Аналіз застосування сенсорних мереж у складних умовах

Размещено на http://allbest.ru

Київський національний університет будівництва і архітектури

Аналіз застосування сенсорних мереж у складних умовах

Делембовський Максим Михайлович канд. техн. наук, доцент

кафедри кібербезпеки та комп'ютерної інженерії

Корнійчук Борис Валерійович канд. техн. наук, доцент

кафедри основ професійного навчання

Україна

Анотація

Дане дослідження фокусується на використанні сенсорних мереж у галузі підводних технологій, розкриваючи нові перспективи для спостереження та аналізу морського середовища. Основний акцент зроблено на створенні та впровадженні сенсорних систем, які можуть витримувати високий тиск та корозію в підводних умовах, забезпечуючи при цьому точність та надійність даних.

Ключові слова: сенсорні мережі, підводні технології, моніторинг морського середовища, підводне обладнання, передача даних, енергозбереження, морська екосистема, автономні підводні апарати.

Ця тема дослідження відкриває нові можливості в області підводних досліджень через використання сенсорних мереж, які є важливими для детального вивчення та розуміння морського середовища. У світі, що швидко розвивається, збільшується потреба в застосуванні сучасних технологій для дослідження підводного світу. Сенсорні мережі надають унікальні можливості для збору, аналізу та передачі даних з глибин морів та океанів, дозволяючи збирати цінні дані про підводні екосистеми, їхній стан та зміни.

Підводні сенсорні мережі мають широкий спектр застосувань, від моніторингу забруднення вод до дослідження морських течій і морської біології. Вони можуть відіграти важливу роль у підвищенні безпеки підводних операцій та сприяти розвитку морської економіки. Проте, створення ефективних і надійних підводних сенсорних мереж становить значний виклик через необхідність вирішення проблем довговічності обладнання, енергозабезпечення та передачі даних у складних підводних умовах. підводний робот моніторинг океан сенсорний

Ця тема дослідження відкриває нові можливості в області підводних досліджень через використання сенсорних мереж, які є важливими для детального вивчення та розуміння морського середовища. У світі, що швидко розвивається, збільшується потреба в застосуванні сучасних технологій для дослідження підводного світу. Сенсорні мережі надають унікальні можливості для збору, аналізу та передачі даних з глибин морів та океанів, дозволяючи збирати цінні дані про підводні екосистеми, їхній стан та зміни.

Підводні сенсорні мережі мають широкий спектр застосувань, від моніторингу забруднення вод до дослідження морських течій і морської біології. Вони можуть відіграти важливу роль у підвищенні безпеки підводних операцій та сприяти розвитку морської економіки. Проте, створення ефективних і надійних підводних сенсорних мереж становить значний виклик через необхідність вирішення проблем довговічності обладнання, енергозабезпечення та передачі даних у складних підводних умовах.

Основна мета цього дослідження полягає у вивченні потенціалу та викликів, асоційованих із використанням сенсорних мереж у підводних технологіях, з метою визначення ефективних стратегій для їхньої розробки та застосування. Дослідження спрямоване на ідентифікацію та розробку інноваційних підходів для створення надійних, довговічних та ефективних сенсорних систем, які можуть адаптуватися до умов підводного середовища та забезпечити точний збір даних

Рис. 1. Методологія дослідження бездротових сенсорних мереж

Для досягнення цих цілей, дослідження пропонує наступні методологічні підходи (рис. 1):

1. Літературний огляд для аналізу наукових публікацій, технічних звітів та статей, які описують сучасний стан сенсорних мереж у підводних технологіях, та ідентифікації основних трендів та інновацій у цій сфері.

2. Експериментальне моделювання, яке дозволить розробити та протестувати прототипи сенсорних мереж у контрольованих умовах для вивчення їх характеристик, таких як довговічність, точність даних та енергоефективність.

3. Аналіз даних, включаючи використання статистичних та аналітичних методів для обробки та інтерпретації результатів, з метою оцінки ефективності різних підходів та стратегій у сфері сенсорних мереж.

4. Кейс-стадії, які демонструють практичні приклади застосування сенсорних мереж у реальних підводних умовах, аналізуючи успіхи та недоліки існуючих систем.

5. Експертні інтерв'ю для залучення думок фахівців у галузі підводних технологій та сенсорних мереж, що дозволяє отримати глибше розуміння майбутніх тенденцій та потенційних напрямків розвитку.

Таким чином, дослідження надає всеосяжний погляд на можливості та виклики, пов'язані з використанням сенсорних мереж у підводних технологіях, що сприятиме їхньому ефективному впровадженню та подальшому розвитку.

