Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния исследований в области обеспечения информационного обмена в процессе строительства отдаленных и опасных территориально распределенных объектов 23
1.1. Общая характеристика систем информационного обмена на отдаленных и опасных территориально распределенных объектах строительства 23
1.2. Анализ возможностей применения беспроводной самоорганизующейся сети для обеспечения связи на отдаленных и опасных территориально распределенных объектах строительства 28
1.3. Анализ особенностей передачи информационных потоков в беспроводной самоорганизующейся сети 36
1.4. Анализ методов повышения эффективности информационного обмена в сети с динамичной топологией. Формулировка задач
исследования 44
Выводы к главе 1 59
ГЛАВА 2. Исследование процессов пакетной передачи данных в условиях динамичной сетевой топологии с позиций системного подхода 61
2.1. Функциональная модель процессов пакетной передачи данных в беспроводной самоорганизующейся сети 61
2.2. Обоснование теоретического аппарата для выбора значений параметров пакетной передачи данных в беспроводной самоорганизующейся сети 71
2.3. Функции нейро-нечеткого выбора значений параметров пакетной передачи данных 74
2.4. Обобщенные модели нейро-нечетких систем выбора значений параметров пакетной передачи данных 78
Выводы к главе 2 84
ГЛАВА 3. Моделирование процессов пакетной передачи информационных потоков по каналам беспроводной самоорганизующейся сети 87
3.1. Постановка и декомпозиция задачи моделирования пакетной передачи информационных потоков по каналам беспроводной самоорганизующейся сети 88
3.2. Разработка моделей пакетной передачи информационных потоков в беспроводной самоорганизующейся сети 97
3.3. Выражения для расчета характеристик процессов пакетной передачи информационных потоков 148
3.4. Разработка имитационной модели процессов пакетной передачи информации в беспроводной самоорганизующейся сети, используемой для обеспечения связи на опасном объекте строительства 152
Выводы к главе 3 170
ГЛАВА 4. Метод нейро-нечеткого выбора значений межпакетного интервала при отправке данных в беспроводной самоорганизующейся сети 172
4.1. Исследование процесса отправки данных узлами-источниками 172
4.2. Разработка метода выбора значений межпакетного интервала на основе применения нейро-нечеткой системы 180
4.3. Синтез нейро-нечеткой системы выбора значений межпакетного интервала 184
4.4. Оценка эффективности нейро-нечеткого выбора значений межпакетного интервала в беспроводной самоорганизующейся
сети 192
Выводы к главе 4 195
ГЛАВА 5. Метод нейро-нечеткого выбора тайм-аута повторной передачи в беспроводной самоорганизующейся сети 197
5.1. Исследование процесса повторной передачи, осуществляемого узлами-источниками 197
5.2. Разработка метода выбора тайм-аута повторной передачи на основе применения нейро-нечеткой системы 204
5.3. Синтез нейро-нечеткой системы прогнозирования времени ожидания подтверждений 207
5.4. Оценка эффективности выбора тайм-аута повторных передач в беспроводной самоорганизующейся сети 213
Выводы к главе 5 216
ГЛАВА 6. a 218
6.1. Исследование процесса отбрасывания пакетов в сетях передачи данных 218
6.2. Разработка метода выбора вероятности отбрасывания пакетов на основе применения нейро-нечетких систем 230
6.3. Синтез нейро-нечетких систем прогнозирования количества поступивших и отброшенных пакетов 234
6.4. Оценка эффективности нейро-нечеткого выбора вероятности отбрасывания данных в беспроводной самоорганизующейся сети 244
Выводы к главе 6 247
ГЛАВА 7. Исследование характеристик доставки данных в беспроводной самоорганизующейся сети 249
7.1. Постановка задачи моделирования доставки сообщений в беспроводной самоорганизующейся сети 249
7.2. Разработка математической модели доставки сообщений в беспроводной самоорганизующейся сети 252
7.3. Оценка эффективности доставки сообщений в беспроводной самоорганизующейся сети, функционирующей на отдаленных и опасных территориально распределенных объектах строительства 258
Выводы к главе 7 262
Заключение 264
Список литературы 268
- Анализ возможностей применения беспроводной самоорганизующейся сети для обеспечения связи на отдаленных и опасных территориально распределенных объектах строительства
- Обоснование теоретического аппарата для выбора значений параметров пакетной передачи данных в беспроводной самоорганизующейся сети
- Разработка моделей пакетной передачи информационных потоков в беспроводной самоорганизующейся сети
- Разработка метода выбора значений межпакетного интервала на основе применения нейро-нечеткой системы
Введение к работе
Актуальность работы. Состояние и конкурентоспособность экономики государства во многом зависят от функционирования его строительной отрасли. Основные усилия ученых и практиков в этой сфере направлены на снижение сроков, а также повышение качества и безопасности строительных работ. Важную роль в достижении указанных целей играют вопросы обеспечения информационного обмена на строящихся объектах.
Организация связи на строящихся объектах ориентирована на решение ряда следующих важных задач: 1) обеспечение оперативного взаимодействия в процессе выполнения строительных работ; 2) проведение мониторинга на объектах строительства, реализуемого с целью контроля работ, а также своевременного обнаружения явлений и деструктивных факторов природного и техногенного характера, приводящих к пожарам, взрывам, разрушению, затоплению, воздействию ядовитых веществ и радиационного излучения; 3) обеспечение управления силами и средствами в процессе ликвидации чрезвычайных ситуаций на строящихся объектах с целью минимизации человеческих жертв и материального ущерба.
