Повышение эффективности мониторинга эксплуатационного состояния средств навигационного оборудования в прибрежной зоне

• Автор: Шейкин, Трифон Юрьевич
• Шифр специальности: 05.12.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 124 с. : ил.

Оглавление
Введение

1. Проблемы современных систем мониторинга СНО

1.1. Средства навигационного оборудования как объект мониторинга

1.2. Классификация технологий передачи данных в системах мониторинга СНО

1.3. Технология беспроводных сенсорных сетей

2. Проектирование коммуникационной инфраструктуры системы

мониторинга СНО на базе технологии сенсорных сетей

2.1. Структурная надежность коммуникационной инфраструктуры

системы мониторинга СНО

2.2. Энергетическая эффективность коммуникационной инфраструктуры

системы мониторинга СНО
2.3. Математическая модель задачи оптимального размещения шлюзов
в сенсорной сети
2.4. Алгоритм определения пригодности схемы размещения шлюзов
2.5. Методика проектирования коммуникационной инфраструктуры системы мониторинга СНО на базе технологии сенсорных сетей
3. Обеспечение надежности сети системы мониторинга СНО
3.1. Методика обеспечения двусвязности сети
3.2. Влияние методики обеспечения двусвязности на размер множества
вариантов размещения шлюзов
4. Обеспечение энергетической эффективности системы мониторинга СНО
4.1. Точный алгоритм
4.2. Генетический алгоритм
4.3. Алгоритм муравьиной колонии
4.4. Экспериментальная оценка алгоритмов оптимизации
Заключение
Список сокращений и условных обозначений
Список литературы
Введение
Актуальность: Задача безопасности мореплавания является одним из приоритетных
направлений развития международного морского сообщества. Современные задачи развития морского флота России и его инфраструктуры требуют новых подходов в решении с использованием достижений бурно развивающегося технического прогресса. Например, в настоящий момент существует проблема становления Северного морского пути, как трансконтинентальной Евро-Азиатской судоходной магистрали в Арктике [47], что требует серьезного обновления инфраструктуры системы обеспечения навигационной безопасности в данном регионе. Средства навигационного оборудования (СНО) являются неотъемлемой частью подобной системы и, как правило, испытывают повышенное воздействию внешней среды, поэтому аппаратура, устанавливаемая на таких знаках, больше подвержена различным повреждениям и выходу из строя. Таким образом, появляется необходимость минимизировать как вероятность, так и время обнаружения отказа аппаратуры навигационного знака. Для своевременного обнаружения или предупреждения выхода из строя объекта СНО целесообразно применять систему мониторинга эксплуатационных параметров. В данной работе предлагается использование современных технологий передачи данных в системах мониторинга СНО и их эффективное применение.
В настоящее время технология беспроводных сенсорных сетей (СС) на основе реактивного протокола маршрутизации Ad-hoc On-demand Distance Vector (AODV) достаточно широко распространена в различных системах мониторинга. Сенсорной сетью называют множество датчиков (сенсоров), объединенных между собой радиоканалом. В предлагаемом исследовании рассматривается возможность применения сенсорных сетей, а именно эффективная реализация их потенциала в коммуникационной инфраструктуре системы мониторинга СНО, что требует глубокого понимания достоинств и недостатков функциональных характеристик данной технологии. Ключевая особенность передатчиков сенсорной сети заключается в самоорганизации и возможности ретрансляции сообщений между узлами. Соответственно, ретрансляция сообщений позволяет сократить мощность и получить сверхмалое энергопотребление передатчиков, что является важным параметром для СНО с автономными источниками питания. Недостатком технологии сенсорных сетей является то, что с сокращением излучаемой мощности уменьшается радиус действия передатчика. В случае применения сенсорных сетей в крупномасштабных системах мониторинга существует вероятность возникновения проблем, связанных с отсутствием связи между некоторыми сегментами сети из-за большого расстояния между навигационными знаками. Исключение подобных проблем возможно путем применения более мощных передатчиков, которые могут
выполнять функции шлюзов сети. Например, могут использоваться передатчики сотовой связи или УКВ-модемы. Таким образом, построение коммуникационной инфраструктуры систем мониторинга СНО на базе технологии сенсорных сетей с применением шлюзов является перспективным направлением развития.
Как правило, средства СНО оснащены автономными источниками питания и располагаются в труднодоступных местах, поэтому важными показателями эффективности системы мониторинга СНО являются рациональное использование энергетического ресурса объектами и надежность системы передачи данных. В сенсорной сети существует вероятность потери связи с исправными узлами в случае выхода из строя промежуточных узлов ретрансляторов и отсутствия альтернативных маршрутов доставки отчетов к шлюзу. Таким образом, очевидна необходимость в обеспечении некоторой степени надежности сенсорной сети. Количество энергии, потребляемой узлами, зависит не только от аппаратной платформы и функциональных настроек сети, но и от схемы размещения шлюзов, т.к. в СС узлы затрачивают энергию на передачу собственных сообщений и их ретрансляцию от других узлов. Соответственно необходимо разместить шлюзы таким образом, чтобы при передаче данных в сети узлы ретрансляторы расходовали допустимое количество энергии. Эффективное применение технологии сенсорных сетей в данной работе заключается в обеспечении некоторой степени надежности и энергетической эффективности сети навигационных знаков путем оптимального размещения шлюзов. В настоящий момент отсутствуют как критерии оптимальности подобных сетей, так и методики их проектирования. Таким образом, актуальность тематики исследования заключается в необходимости разработки методики, позволяющей проектировать эффективную коммуникационную инфраструктуру системы мониторинга СНО на базе технологии сенсорных сетей с применением шлюзов, учитывающей ее основные достоинства и недостатки. При малой размерности задачи размещения шлюзов в сенсорной сети, оптимальное решение можно найти путем перебора всех допустимых вариантов решений. Однако при росте размера задачи время, необходимое для поиска решения, будет расти экспоненциально.
В настоящее время известны работы таких исследователей в области технологии беспроводных сенсорных сетей, как С.С. Баскаков, В.А. Мочалов, М.М. Комаров, М. Дарги. Также следует отметить работы М. Дориго, Д. Голдберга, Дж. Холланда, Ю.А. Кочетова, В.М. Курейчика, Т.В. Левановой в области применения биологических механизмов поиска при решении оптимизационных задач. В то же время до сих пор не разработаны алгоритмы, позволяющие найти оптимальное размещение шлюзов для сенсорных сетей на основе реактивного протокола АСЮУ для системы мониторинга навигационных знаков с учетом обеспечения требуемой степени надежности и энергоэффективности сети за приемлемое время.

