на основе ZigBee
Для построения маршрута узел должен иметь возможность самостоятельно определить свое местоположение, по крайней мере, по отношению к тому другому узлу, которому он будет передавать данные. То есть сначала происходит идентификация всех узлов, а затем уже формируется схема маршрутизации
Узлы стандарта ZigBee могут быть трех видов:
- координатор - управляет работой сети, хранит данные о ее топологии и служит шлюзом для передачи данных, собираемых всей беспроводной сенсорной сетью, для дальнейшей обработки;
- маршрутизатор - может принимать и передавать данные, а также определять направления передачи;
- источник - может передавать данные ближайшему маршрутиза-
тору.
В этом случае кластер образуют маршрутизатор и простейшие узлы, у которых он запрашивает мониторинговые данные. Маршрутизаторы кластеров ретранслируют данные друг другу, и, в конечном счете,
13
Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 4 -Курск: Науком, 2012. - 128 с., ил. ISBN 978-5-4297-0004-5
данные передаются координатору. Координатор имеет связь с IP-сетью, куда и направляются данные для окончательной обработки.
Стандарт IEEE 802.15.4/ZigBee обладает значительно большей гибкостью и может быть использован для построения подсистемы мониторинга ИАС. При этом для реализации подсистемы мониторинга ИАС ОВ в части современной и оперативной передачи мониторинговых данных необходимо, чтобы узлы имели возможность автоматического определения собственного местоположения, как на местности, так и по отношению к сегментам БСС. То есть, сначала необходима идентификация всех узлов, а затем - формирование схем маршрутизации.
Ввиду того, что топология БСС во время ее функционирования может меняться по различным причинам (выход одного или нескольких устройств сети из строя; добавление нового устройства или нескольких устройств; перемещение устройства в пространстве; прекращение радиосвязи между двумя устройствами вследствие появления препятствия, источника помех, изменения характеристик среды передачи; восстановление радиосвязи между устройствами) возникает задача определения физических координат расположения устройств сети - позиционирования [3]. В задаче позиционирования можно выделить две подзадачи: первая - задание системы координат, вторая - вычисление расстояния между узлами.
В случае, когда источником эталонных координат является устройство, оборудованное чипсетом GPS, - система координат может быть глобальной. Система будет относительной, в случае, когда узлы используют условные координаты. Дистанция может вычисляться на основе радиосигнала двумя методами: первый основан на вычислении числа скачков, второй на измерении силы сигнала [3].
В настоящее время концепция построения БСС еще не оформлена в четкие программно-аппаратные (платформенные) решения, которые можно было бы использовать для организации мониторинга в ИАС ОВ субъектов РФ в готовом виде. Современное состояние технологий построения БСС определяет следующие особенности, требующие учета при построении подсистемы мониторинга ИАС ОВ субъектов РФ:
- недостаточная энергоемкость сенсоров, определяющая необходимость замены элементов питания;
- зависимость от внешних воздействий (радиопомех, физических особенностей местности);
- возможность непрогнозируемого выхода из строя узлов;
- проблемы синхронизации (помехи, дублирование сигнала);
- масштабируемость БСС.
14
Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 4 -Курск: Науком, 2012. - 128 с., ил. ISBN 978-5-4297-0004-5
Функционирование БСС в общем случае зависит от следующих факторов: функционирования каждого отдельно взятого узла; локализации каждого узла в пространстве (относительно соседей и координат); характеристики среды передачи данных; характеристики данных, на которые БСС должна реагировать.
В силу того, что БСС для ИАС ОВ необходимо разворачивать на открытых и легкодоступных участках местности территорий субъектов РФ, необходимо использовать специальные процедуры для защиты передаваемой информации от возможных случайных или преднамеренных искажений. Обеспечение надежности результата наиболее важно, так как его искажение может привести к более сильному искажению информации о контролируемых параметрах, чем искажение данных отдельных сенсоров.
Проведенный анализ особенностей технологий БСС позволил сформулировать следующие требования к подсистеме мониторинга на базе БСС в ИАС ОВ: низкая стоимость; низкая энергоемкость; устойчивость к внешним воздействиям и радиопомехам; самонастраниваемость, автоматический выбор схемы организации сети; возможность получения достоверных данных с территорий субъектов РФ при выходе из строя отдельных узлов или сегментов сетей.
Таким образом, с учетом того, что требования по самонастраивае-мости и получении данных при выходе из строя сегментов сети предполагают использование нестандартных решений по управлению функционированием БСС, основанных на знаниях экспертов, происходит интеллектуальный мониторинг территорий субъектов РФ, реализованный в ИАС ОВ.
Библиографический список
1. Клименко, Н.Е., Сергиевский, М.В., Сыроежкин, С.Н. Применение беспроводных сенсорных сетей для оценки состояния критически важных объектов. Научная сессия МИФИ-2009. Том V, с. 63-66.
2. Бурдонов, И.Б. Операционные системы реального времени / И.Б. Бурдонов, А.С. Косачев, В.Н. Пономаренко. - М.: CITForum, 2006. - 347 c.
3. Файзулхаков, Я.Р., Пыптев, С.А. Анализ методов позиционирования узлов беспроводной сенсорной сети // II международная научнопрактическая конференция «Современные информационные технологии и ИТ-образование», Москва, декабрь 2006 г.
15