Решение указанных задач сопряжено с рядом объективных трудностей, особенно при строительстве отдаленных и опасных территориально распределенных объектов.
Отдаленными объектами строительства будем именовать здания и сооружения,
возводимые в отдаленных районах с неразвитой телекоммуникационной
инфраструктурой. К таким территориально распределенным объектам, строящимся, как правило, на недостаточно освоенной местности (в горах, тайге, тундре, степи, пустыни) могут быть отнесены, например, промышленные и добывающие предприятия с рабочими поселками, исследовательские станции, войсковые части, аэродромы, космодромы и т.д.
Под опасными объектами строительства будем понимать здания и сооружения, возводимые в условиях угрозы воздействия деструктивных и поражающих факторов природного и техногенного характера, вызывающих взрывы, пожары, обрушение, затопление, облучение, отравление и т.п. К указанному классу относятся следующие территориально распределенные объекты: 1) здания и сооружения, возводимые в районах с опасностью экстремальных воздействий ветра, землетрясений, наводнений, оползней и других природных явлений; 2) прокладываемые тоннели, метрополитены и другие строящиеся подземные сооружения; 3) здания и сооружения, возводимые вблизи опасных производственных объектов, на которых производятся, добываются, используются, перерабатываются, образуются, хранятся, транспортируются и уничтожаются взрывчатые, химические, радиоактивные, воспламеняющиеся, горючие и токсичные вещества; 4) объекты, строительство которых осуществляется вблизи проведения горных работ (над горными выработками).
Особую актуальность в процессе строительства отдаленных и опасных объектов преобретает применение специальных роботизированных систем, позволяющее автоматизировать деятельность по выполнению строительных работ и обеспечению их безопасности. Функционирование указанных роботов предполагает осуществление дистанционного управления на основе обмена соответствующими данными.
Значительный вклад в исследование проблем роботизации и автоматизации строительных процессов внесли А.Г. Булгаков, А.А. Волков, T. Bock, L. Carloni, H. Newman, A. Pinto. Теоретическим аспектам построения сетей передачи данных для
4
решения различных задач посвящены работы В.М. Вишневского, А.Б. Гольдштейна,
Я.С. Дымарского, А.Е. Кучерявого, В.Н. Рогинского, Г.Г. Яновского, M. Allman,
D. Bertsekas, S. Floyd, J. Kurose, V. Paxson, J. Postel. Однако вопросам
информационного обмена при обеспечении связи на отдаленных и опасных территориально распределенных объектах строительства в научно-технической литературе уделено недостаточно внимания.
Для обеспечения связи в условиях опасности деструктивных (поражающих)
внешних воздействий и отсутствия традиционной телекоммуникационной
инфраструктуры необходимы сети передачи информации, обладающие быстрым развертыванием, автономностью электропитания каждого узла, высокой живучестью, способностью доставлять сообщения при динамически изменяющейся топологии (случайных процессах перемещения, уничтожения, добавления, включения и выключения узлов).
Достичь таких возможностей можно на основе создания беспроводных
самоорганизующихся сетей (Mobile Ad-Hoc Networks, MANET), имеющих
децентрализованную изменяемую структуру. Основные особенности построения
MANET состоят в реализация децентрализованного управления компонентами сети,
отсутствии базовых станций (фиксированных узлов), способности каждого узла
выполнять функции маршрутизатора. Благодаря указанным преимуществам сети
MANET имеют хорошие перспективы применения для обеспечения связи на
отдаленных и опасных территориально распределенных объектах строительства.
Использование беспроводной самоорганизующейся сети (БСС) зачастую
предоставляет единственную приемлемую возможность организовать
информационный обмен на указанных объектах, т.к. развертывание традиционных систем сотовой, проводной и радиосвязи является достаточно трудоемким и дорогостоящим процессом. К тому же установка фиксированных приемо-передающих узлов делает сеть недостаточно мобильной и живучей, т.е. не способной эффективно функционировать в условиях случайных перемещений и экстремальных внешних воздействий.
Несмотря на имеющиеся значительные преимущества, самоорганизующиеся
сети пока не получили широкого практического распространения. Замедленные темпы
их внедрения связаны с тем, что в условиях динамичной сетевой топологии доставку
данных затрудняют следующие основные факторы: 1) кратковременность
существования соединений как результат быстрого изменения сетевой топологии; 2) высокая вероятность искажения информации вследствие влияния помех в радиоканалах; 3) значительные задержки передачи пакетов, обусловленные низкой пропускной способностью радиоканалов; 4) существенные потери пакетов как результат часто возникающих перегрузок сети из-за нестационарности ее трафика.
Влияние указанных факторов проявляется в снижении объемов и увеличении времени доставки информации, что недопустимо при строительстве отдаленных и опасных объектов, т.к. от полноты и оперативности получения сообщений в чрезвычайных ситуациях зависит жизнь и здоровье строителей, а также степень повреждения возводимых сооружений и строительных роботизированных систем.
Ввиду вышеизложенного можно утверждать, что обеспечение эффективной связи на отдаленных и опасных территориально распределенных объектах строительства представляется актуальной научно-технической проблемой, решение
5 которой должно быть основано на применении беспроводной самоорганизующейся сети.