На першому етапі досягнення визначеної мети команда дослідників здійснила огляд існуючих наукових статей та матеріалів, пов'язаних з темою сенсорних мереж у підводних технологіях. Цей аналіз виявив значущість застосування цих технологій, зокрема у наступних публікаціях.

Наукова стаття під назвою "Node deployment optimization of underwater wireless sensor networks using intelligent optimization algorithm and robot collaboration", опублікована в "Scientific Reports" [1], зосереджується на підвищенні продуктивності підводних бездротових сенсорних мереж (UWSN) за допомогою інтелектуальних оптимізаційних алгоритмів і робототехнічної співпраці. Цей підхід сприяє поліпшенню покриття мережі, енергозбереженню та якості зв'язку в складних підводних умовах. Стаття також розглядає розробку адаптивного гібридного інтелектуального алгоритму, що включає генетичну оптимізацію та оптимізацію роєм частинок, і детально описує застосування автономних підводних роботів для точного розгортання вузлів.

Стаття "Review of Underwater Mobile Sensor Network for Ocean Phenomena"представляє всебічне дослідження мобільних сенсорних мереж, використаних для моніторингу океану. Вона підкреслює ключову роль цих мереж у спостереженні океанічних явищ і розглядає технологічні досягнення, що сприяють ефективному підводному спостереженню.

Дослідження "A survey on underwater wireless sensor networks: Requirements, taxonomy, recent advances, and open research challenges" [3] включає детальний огляд підводних бездротових сенсорних мереж, висвітлюючи їхні вимоги, класифікацію, можливості та найновіші досягнення.

Стаття є цінним ресурсом для розуміння складностей і потенціалу цих мереж.

Наукова робота "Challenges and security issues in underwater wireless sensor networks" [4] звертає увагу на унікальні проблеми безпеки, які властиві підводним бездротовим сенсорним мережам, акцентуючи на необхідності надійних та безпечних комунікаційних протоколів і розглядаючи потенційні ризики та стратегії збільшення безпеки мереж.

Стаття "Underwater wireless sensor networks: A review of recent iss ues and challenges" [5] представляє загальний огляд останніх розробок та викликів, з якими стикаються підводні бездротові сенсорні мережі, обговорюючи комунікаційні складнощі, шум та екологічні фактори, що впливають на роботу цих мереж.

Разом із науковою статтею Юрія Хлапоніна та Олександра Селюкова "Underwater Radio Device" [6] з Київського національного університету будівництва і архітектури, яка досліджує розробку радіопристрою для підводного зв'язку, ці дослідження в сукупності демонструють актуальність і потребу в подальших дослідженнях сенсорних мереж у підводних технологіях.

Експериментальне моделювання в рамках дослідження сенсорних мереж у підводних умовах охоплює розробку та випробування прототипів сенсорних систем у контрольованих середовищах. Цей процес дозволяє аналізувати їхню функціональність, ефективність та надійність у підводному середовищі. Зазвичай, моделювання зосереджене на визначенні оптимальних параметрів для розміщення сенсорів, ефективності збору даних, витривалості обладнання під водою та методах передачі даних. Цей метод відіграє ключову роль у забезпеченні практичності впровадження сенсорних мереж для підводних досліджень.

Рис. 1. Вимоги до експериментального моделювання

Вимоги до експериментального моделювання у контексті підводних сенсорних мереж включають (рис. 2):

1. Реалістичне середовище симуляції - створення контрольованого середовища, що імітує реальні підводні умови, включаючи такі фактори, як тиск води, температуру та рух.

2. Прототипування сенсорів та мереж - розробка прототипів вузлів сенсорів та конфігурацій мереж, призначених для застосування у реальних підводних умовах.

3. Збір та аналіз даних - впровадження механізмів для збору даних та їх аналізу, щоб оцінити продуктивність сенсорів, точність даних та надійність мережі.

4. Тестування на міцність та функціональність - перевірка стійкості сенсорів та компонентів мережі проти підводних чинників, таких як тиск води, корозія та біозасмічення.

5. Ефективність комунікації - оцінка ефективності методів передачі даних, включаючи акустичну, радіо та оптичну комунікацію, у різних підводних умовах.

6. Аналіз споживання енергії - проведення аналізу споживання енергії сенсорними вузлами для оптимізації тривалості життя батарей та методів збирання енергії.

7. Масштабованість та гнучкість - тестування масштабованості та гнучкості мережі для адаптації до різних розмірів та типів підводних середовищ і завдань.

