Технологии гетерогенных беспроводных сенсорных сетей с использованием беспилотных летательных аппаратов при решении поисковых задач и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций

В настоящее время значительное внимание уделяется решению задач мониторинга окружающей среды и поиска пострадавших в чрезвычайных ситуациях. В статье [11] рассматриваются решения, применяемые в замкнутых пространствах, где технология беспроводных сенсорных сетей (англ. wireless sensor networks ; далее – WSN) является перспективной, позволяя быстрее реагировать на происходящие события.

Данная работа посвящена обзору проектов, совмещающих некоторые из современных технологий сбора, передачи, обработки и агрегирования данных, построенных на основе WSN с мобильными узлами и нацеленных на применение в чрезвычайных ситуациях, а также анализу возможностей, предоставляемых подобными гибридными системами.

Забарин М.А., Пономарчук Ю.В. Технологии гетерогенных беспроводных... 95

Использование беспилотных летательных аппаратов для организации работы WSN

В качестве наиболее перспективных решений задачи мониторинга и реагирования в условиях чрезвычайных ситуаций на открытой местности исследователи предлагают использование сетей, основными компонентами которых являются статичные WSN и беспилотные летательные аппараты (БПЛА). Топология расположения узлов WSN рассматривается в работах [7; 14; 17; 18] в зависимости от формы и протяженности области мониторинга. Многообразие устройств и узлов БПЛА и WSN позволяет исследователям разрабатывать эффективные схемы взаимодействия различного характера, где БПЛА и WSN отводятся разные роли.

Использование БПЛА для установки WSN. Несмотря на то что развертывание WSN, выполненное заранее, является предпочтительным и позволяет проектировать, настраивать и оптимизировать сеть для наиболее эффективной работы, для некоторых задач требуется оперативная установка WSN. Проблемам и вариантам размещения узлов сенсорной сети с помощью БПЛА посвящены работы [1; 14; 19]. В них обосновано, что применение метода детерминированного размещения сенсорных узлов позволяет добиться лучшего качества работы сети при меньшем количестве устройств.

Использование БПЛА для обеспечения связности сети. Связность гетерогенной WSN является параметром, который обеспечивается как ее структурой, так и параметрами сетей, взаимодействующих с ней (плотность или число терминалов подвижной связи), и может быть интерпретирована как вероятность существования маршрута между произвольным узлом сети и шлюзом с учетом взаимодействия с сетями других протоколов. Исходя из особенностей взаимодействующих сетей, связность может быть представлена как вероятность существования маршрута на некотором интервале времени или как время, в течение которого узел сети доступен [2]. БПЛА могут выступать в качестве ретранслятора и координатора сети WSN, обеспечивающего ее связность [5; 6; 9]. В данных работах отмечается, что результаты моделирования показывают преимущества использования БПЛА по сравнению с добавлением новых узлов сети по параметрам качества и энергоэффективности. Также в статьях [3; 16] авторы предлагают использовать WSN для повышения надежности работы сенсорных сетей летательных аппаратов.

Использование БПЛА для агрегирования данных. В работах [11; 13; 15] рассматривается возможность сбора БПЛА агрегированной информации, поступающей с узлов WSN, что предоставляет, с одной стороны, ряд преимуществ, а с другой – повышает требования к организации процессов агрегирования, шифрования, передачи данных.

Использование WSN для построения оптимального маршрута БПЛА. Для ряда задач при использовании WSN характерна передача скалярных значений, но порой необходимо получение и мультимедийных данных. В этом случае использование патрулирующих БПЛА, которые создают свой маршрут, основываясь на передаваемых WSN значениях, позволяет, с одной стороны, получать мультимедийные данные, поддерживая необходимый уровень качества обслуживания, а с другой – обеспечивать наиболее оптимальный маршрут движения для изменившихся условий среды [12].

Совместное применение БПЛА и WSN привело к рассмотрению задач проектирования гибридных систем, которые способны использовать преимущества нескольких технологий.

96 в ыпуск 4/2019

Особенности использования БПЛА и WSN в чрезвычайных ситуациях

Эффективность использования элементов гибридных сетей в значительной степени определяется условиями окружающей среды. Авторами работы [13] выделено 3 группы чрезвычайных ситуаций, при этом в условиях каждой группы изменяются характер и соотношение в использовании WSN и БПЛА (табл.).