Процесс информационного обмена в БСС базируется на осуществлении
пакетной передачи данных, т.е. передачи сообщений по каналам сети в виде набора
информационных блоков, которая представляет собой совокупность следующих
взаимосвязанных процессов: 1) отправка пакетов узлами-источниками и
подтверждений узлами-получателями; 2) передача пакетов и подтверждений узлами сети; 3) прием пакетов и подтверждений узлами сети; 4) буферизация пакетов и подтверждений в канальных очередях; 5) отбрасывание пакетов и подтверждений, поступающих в транзитные узлы.
Анализ показал, что применяемые в настоящее время методы и алгоритмы пакетной передачи данных основаны на достаточно грубых, приближенных моделях, полученных эвристическим путем. Они разработаны, в основном, для сетей с фиксированной топологией и неэффективны при случайных изменениях сетевой структуры. Это предопределяет необходимость развития теоретического аппарата в области пакетной передачи данных в условиях динамичной сетевой топологии.
Цель диссертации состоит в повышении эффективности информационного обмена в процессе обеспечения связи на отдаленных и опасных территориально распределенных объектах строительства за счет развития теории пакетной передачи данных в сетях с динамичной топологией.
Под повышением эффективности информационного обмена понимается увеличение оперативности и объемов доставки информации в БСС. Достижение цели исследования в конечном итоге позволит повысить эффективность строительных работ, а также минимизировать человеческие жертвы и материальный ущерб при противодействии чрезвычайным ситуациям на указанных объектах.
Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи исследования:
-
анализ целесообразности применения в БСС существующих научно-технологических подходов и методов, ориентированных на повышение эффективности информационного обмена в сетях передачи данных;
-
обоснование применения нейро-нечеткого подхода для выбора значений параметров пакетной передачи данных в БСС;
-
определение функций, обобщенных моделей и методики синтеза нейро-нечетких систем для выбора значений параметров пакетной передачи данных в БСС, а также понятийного аппарата в этой области;
-
разработка модели пакетной передачи информационных потоков по каналам БСС для получения значений количественных характеристик, необходимых для синтеза и настройки систем нейро-нечеткого выбора значений параметров пакетной передачи данных в этой сети;
-
разработка методов выбора значений параметров пакетной передачи данных в БСС на основе применения нейро-нечетких систем;
-
разработка математических моделей доставки данных в условиях мобильности абонентов и деструктивных воздействий для получения значений вероятностно-временных характеристик информационного обмена в БСС;
7) применение разработанных математических моделей для оценки
эффективности доставки данных в БСС, осуществляемой на основе нейро-нечеткого подхода, и анализ результатов исследования.
Объектом исследования является процесс обеспечения связи на объектах строительства.
Предмет исследования – модели, методы и алгоритмы пакетной передачи
данных в беспроводной самоорганизующейся сети, применяемой для
информационного обмена в процессе строительства отдаленных и опасных территориально распределенных объектов.
Методы исследования: методы теории вероятности и математической статистики, теории массового обслуживания, теоретический аппарат нечеткого управления, искусственных нейронных сетей, вероятностно-временных графов и производящих функций, технологии имитационного моделирования.
Достоверность полученных результатов обусловлена корректностью
применения математического аппарата, подтверждена результатами имитационных экспериментов, отсутствием противоречий основным фактам теории и практики в исследуемой предметной области. Согласованность основных теоретических решений с их практической реализацией подтверждается успешным внедрением результатов исследования.
Научная новизна полученных результатов. В рамках решения обозначенной в работе научно-технической проблемы для обеспечения связи на отдаленных и опасных территориально распределенных объектах строительства впервые предложено использование беспроводной самоорганизующейся сети и обосновано применение в ней нейро-нечеткого подхода для выбора значений параметров пакетной передачи данных. Представленные в диссертации теоретические основы включают понятийный аппарат, модели, методы и алгоритмы в исследуемой области. В рамках предложенных теоретических основ получены следующие результаты:
-
Функциональная модель процессов пакетной передачи данных в БСС, которая отличается учетом взаимосвязей, отражающих влияние различных процессов и факторов на величины, характеризующие длительность ожидания подтверждений, объем повторных передач и циркулирующих по сети подтверждений, несоответствие между интенсивностью отправки данных узлами-источниками и доступной пропускной способностью сети, задержки пакетов в очередях транзитных узлов, задержки подтверждений в узлах-приемниках, потери пакетов, вызванные перегрузками в транзитных узлах. Разработка модели позволила обосновать применение в БСС нейро-нечетких систем для выбора значений параметров, используемых в процессе отправки данных узлами-источниками, повторных передач и отбрасывания пакетов в транзитных узлах.
-
Развитие теоретического аппарата в области пакетной передачи данных в условиях динамичной сетевой топологии, в рамках которого впервые определены функции нейро-нечеткого выбора значений параметров пакетной передачи, представлены обобщенные модели соответствующих нейро-нечетких систем и рекомендованы основные этапы их построения. Это позволило синтезировать нейро-нечеткие системы для выбора значений параметров пакетной передачи данных в БСС, применяемой в процессе строительства отдаленных и опасных территориально распределенных объектов.