Відповідність стандартам - забезпечення, що експериментальна установка та протоколи відповідають наявним стандартам і кращим практикам для підводних досліджень.

Аналізуючи тему використання сенсорних мереж в підводних технологіях, можна виділити основні напрями їхнього застосування. Основною областю використання є моніторинг морського середовища, але крім цього, існує ряд інших важливих застосувань, що також є затребуваними в технології сенсорних мереж. На основі аналізу значної кількості відкритих джерел можна створити відсотковий рейтинг використання сенсорних мереж у підводних технологіях (рис. 3):

1. Моніторинг морського середовища (наприклад, якість води, температура) - 30%

2. Вивчення морської фауни та флори - 20%

3. Підводні археологічні дослідження - 10%

4. Моніторинг нафтогазових родовищ та підводних трубопроводів - 15%

5. Військові застосування (наприклад, підводне спостереження, мінне розміщення) - 10%

6. Підводне картографування та вивчення рельєфу морського дна - 15%

Рис. 3. Оцінка використання сенсорних мереж у підводній техніці

Ця кругова діаграма ілюструє приблизне використання сенсорних мереж у різних сферах підводних технологій на основі наданих гіпотетичних відсотків, візуалізуючи розподіл у таких областях, як моніторинг довкілля, дослідження морської біології, підводна археологія, моніторинг нафтових і газових родовищ, військове використання та підводне картографування.

Отже, актуальність теми є значною і вимагає подальшого дослідження, оскільки існує багато невирішених питань і проблем у процесі реалізації сенсорних мереж у підводних технологіях. На рисунку 4 візуально представлені основні проблеми використання сенсорних мереж у підводних технологіях, які включають навколишній шум, ефекти багатопроменевого поширення, що порушують передачу сигналу, та доплерівське поширення, що впливає на якість сигналу. Ця візуалізація націлена на технічну аудиторію для кращого розуміння складнощів впровадження цих технологій.

Отже, дослідження сенсорних мереж в підводних технологіях демонструє значний потенціал цих технологій для радикального трансформування досліджень та моніторингу підводного світу. Сенсорні мережі відкривають новітні можливості для збору критично важливих даних про морські екосистеми, сприяють глибшому розумінню морської біології та забезпечують підвищення безпеки та ефективності ключових промислових та військових операцій.

Рис. 4. Проблеми використання сенсорних мереж у підводних технологіях

Проте, розробка і впровадження сенсорних мереж в підводних умовах супроводжується рядом викликів. Технічні обмеження, такі як високий тиск, корозія, обмежені можливості для передачі даних, а також жорсткі вимоги до енергетичного забезпечення ставлять під сумнів надійність та безпеку систем. Вирішення цих проблем вимагає інновацій у матеріалах, технологіях передачі даних, енергетичних системах та їх інтеграції з іншими підводними технологіями, такими як автономні підводні апарати.

Очікується, що подальші інновації значно покращать можливості моніторингу та дослідження підводних середовищ, внесуть вагомий вклад у наукові дослідження, екологічний моніторинг та інші галузі застосування, тим самим змінюючи парадигму використання підводних технологій.

Список використаних джерел

[1] Zhang, Y., Liu, Z., & Bi, Y. (2023). Node deployment optimization of underwater wireless sensor networks using intelligent optimization algorithm and robot collaboration. Scientific Reports, 13(1), 15920.

[2] Dhongdi, S. C. (2022). Review of Underwater Mobile Sensor Network for ocean phenomena monitoring. Journal of Network and Computer Applications, 205, 103418.

[3] Fattah, S., Gani, A., Ahmedy, I., Idris, M. Y. I., & Targio Hashem, I. A. (2020). A survey on underwater wireless sensor networks: Requirements, taxonomy, recent advances, and open research challenges. Sensors, 20(18), 5393.

[4] Yang, G., Dai, L., Si, G., Wang, S., & Wang, S. (2019). Challenges and security issues in underwater wireless sensor networks. Procedia Computer Science, 147, 210-216.

[5] Awan, K. M., Shah, P. A., Iqbal, K., Gillani, S., Ahmad, W., & Nam, Y. (2019). Underwater wireless sensor networks: A review of recent issues and challenges. Wireless Communications and Mobile Computing, 2019.

[6] Khlaponin, Y., & Selyukov, O. (2020). Underwater radio device. Міжнародний науковий журнал" Підводні технології: промислова та цивільна інженерія", (10), 39-49.

Размещено на Allbest.ru