систему обеспечения необходимого количества энергии. Для минимизации затрат при формировании коммуникационной инфраструктуры системы мониторинга количество шлюзов должно быть минимально возможным. Данное условие становится особенно важным для крупномасштабных сенсорных сетей.
Таким образом, на этапе проектирования для повышения отказоустойчивости системы мониторинга СНО необходимо исключить существование узлов, выход из строя которых может

нарушить целостность сети, путем обеспечения резервных маршрутов доставки данных в центр мониторинга для каждого узла. Степень надежности сети определяется количеством узлов, выход из строя которых не должен повлиять на ее целостность. Данный параметр зависит от количества независимых маршрутов от узла сети до шлюзов. В результате схема размещения должна обеспечить заданный уровень структурной надежности при минимально возможном количестве шлюзов.
2.2 Энергетическая эффективность коммуникационной инфраструктуры системы мониторинга СНО
Большинство навигационных знаков оснащено автономными источниками питания в виде аккумуляторных батарей. Количество устанавливаемых батарей может быть ограничено конструктивными особенностями навигационного знака, поэтому одним из ключевых показателей его эффективности является интенсивность энергопотребления его аппаратуры. В состав аппаратуры СНО могут входить различные устройства, в зависимости от требований к системе мониторинга. Помимо светопроблескового устройства, навигационный знак может быть оснащен блоком регистрации данных, приемником ГНСС, различными датчиками, однако в данной работе будет рассматриваться энергия, потребляемая приемопередающей аппаратурой СНО. Для обеспечения требуемого времени «жизни» сети, т.е. длительности ее функционирования до момента отказа узлов по причине истощения источника питания, необходимо рассчитать количество электроэнергии необходимой узлу для формирования и передачи отчетов в центр мониторинга СНО. С учетом реализации передачи данных в сенсорной сети также следует учитывать количество электроэнергии, требуемой для ретрансляции сообщений каждым узлом от других узлов сети. Таким образом, энергопотребление каждого узла в СС зависит от двух факторов: от аппаратной платформы и от топологической структуры сети.
Рассмотрим энергопотребление СНО, которое зависит от аппаратной платформы. Точность данного значения может изменяться в зависимости от степени детализации модели энергопотребления. Расчет количества энергии, затрачиваемой узлом за один цикл сбора