-
Математические модели процессов пакетной передачи информационных потоков по каналам заданного контура, отличающиеся учетом влияния динамичности топологии сети на характеристики ее трафика. Применение моделей позволило получить значения количественных величин, необходимые для синтеза и настройки систем нейро-нечеткого выбора параметров пакетной передачи данных в БСС и оценки эффективности их использования для обеспечения связи на отдаленных и опасных территориально распределенных объектах строительства.
-
Метод выбора значений межпакетного интервала при отправке данных узлами-источниками на основе применения нейро-нечеткой системы. Использование метода позволяет обеспечить уменьшение числа повторных передач и снижение среднего времени передачи потока данных заданного объема в БСС.
-
Метод выбора тайм-аута повторной передачи, осуществляемой узлами-источниками, который, в отличие от известных, основан на применении нейро-нечеткой системы для прогнозирования длительности ожидания подтверждений. Применение указанного метода позволяет снизить отклонения тайм-аута повторной передачи от времени ожидания подтверждений в БСС.
-
Метод выбора вероятности отбрасывания пакетов в транзитных узлах, который, отличается применением нейро-нечетких систем для прогнозирования объема поступивших и потерянных данных, что позволяет сократить среднюю задержку пакетов в канальных очередях и снизить объем отброшенных данных в узле БСС.
-
Математическая модель доставки информационных сообщений в БСС, новизна которой состоит в учете возможных разрывов виртуальных соединений, вызванных мобильностью узлов и внешними деструктивными факторами. Применение модели позволило оценить эффективность информационного обмена в процессе обеспечения связи на отдаленных и опасных территориально распределенных объектах строительства.
Практическая значимость полученных результатов заключается в
возможности их использования для построения аппаратно-программных средств,
позволяющих повысить эффективность доставки данных в беспроводной
самоорганизующейся сети, функционирующей с целью обеспечения связи на отдаленных и опасных территориально распределенных объектах строительства.
Результаты диссертации реализованы на предприятиях АО «СТРОЙКАРСТ», АО «НПП «Звукотехника» и используются в учебном процессе Белгородского государственного национального исследовательского университета (НИУ «БелГУ»), что подтверждено соответствующими актами внедрения.
В рамках диссертационного исследования получено 3 зарубежных патента на полезные модели:
-
Патент 48463 (Украина). Способ управления таймером повторной передачи в телекоммуникационной сети / Польщиков К.А., Рвачева Н.В., Чевардин В.Е. – опубл. 25.03.2010, Бюл. №6.
-
Патент 72989 (Украина). Способ нейро-нечеткого управления пакетной очередью выходного порта маршрутизатора телекоммуникационной сети / Польщиков К.А., Здоренко Ю.Н., Стрюк А.Ю., Шкицкий В.В. – опубл. 10.09.2012, Бюл. №17.
8
3. Патент 78147 (Украина). Способ нейро-нечеткого управления интенсивностью
отправки данных узлами-источниками в телекоммуникационной сети /
Польщиков К.А., Рвачева Н.В. – опубл. 11.03.2013, Бюл. №5.
Положения, выносимые на защиту:
-
Функциональная модель процессов пакетной передачи данных в БСС.
-
Развитие положений системного подхода в области пакетной передачи данных в условиях динамичной сетевой топологии.
-
Математические модели процессов пакетной передачи информационных потоков по каналам заданного контура БСС.
-
Метод выбора значений межпакетного интервала при отправке данных узлами-источниками БСС.
-
Метод выбора тайм-аута повторной передачи, осуществляемой узлами-источниками БСС.
-
Метод выбора вероятности отбрасывания пакетов в транзитных узлах БСС.
-
Математическая модель доставки информационных сообщений в БСС.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации (строительство и ЖКХ) по областям исследования «Разработка методов и алгоритмов решения задач системного анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации» и «Методы и алгоритмы прогнозирования и оценки эффективности, качества и надежности сложных систем».
Апробация результатов диссертации. Материалы диссертационной работы с
2004 года по 2016 год изложены в докладах на 45 научно-практических конференциях,
форумах и семинарах международного, государственного и регионального уровней.
Наиболее значимые из них: Международная конференция «Mathematical and
Information Technologies (MIT)» (Сербия – Черногория, 2016), VI Международная
конференция «2015 Internet Technologies and Applications (ITA)» (Уэльс, 2015), II
Международная научно-практическая конференция «Problems of Infocommunications
Science and Technology (PIC S&T)» (Харьков, 2015), 23-я Международная конференция
«Microwave and Telecommunication Technology (CriMiCo)» (Севастополь, 2014),
международные конференции «Modern Problems of Radio Engineering,
Telecommunications and Computer Science (TCSET)» (Львов – Славское, 2010, 2014);
ХІХ Международной научно-технической конференции «Информационные системы и
технологии» (Нижний Новгород, 2013); международные научно-технические
конференции «Dependable Systems, Services & Technologies (DESSERT)» (Полтава,
2006; Кировоград, 2007; Севастополь, 2012); XII Научно-техническая конференция по
криптографии, посвященная 95-летию образования Специальной службы (Орел, 2016);
научных семинарах кафедры информационных систем НИУ «БелГУ» (Белгород, 2015,
2016); научные семинары кафедры телекоммуникационных систем Харьковского
национального университета радиоэлектроники «Проблемы математического
моделирования телекоммуникационных систем» (Харьков, 2010 – 2014); научно-практические конференции и семинары «Приоритетные направления развития телекоммуникационных систем и сетей специального назначения» (Киев, 2006–2009).