Роль WSN и БПЛА в чрезвычайных ситуациях

Группа	1	2	3
Характер чрезвычайных ситуаций	Геофизические (землетрясение, цунами, извержение вулкана, сель, оползень, лавина) или гидрологические (паводок, селевой поток) условия	Климатические (экстремальная температура, засуха, лесной пожар), гидрологические (наводнение) или антропогенные (промышленное загрязнение, обрушение конструкций, отключение электроэнергии, пожар, утечка токсичных материалов) условия	Метеорологические (тропический шторм, ураган, буря, ливень) условия
Особенности использования WSN и БПЛА
Подготовка и предупреждение: мониторинг и инженерные системы раннего предупреждения	Оптимизация WSN для сбора и анализа данных для оценки вероятности будущих стихийных бедствий с использованием БПЛА как элементов коммуникационной системы
Оценка: ситуационная осведомленность по оценке ущерба структурных инспекций	Использование гетерогенных сетей, включающих БПЛА. БПЛА типа «летающее крыло» – для определения критических ситуаций, для дальнейшего исследования района – мультикоптеры	Использование существующей инфраструктуры WSN и частично сети БПЛА для обеспечения работы WSN. Использование БПЛА для координации работы WSN	Анализ данных, предоставленных WSN и другими доступными информационными источниками (например, социальными сетями)
Реагирование и восстановление: спасательные миссии, обеспечение связи	Использование различных типов камер, специализированных датчиков и исполнительных механизмов, установленных на БПЛА, предназначенных для спасательных операций и доставки	Максимальное использование данных, предоставленных WSN с целью повышения эффективности поисково-спасательных операций, выполняемых БПЛА	Использование полнофункциональной WSN для восстановления нарушенной сети БПЛА

Открытые вопросы для исследования

Проблема обеспечения связи при пиковой нагрузке коммуникационной сети. Основная проблема взаимодействия устройств различных коммуникационных сетей состоит в значительной разнице характеристик движения объектов наземного и воздушного сегментов.

Забарин М.А., Пономарчук Ю.В. Технологии гетерогенных беспроводных... 97

Как правило, элемент наземной сети может находиться в зоне связи элемента воздушного сегмента лишь ограниченное время. Функционирование сети определяется также протоколами выбора роли узлов и протоколами маршрутизации трафика. Для повышения эффективности использования ресурсов сети в различных условиях разработаны различные алгоритмы маршрутизации, которые принято подразделять на проактивные, реактивные и основанные на знании географических координат узлов. В работах [4; 14] говорится о проблемах передачи данных на максимальной скорости. Так, максимальное время передачи для различных модулей варьируется в пределах 2–4 с. Таким образом, необходимы эффективные методы устранения избыточности, сжатия и агрегирования данных.

Проблема подмены данных. В работах [8; 10] исследователи практически показали возможности злонамеренного использования гибридных сетей и дезорганизации их работы посредством добавления нового узла, предоставляющего некорректную информацию, подмены сигнала, а также использования устройств, способных вызывать помехи в работе сети. Создание белых списков, а также использование механизмов шифрования и восстановления не способны справиться со всеми возможными проблемами, возникающими при несанкционированной модификации данных.

Проблема выбора размещения узлов WSN. Анализ алгоритмов выбора маршрутов передачи и обработки данных показывает, что одной из основных проблем WSN и ad-hoc-сетей является отсутствие достаточного количества достоверных данных о конфигурации, что приводит к затратам ресурсов сети [7; 17]. Правильное размещение узлов WSN позволяет получить лучший результат и при изменениях в работе приложений (изменение маршрутов передачи данных, объема трафика, периодичности передачи и т.п.). Однако задача размещения чаще всего является частной. В исследованиях [13; 18] даны общие рекомендации, работа [17] посвящена выбору расположения узлов в приложениях для измерения протяженных объектов, таких как нефте- и газопроводы, линии связи и ЛЭП. Оптимальные алгоритмы по расположению узлов в жилых сооружениях представлены в работе [18]. Однако, хотя и существуют схемы оптимального расположения WSN в условиях чрезвычайных ситуаций, сами узлы могут быть заблокированы и выведены из строя, поэтому необходимы инструменты, способные обеспечить работу WSN в реальном времени в чрезвычайных ситуациях, а также восстановить связность сети.

Заключение

Использование гибридных сетей позволяет существенно расширить спектр решаемых задач поиска и ликвидации чрезвычайных последствий, давая новые возможности для оперативной установки узлов WSN, обеспечения связности сети и агрегирования данных, а также построения оптимального маршрута БПЛА.

В зависимости от характера чрезвычайной ситуации изменяется соотношение и возможности роли применяемых устройств гибридных сетей, что в значительной мере повышает итоговую эффективность и дает возможности выполнить задачи, не решаемые каждым из классов устройств по отдельности.

Несмотря на активные исследования, открытыми остаются вопросы методов размещения узлов WSN, обеспечения связи при пиковой нагрузке коммуникационной сети, защищенности каналов связи.

98 в ыпуск 4/2019