Связь работы с научными программами. Тематика работы соответствует приоритетному направлению развития науки, технологий и техники в Российской
9 Федерации «Информационно-телекоммуникационные системы» и пункту 21 Перечня критических технологий Российской Федерации «Технологии предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера», утвержденного Указом Президента Российской Федерации от 07.07.2011 № 899. Диссертация выполнена в рамках проекта «Исследование и разработка технологии управления интенсивностью потоков данных в беспроводной самоорганизующейся сети специального назначения на основе гибридного нейро-нечеткого подхода, реализованного на сетевом и транспортном уровнях операционной системы» федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы» (Соглашение о предоставлении субсидии от «28» октября 2015 г. № 14.578.21.0138), а также Государственного задания в сфере научной деятельности Министерства образования и науки Российской Федерации № 671 «Разработка интеллектуальной технологии мониторинга и прогнозирования экотехногенных рисков и управления техносферной безопасностью территорий».
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 80 работ, в том числе 1 монография, 14 статей в российских рецензируемых научных журналах (из них 13 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ), 41 статья в иностранных рецензируемых научных периодических изданиях, свыше 24 тезисов докладов на форумах, конференциях и семинарах. В изданиях, индексируемых в международных наукометрических базах Web of Science и Scopus, опубликовано 8 работ.
Личный вклад соискателя. Все основные научные результаты исследования получены автором самостоятельно и представлены в 19 статьях, написанных без соавторов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Работа изложена на 312 страницах машинописного текста, включающего 64 таблицы, 64 рисунка и список литературы из 318 наименований.
Анализ возможностей применения беспроводной самоорганизующейся сети для обеспечения связи на отдаленных и опасных территориально распределенных объектах строительства
В строительной отрасли большое значение играют вопросы обеспечения информационного обмена. Так, в настоящее время в процессе строительства предусмотрена организация связи для оперативно диспетчерского управления производством работ [198]. С этой целью, например, в рамках инженерной подготовки строительной площадки предусмотрена прокладка временной телефонной сети [194]. Для повышения эффективности строительных работ разрабатываются специализированные информационно-телекоммуникационные системы. Так, созданы аппаратно-программные комплексы сбора, обработки, анализа и передачи данных о процессе строительства скважин и других объектов с повышенным уровнем опасности [2]. На основе применения этого оборудования осуществляется анализ информации о значениях технологических параметров выполнения отдельных строительных операций, что позволяет оперативно определять причины возникновения нештатных ситуаций и принимать решения по их устранению.
С целью обеспечения безопасности строительно-технологических процессов применяются комплексы геотехнического мониторинга, осуществляющие слежение за параметрами возводимых зданий и сооружений. Указанное оборудование используется для своевременного выявления дефектов и предотвращения аварийных ситуаций при строительстве плотин, дамб, электростанций, сооружений башенного типа. В состав таких комплексов входят системы сбора данных, позволяющие осуществлять получение показаний со всех датчиков и передачу этой информации на диспетчерский пульт для отображения в реальном времени [9; 219].
Актуальным направлением развития строительных технологий является создание роботизированных систем для выполнения монтажных, земляных, свайных, кровельных, фасадных и других работ [12; 13]. Преимущества роботов-строителей состоят в быстроте, качестве и экономичности выполнения ими различных технологических операций, а также в способности функционировать в труднодоступных пространствах и опасных для человека условиях. Дистанционное управление строительными роботизированными системами требует организацию передачи данных для обмена необходимой информацией.
В сфере строительства большое значение имеют мероприятия по защите людей и возводимых сооружений от аварий, катастроф и стихийных бедствий [54]. В рамках Единой государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций предусмотрена соответствующая подсистема, функционирующая на объектах строительной отрасли. Выполнение задач по противодействию чрезвычайным ситуациям в процессе подземного строительства входит в сферу деятельности Федерального государственного казенного учреждения «Управление военизированных горноспасательных частей в строительстве» [209]. При этом необходимым условием обеспечения безопасности строительных работ и постоянной готовности к предупреждению и ликвидации аварий и чрезвычайных ситуаций является обеспечение эффективного информационного обмена на возводимых объектах [178].
В перспективе на объектах строительства целесообразно активное применение роботизированных средств для ликвидации чрезвычайных ситуаций. В частности, отечественными и зарубежными разработчиками предлагаются мобильные установки, предназначенные для тушения пожаров и осуществления разведки в непригодной для дыхания среде [25; 91; 178]. Основным преимуществом таких роботов является способность работать в условиях большой задымлнности и высокой температуры. Благодаря небольшим размерам и огнеупорному корпусу такие аппараты могут добираться до самых труднодоступных мест.
Обоснование теоретического аппарата для выбора значений параметров пакетной передачи данных в беспроводной самоорганизующейся сети
Первая группа ориентирована на использование средств, увеличивающих пропускную способность физических каналов, например, за счет применения высокоскоростной среды передачи или улучшения характеристик сигналов. Применение этих методов направлено на то, что требуемый уровень качества обслуживания (Quality of Service, QoS) обеспечивается благодаря работе пользователей в малонагруженной сети [255]. В этом случае практически исключается какая-либо конкуренция между информационными потоками, для передачи любого сообщения в сети имеется требуемое количество ресурсов. Описанная ситуация является идеальной для пользователей, но крайне неприемлемой с точки зрения рационального использования сетевых ресурсов. К сожалению, условие постоянного наличия необходимого количества свободных ресурсов в большинстве существующих телекоммуникационных сетей, особенно в БСС, является практически не выполнимым. Более реальной представляется ситуация, соответствующая работе абонентов в нагруженной сети.
Разработке методов, направленных на повышение пропускной способности физических каналов, посвящено большое количество исследований. Не случайно считается, что наибольшие успехи в телекоммуникационной отрасли связаны с прогрессом именно технологий физического и канального уровней модели взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI). Наблюдается развитие методов доступа к канальным ресурсам и адаптации протоколов МАС-уровня к особенностям беспроводных сетей, в том числе MANET [305; 307–309]. Например, в [225] предложено решение, которое предполагает вероятностный переход между радиоканалами и представляет собой схему расширения стандарта IEEE 802.11. Рассмотренное усовершенствование позволяет минимизировать влияние радиопомех и существенно увеличить пропускную способность беспроводного соединения.
Однако опыт показывает, что увеличение пропускной способности, как правило, становится необходимостью, вызванной стремлением удовлетворить растущие потребности пользователей сетей передачи данных в получении информационных услуг [199; 213; 214]. Поэтому в современных условиях на практике крайне сложно обеспечить необходимый уровень QoS в сетях только за счет увеличения их физических ресурсов [313]. Неэффективное использование имеющихся в сетях каналов, особенно беспроводных линий, обладающих наиболее ограниченными характеристиками, неизменно влечет за собой снижение качества обслуживания пользователей. Приведенные выше аргументы свидетельствуют о том, что для удовлетворения требований абонентов по доставке информации не достаточно заботиться только о наращивании пропускной способности каналов, а необходимо решать и другие не менее важные задачи, связанные с ее рациональным распределением [214; 245; 257; 259; 271; 313; 315; 317].
Методы рационального распределения ограниченных сетевых ресурсов при обслуживании абонентов в разных источниках трактуются как методы управления ресурсами или методы борьбы с перегрузками [57; 58; 97; 200]. Разработка этой группы методов обусловлена потребностью в получении качественных услуг в условиях, когда возможность передавать информацию ограничена дефицитом пропускной способности сетевых каналов.
Часть методов борьбы с сетевыми перегрузками основана на использовании специальных процедур, связанных с маршрутизацией информационных потоков [61; 62; 70; 273]. Идея, положенная в основу этих методов, состоит в том, чтобы разгрузить те участки сети, на которых не обеспечивается требуемый уровень обслуживания. Эта идея заложена, например, в методах QoS-based Routing (маршрутизация на основе качества обслуживания) и Load-Balance Routing (маршрутизация для сбалансированной нагрузки), реализуемых в рамках технологии Traffic Engineering (инжиниринг трафика) [266]. Данная технология применяется для достижения сбалансированности загрузки всех ресурсов сети за счет рационального выбора путей прохождения трафика через сеть. Разработке эффективных методов маршрутизации, в том числе в MANET, посвящено большое число работ, например [7; 43; 81; 87; 180–184; 232; 252; 265; 318].
Методы обеспечения QoS, основанные на резервировании ресурсов сети, нашли применение в технологиях интегрированного обслуживания (Integrated Services, IntServ) и дифференцированного обслуживания (Differentiated Services, DiffServ). Технология IntServ предназначена для обеспечения гарантированного качества передачи индивидуальных потоков [228]. Она предусматривает резервирование необходимых ресурсов на каждом сетевом маршрутизаторе вдоль пути от отправителя к получателю. Для осуществления резервирования используется сигнальный протокол RSVP (Resource Reservation Protocol). При этом выполняется проверка наличия в сети ресурсов, требуемых для качественной доставки информации. Затем принимается решение об осуществлении резервирования и последующей передаче потока. Потребность в передаче огромного количества различных потоков в крупных сетях привела к большим сложностям в реализации технологии IntServ на магистральных участках. В результате была предложена концепция DiffServ, предполагающая объединение индивидуальных потоков в немногочисленные классы [246]. В соответствии с DiffServ принадлежность потока к тому или иному классу определяет качество его передачи.
В технологиях, основанных на резервировании сетевых ресурсов, для недопущения перегрузок и поддержки требуемого уровня QoS используются средства сглаживания потоков пакетов в соответствии с заданным профилем конкретного класса качества обслуживания [57]. Например, средством ограничения максимальной интенсивности трафика является алгоритм «дырявого ведра» (Leaky Bucket), а с помощью алгоритма «корзины маркеров» (Token Bucket) можно получить трафик с ограниченной средней интенсивностью и допустимым уровнем пульсаций. За счет резервирования ресурсов обеспечивается доставка пакетов с небольшими значениями их задержки и джиттера, что не требуется при передаче потоков данных. Это подчеркивает тот факт, что создание анализируемой группы методов было вызвано, в первую очередь, необходимостью обеспечения заданного QoS при обслуживании мультимедийных приложений, т. е. качественной передачи потокового трафика.
Разработка моделей пакетной передачи информационных потоков в беспроводной самоорганизующейся сети
Полученная функциональная модель показывает, что процессам пакетной передачи данных присущи многочисленные сложные случайные взаимосвязи. Поэтому с помощью традиционных математических методов не представляется возможным выявить и формализовать закономерности, точно отражающие зависимости искомых выходных величин от имеющихся значений входных величин. Этот факт свидетельствует о том, что для решения поставленных задач необходим поиск современных научных подходов.
Для эффективного выбора значений параметров пакетной передачи данных необходимо выполнение следующих процедур: 1) получение актуальной информации о состоянии элементов (значениях параметров) сети в текущий момент времени и в ближайшем будущем; 2) своевременное принятие адекватных управляющих решений; 3) своевременная реализация принятых решений. Первая процедура связана с необходимостью наличия в узлах достоверной информации о том, в какой ситуации сеть оказалась в текущий момент времени, а также каково будет состояние ее элементов в ближайшем будущем. Казалось бы, получить точные сведения о текущем состоянии сети можно, измерив значения многочисленных параметров на всех ее участках. Однако сбор и доставка этой информации до узлов, в которых осуществляется выбор значений параметров пакетной передачи данных, имеют существенные недостатки: во-первых, они делают архитектуру сети более сложной, во-вторых, создают нежелательный служебный трафик и, в-третьих, обязательно происходят с некоторой задержкой, наличие которой способствует частичной (или полной) утрате актуальности этой информации. Поэтому судить о ситуации в сети приходится по значениям ограниченного количества параметров, которые в большей степени характеризуют состояние сети не в настоящее время, а в прошлом.
Сложившуюся в сети ситуацию косвенно характеризуют величины, используемые для получения входных параметров при осуществлении пакетной передачи в БСС. Следует отметить, что располагая значениями этих величин, весьма проблематично адекватно оценить текущую ситуацию в сети, и тем более сложно достоверно предугадать ее будущее состояние. При этом, например, отсутствуют точные сведения о том, какой промежуток времени пройдет до получения подтверждения на только что отправленный пакет, насколько длительным будет всплеск интенсивности трафика, а также каких значений достигнут при этом очереди пакетов в транзитных узлах.
Адекватных моделей, способных точно описать состояние БСС в любой момент времени, к сожалению, не существует, а применение приближенных моделей в процессе выбора значений параметров пакетной передачи не дает приемлемых результатов.
Выбор значений параметров пакетной передачи данных в БСС происходит в условиях наличия неполной, размытой, неточной информации о состоянии элементов этой сети в текущем времени и в будущем [11]. Эффективным средством в таких условиях является применение систем нечеткого вывода [26–29; 45–47; 79; 100]. Основное преимущество таких систем – это способность использовать условия и методы решения задач, которые описаны на языке, близком к естественному [68; 187; 188]. Центральное место в процедурах нечеткого вывода занимает база правил нечетких продукций.
Известны научно-технические решения, связанные с применением нечеткой логики для управления передачей информации в телекоммуникационных сетях. Для выбора рациональных значений межсегментного интервала на транспортном уровне в работе [176] предложено использовать систему нечеткого управления. Метод наблюдения, хранения и анализа значений RTT, который основан на применении нечеткой логики, разработан для определения причин потери пакетов [274]. Однако существуют отдельные классы прикладных задач, в которых построение правил нечетких правил связаны со значительными трудностями концептуального характера. К ним относятся задачи распознавания образов, экстраполяции и интерполяции функциональных зависимостей, классификации и прогнозирования, нелинейного и ситуационного управления, а также интеллектуального анализа данных [7; 12; 19–21; 33]. Общей особенностью подобных задач является существование некоторой зависимости или отношения, связывающего входные и выходные переменные модели исследуемой системы. При этом выявление и определение данной зависимости в явном аналитическом виде не представляется возможным из-за недостаточного количества информации об исследуемой предметной области или сложности учета многих различных факторов, которые влияют на характер данной взаимосвязи [204; 205; 208].
Известно, что классическим системам с нечеткой логикой, не способным автоматически обучаться, присущ существенный недостаток, состоящий в том, что набор нечетких правил, вид и параметры функций принадлежности, описывающих входные и выходные переменные системы, а также вид алгоритма нечеткого вывода, выбираются субъективно экспертом-человеком, поэтому они могут быть не достаточно адекватными действительности.
Для устранения отмеченного недостатка используют аппарат нейро-нечетких систем [68; 208]. Нечеткая нейронная сеть - это многослойная нейронная сеть, в которой слои выполняют функции элементов системы нечеткого вывода. Нейроны такой сети характеризуются набором параметров, настройка которых осуществляется в процессе обучения, как в обычных нейронных сетях. Такие системы являются, в сущности, гибридными и объединяют в себе преимущества нейронных сетей и систем нечеткого вывода [21]. С одной стороны, они позволяют разрабатывать и представлять модели систем в форме правил нечетких продукций, обладающих наглядностью и простотой содержательной интерпретации. С другой стороны, для построения правил нечетких продукций используются методы нейронных сетей, что делает этот процесс менее сложным для исследователей. Существует достаточное количество примеров успешного использования нейро-нечетких систем в различных отраслях науки и техники [187]. Поэтому вполне оправданной является попытка применить эти гибридные интеллектуальные системы для выбора значений параметров пакетной передачи данных в БСС.
Разработка метода выбора значений межпакетного интервала на основе применения нейро-нечеткой системы
Представленные выше аналитические соотношения были положены в основу имитационного моделирования процессов пакетной передачи информационных потоков в БСС. В ходе моделирования были рассмотрены различные сценарии применения беспроводной самоорганизующейся сети для обеспечения связи при строительстве подземного сооружения.
На рисунке 3.5 в качестве примера показана территория проведения строительных работ (ограничена жирным пунктиром). Рассматриваемое сооружение относится к опасным объектам строительства, т.к. работы по его возведению осуществляются в условиях возможного обрушения горных пород. Работы ведутся сменой строителей, в состав которой входят следующие лица: 1) управляющий сменой, который использует ad-hoc-узел 1; 2) восемь рабочих, оснащенных ad-hoc-узлами с номерами 2 - 9. В виде небольших пронумерованных окружностей обозначены ad-hoc-узлы, зоны радиопокрытия которых ограничены соответствующими окружностями большего радиуса. С помощью ad-hoc-узлов выполняются следующие функции: 1) передача видеопотоков для наблюдения за состоянием объекта строительства, условиями и ходом проведения работ; 2) обмен речевыми сообщениями для управления процессом строительства и координации действий при противодействии чрезвычайным ситуациям; 3) передача данных о функциональном состоянии и текущих координатах местонахождения строителей, а также данных датчиков мониторинга внешних условий на строящемся объекте. а) б) Рисунок 3.5 – Маршруты передачи информационных потоков: а) при фиксированной сетевой топологии; б) при динамичной сетевой топологии В рамках рассматриваемого примера в течение интервала времени наблюдения продолжительностью 50 с в беспроводной самоорганизующейся сети осуществляется передача информационных потоков, характеристики которых представлены в таблицах 3.43 и 3.44.
На рисунке 3.5 (а) представлена ситуация, при которой сетевая топология остается неизменной в течение рассматриваемого интервала времени. При этом маршруты передачи информационных потоков соответствуют ломаным линиям, соединяющим заданные узлы-отправители и узлы-получатели. На рисунке 3.5 (б) представлен сценарий, при котором топология самоорганизующейся сети изменяется вследствие обрушения горных пород, начавшегося в момент времени te = 4 с. Зона обрушения выделена серым цветом. В результате данной чрезвычайной ситуации в зоне обрушения оказались рабочие-пользователи ad-hoc-узлов 6 и 9. Причем узел номер 6 утратил работоспособность (соответствующая окружность на рисунке 3.5 (б) перечеркнута).
Реагируя на обрушение, рабочие с ad-hoc-узлами 3 - 5, 8 и 9 переместились. Места нахождения указанных узлов в начальный момент времени на рисунке 3.5 (б) обозначены соответствующими пунктирными окружностями. В измененной сетевой структуре на рисунке 3.5 (б) маршруты передачи информационных потоков, имеющие номера 2, 3, 5 - 8, отличаются от маршрутов передачи соответствующих потоков, обозначенных на рисунке 3.5 (а).
Динамичность сетевой топологии оказала влияние на изменение загруженности радиоканалов и пропускной способности, доступной для передачи потоков данных. Например, по радиоканалу, соединяющему узел 2 с узлом 1, кроме основных потоков 1, 4 и 6, стали передаваться дополнительные потоки 2 и 8.
В рассматриваемой чрезвычайной ситуации особую важность приобретает оперативность получения узлом 1 файла данных, передаваемого из узла 9. В этом файле содержится информация о текущих параметрах состояния здоровья и месте нахождения рабочего, который подвергся воздействию обрушения. На основе полученных данных управляющий сменой может быстро и эффективно скоординировать действия других рабочих для спасения пострадавшего строителя.
Для доставки указанного файла требуется осуществление передачи потоков 4 и 5. Совокупность этих взаимосвязанных потоков выступает в качестве CF-потока. Замкнутый контур, образуемый каналами, по которым передается CF-поток, является CF-контуром (рисунок 3.6).
Длительность доставки файла данных из узла 9 в узел 1 напрямую зависит от значений величины E(t) – текущей пропускной способности CF-контура, доступной для передачи CF-потока. Для расчета этой величины можно использовать выражение (3.80).
Величина Ek (t) может быть найдена по формуле: где с - пропускная способность радиоканала; Uk(t) - текущее значение пропускной способности канала номер к, требуемое для передачи потоков реального времени; Dk(t) - число потоков данных, которое требуется передавать по каналу к в момент времени t, Dk(t) 1. Для определения величины Uk(t) следует использовать выражение: 157 L 4(0 = 5Л/(0 (3.86) где ukl (t) – текущее значение пропускной способности канала номер k , требуемое для передачи потока реального времени номер l ; L – число потоков реального времени, которое требуется передавать по каналам CF-контура. Величина ukl (t) может быть найдена по формуле: \A,akh xfart t xfop; ukl(t) = \ l (3.87) [O, t xfart or t xfop, где Xl - значение пропускной способности канала, требуемое для передачи потока реального времени номер /; ак1 - величина, показывающая, требуется ли передача по каналу к потока реального времени номер /; xfаН и xfop соответственно моменты времени начала и окончания передачи потока реального времени номер /. Минимально возможную длительность передачи CF-потока можно определить по формуле: +stop J start TCF = fCF fCF , где tCstFart – момент времени начала передачи CF-потока; tCstFo p – момент времени окончания передачи CF-потока при отсутствии потерь пакетов и идеальном соответствии интенсивности отправки данных этого потока и пропускной способности CF-контура, доступной для их передачи. Вычислить значение tCstFo p можно на основе полученной величины E(t). Для этого следует использовать формулу: