مقاله بررسی موردی کاربرد شبکه WSN در معادن زغالسنگ زیرزمینی

word قابل ویرایش
17 صفحه
دسته : اطلاعیه ها
10700 تومان

بررسی موردی کاربرد شبکه WSN در معادن زغالسنگ زیرزمینی
چکیده
توسعه و گسترش صنعت و در کنار آن بالا رفتن خطای بشری ، و هزاران حادثه که از نظر نوع و تعداد در معادن زغالسنگ زیرزمینی اتفاق افتاده است ، اهمیت نظارت روی معادن زغال زیرزمینی در عصر جدید رابسیار بالابرده است بطوری که اغلب اتفاقات و حوادث زیرزمینی قابل گزارش نیستند و از این رو چک هم نمی شوند.معادن عمدتا شامل مسیرهای تصادفی و تونلهای شاخه ای هستند.این ساختار غیر سازماندهی شده ، معادن زغالی را برای توسعه هر اسکلت شبکه ای مشکل می سازد. همچنین غیر ارتباطی بودن امواج رادیویی زمین در داخل معادن زیرزمینی موضوع را پیچیده تر میکند. ساختار شبکه در یک محیط زیرزمینی کاملا جدا از سیگنالهای مغناطیسی زمین است .بنابراین مجبوریم محیط ارتباطی را خودمان تولید کنیم . ماهیت بی ثبات ساختار زمین شناسی معادن زغال ، تونل های زیرزمینی را مایل به تغییر ساختار می کند. این نااستواری ساختاری میتواندبه علت ریزش که دراثر فرسایش خاک یا لرزش و آوار معدن است اتفاق بیفتد.راهکارهای مانیتورینگی که پیش از این ارائه شده اند چندان کارا نبودند. من جمله تلفات گزارش شده در ١٠ سال گذشته در آمریکا در ۴٨٠ معدن زغالی بیش از ۵٠ درصد براثر ریزش و تخریب معادن بوده و اغلب مرگ ومیر ها بخاطر ریزش های کوچک و تخریب سقف یا دیوار بوده اند. از این رو شناسایی سریع ناحیه ریزش و فراهم کردن مکان و منابع برای کارگران اهمیت بسیاری پیدا می کند. از آنجاکه یک ریزش ممکن ست بخشی از سیستم مانیتورینگ راتخریب کند تهیه اعتبار شبکه در یک وضعیت بی نهایت نیز یکی ازچالش های پیش رو است . WSN به واسطه پتانسیل کاربردی بزرگ یک راه حل جزئی برای حل مشکلات بالا ارائه می دهد.یک شبکه WSN معمولی عمدتا شامل نودهای حسگر تصادفی توزیع شده با فواصل مشخص که مستقل از هم هستند کار میکند.از این رو در این مقاله ما به بررسی دو مورد شبیه سازی شده شبکه WSN درمعادن می پردازیم که در این دو نمونه سعی در تحلیل وارزیابی مکانیسم های استفاده شده و مقایسه آنها بایکدیگر گردیده است .
کلمات کلیدی : شبکه ، WSN، سنسور، بی سیم ، معادن زیرزمینی، شبیه سازی، سیگنال ،شبکه حسگر، نود، توپولوژی

مقدمه
مونیتورینگ محیط تونلهای زیرزمینی که معمولا دراز وباریک و هزاران کیلومتر طول و چندین متر عرض دارند کاری بسیار وخیم و سخت است . برای اطمینان از شرایط کار درست در معادن زغالسنگ که پارامترهای محیطی زیادی در آن شامل میزان گاز، آب ، گردوغبار دخیل هستند نیاز به مانیتورینگ است . برای به دست آوردن یک مقیاس کامل مانیتورینگ از یک محیط تونلی و مدل سازی نیاز به جمع آوری داده از محیط های مختلف است .یک بازبینی محیطی دقیق نیاز به تراکم بالا برای نمونه برداری دارد. که با تعداد زیادی دستگاههای سنس کننده درگیر است . بعلت فقدان تکنیکی برای ساختن یک سیستم سنسیگ اتوماتیک در مقیاس بزرگ متدهای جدید مانیتورینگ محیط معدن زغالسنگ معمولا به سمت راههای دست ساز و راهبردی پیش می روند. بکارگیری سیم ها برای ارتباط نودهای سنسور به سرور مرکزی نیاز به سیم کشی بسیار زیادی دارد.که به علت نامناسب بودن شرایط کار سخت است و هزینه های زیرزمینی بسیار بالایی را ایجاد میکند.علاوه بر این متدهای ارتباطات سیمی، گسترش پذیری سیستم را کمتر می کنند..ساختار و توپولوژی شبکه های سنسوری بیسیم یک استاندارد محض نیست و میتواند متفاوت باشد و بر اساس نیاز طراحی شود. شبکه های بی سیم اخیرا با موفقیتهای زیادی در کاربردهای گوناگون در حیطه و حوزه های ردیابی .تشخیص زمین لرزه ،ردیابی سلامتی و دیگرکاربردهای حیاتی و دارویی. گسترده شده اند این موفقیت ها با ظهور ابزارهای شبیه سازی که اخیرا تولید شده اند میتوانند نشان داده شوند. نرم افزار شبیه سازی استفاده شده در این متن Qualnet۴۵ است .که محصولی از Qualcom.inc است . این نرم افزار خیلی مناسب است و برای هر شبیه سازی ای رنج وسعیی از پارامترها را پیشنهاد می دهد. هدف اصلی تهیه یک طرح قابل اجرا برای معادن زغال زیرزمینی بااستفاده از شبکه های سنسوری بی سیم به دلیل پیچیدگی ساختار فیزیکی معادن زغالسنگ بوده است . درادامه این بحث ما ابتدا طرح ۴ سناریو با شبیه ساز ذکر شده در یک معدن را مورد بررسی و مقایسه قرار داده و سپس طراحی و ارزیابی سیستم معرفی شده به نام ساسا (یک سیستم خودآگاه سازگار است )که درمعدن زغالسنگ mica٢ با شبیه سازی ٢٠٠٠ نود روی یک سطح ١٠٠٠ در ٢٠ متر با فاصله ٣ متری نودها ازهم در یک ۶ ضلعی منظم به فرم توپولوژ ی مش تست واجرا شده است ، شرح داده میشود. دربخش اول که ارزیابی ۴ سناریو دریک فضای مسیر صلبی با ابعاد ١۵٠٠ در ١۵٠٠ با دوخط تونل موازی و یک تونل زیر آن است ، طرح و توپولوژی های مختلف از پیکربندی شبکه WSN با استفاده از نرم افزار شبیه ساز Qualnet پیاده سازی گردیده و در هرمرحله میزان مزایا ومعایب روش معرفی شده ارزیابی و با سناریوهای بعدی مقایسه گردیده است و در نهایت با رفع نواقص و تکمیل مزیت ها از ترکیب سناریوهای پیشین به یک سناریوی واحد رسیده است . دربخش دوم که پیاده سازی سیستم ساسا است ، هدف بررسی چگونگی تشخیص حفره ها در دیواره های تونلهای معادن است چراکه ریزش آوار و لرزش معادن در نواحی حفره ای بسیار مستعد تر است و شناسایی این نواحی به منظور تشخیص ریزش های کم اثر وکوچک کار را برای تشخیص نواحی ریزش آوار سنگین راحت تر می نماید و با رسیدن به این هدف آماده سازی جهت جلوگیری ازتکرار حادثه و نجات جان بشری بسیار ساده تر خواهد شد. در این زمینه کارهای مرتبط زیادی در دنیا انجام گرفته است از جمله :
[٢٠٠۵ Cheekiralla] : پیشنهاد استفاده از سیستم electrolevelبرای اندازه گیری تغییرات ساختاری در تونل های زیر زمینی لندن را داده است .
زیرساخت های هوشمند ارائه شده توسط دانشگاه کمبریج به بررسی استفاده از فیبر نوری برای نظارت بر تغییر شکل های ممکن در سازه تونلهای زیرزمینی،مزایای سیستم آنها از مزایای استفاده از فیبر نوری من جمله : عدم حساسیت به تداخل الکترومغناطیسی، دوام ، و غیره را در بر دارد.
مشکلات حفره ها در شبکه حسگر بی سیم توسط احمد و همکاران بررسی شده است [٢٠٠۵] .، او حفره ها را به چهار دسته تقسیم میکند پوشش حفره ، مسیریابی حفره ، تراکم حفره و [۱]حفره های مارپیچ ،عمیق اما در هیچ کدام از این بررسی ها مکانیزمی برای ردیابی و نظارت ساختار عمیق وغیر قابل دسترسی معادن زیرزمینی ارائه نشده است درصورتی که در این نوشتار بحث روشهای ردیابی نودهای سنسور برای تشخیص ناحیه حفره ای معادن مورد بحث قرار گرفته است و میزان و کیفیت انتقال داده ها در توپولوژی مختلف ساختار شبکه ای با نودهای حسگر بی سیم مقایسه گردیده است .
طرح سناریوهای مختلف از شبکه های حسگر بی سیم در معدن هدف اصلی پروژه طراحی موفقیت امیز و شبیه سازی گسترش شبکه های سنسوری بی سیم درسناریوی معدنی است . توپولوژی های مختلف با تغییر یک سری پارامترهای خاص سعی کرده اند تا به یک مقدار بهینه از خروجی مورد نیاز دست یابند.کار درحال حاضر عمدتا با گسترش شبکه های بی سیم سروکار دارد. استاندارد استفاده شده بی سیم در این شبیه سازی استاندارد ٨٠٢.١۵.۴ یا همان استاندارد zigbee است . سناریوهای نمایش داده شده پیچیدگی هایی را در بر دارند. ترکیب شبکه های استار و مش فقط میتوانند نتایج مورد نیاز مارا تولید کنند.بنابراین سناریوی آخری یک ترکیبی از شبکه های شخصی pan و اتصالات ساختاری شبکه مش هست .نگرانی اصلی استفاده بهینه از نودهاست .این نودها مجبورند با توجه به شرایط موجود در معادن نسبت به مصرف انرژی خیلی محدود باشند.به طوریکه انها به چند تابع اجرایی بیشتر تنظیم نمی شوند.در این کار یک ساختار چند پرشی و توپولوژی استار و مش شبیه سازی و آنالیز شده و سناریوهای مختلف باهم مقایسه شده اند.پارامترهای طراحی برای شبیه سازی بسیار نزدیک به پارامترهای واقعی در محیط معدن در نظر گرفته شده اند.
سناریوی اول
این سناریو سناریوی بنیادی است که جایگذاری نودها به صورت رندمی و ارتباط برقرار کردن با هماهنگ کننده های pan مرکزی دراین سناریو تعریف شده است .بعضی نودها در این فرآیند ارتباطی درگیر نیستند و سرگردانند.فرض میکنیم که این نودها داده های مرتبط و مفیدی را ارسال یا دریافت نمیکنند برای تکمیل سناریو به صورت لایه ای در شبکه قرار داده میشوند.شمای این سناریو شبکه توپولوژی استار است .

این شبیه سازی برای اجرای ٣٠٠ ثانیه طراحی شده .هر ۶ نود به نو سرور (نود٨) لینک داده شده اند وهر نود قرار تعداد پکت مساوی از داده را به هماهنگ کننده ( pan) ارسال کنند.ارسال ها روی استاندارد ٨٠٢.١۵.۴ یا همان استاندارد zigbee اجرا میشوند.به طور پیش فرض روی فرکانس کانال ٢.۴ MHz تنظیم شدهدرصد پکیج های تحویل داده شده این طور محاسبه می شود: * (Total packets sent .Total packets Delivered )١٠٠ که توان ارسال ودریافت نودها نقش مهمی در فاکتورهای فرمول ایفا می کند. خروجی این سناریو با معیار نرخ داده های از دست رفته (برای مقایسه با سناریوی بعدی ) درشکل ٢ نمایش داده شده است .
سناریوی ٢
در این سناریو نودهای ١ تا ١١ به جز ۶ مشغول ارسال داده بودند که با توجه به نمودار١- شکل ٣ مشخص است که تعداد داده هایی را که از دست دادند نسبت به سناریوی قبلی خیلی کمتر بوده است .نرخ داده ارسال شده در این شبیه سازی ١٠٠ پکت ۵١٢ بایتی بوده است .طبق بررسی به این نتیجه رسیدیم که نودهایی که کمتر درگیر ارسال داده بودند انرژی کمتری هم مصرف کرده اند و این ناشی از تکنیک صف بندی و چند پرشی (hop) کردن مسیر ارسال داده است (شکل ٣) که موجب می شود در کل نودهای کمتری انرژی بیشتر مصرف کنند درحالیکه میزان داده مطلوبی را ارسال میکنند و این مساله نهایتا کارایی سیستم را افزایش میدهد.همچنین طبق نمودار ٢- شکل ٣ مشخص است که میانگین بیشترین میزان تاخیر در مسیر انتها به انتها در سناریوی ٢ ، برای نودهایی است که در وسط مسیر hop هستند(نودهای ۴و٩) و بیشترین میزان دریافتی را برای محاسبه و پردازش دارند.

در سناریوی ٣ هر نودی داده هایش رو مستقیم به نود هماهنگ کننده محدوده خودش میفرستد و بعد هماهنگ کننده ها داده ها را به نود سینک اصلی میفرستند(شکل ۴) با این روش راندمان کاری برای هر نود در حدود ١٠٠ درصد است و مطمنا نودی داده ازدست نمیدهد و چون ارسال داده در محدوده خود نود قرار دارد در نتیجه انرژی وتوان کمتری هم مصرف میکند.

اما این سناریو عملا امکان پذیر نیست چراکه مابین هر محدوده ، بلاک های زغالسنگ وجود دارند که مانع ازدید هماهنگ کننده ها و یا نودها به یکدیگر می شوند.
سناریوی ۴
سناریوی ۴ ترکیبی از دو سناریوی مسیر ارسال مستقیم و مسیرارسال چند پرشی است که نتیجه بهینه و بهتری را ارائه داده است

در این سناریو میزان ارسال داده ها مشابه است اما مطابق با نمودار١ شکل ۵تغییر در میزان دریافت داده است . ما با بررسی نتایج این سناریو به این نتیجه رسیدیم که ظرفیت نودها با توجه به نرخ ارسال وتوان عملیاتی به شدت کاهش پیدا می کند بنابراین پیشنهاد نود با توان بالاتر موثرتر است .
سناریوی نهایی
این سناریو با در نظر گرفتن تمام بهترین نقاط سناریوهای قبلی طراحی شد ه است .زیر شبکه های وایرلس جداگانه هرکدام با هماهنگ کنننده های جداگانه وجود دارد. ابتدا هر زیر شبکه به عنوان یک شبکه کامل کارش را انجام میدهد و بعد کل این زیر شبکه ها هماهنگ باهم بعنوان شبکه اصلی سناریو کار میکنند. هر هماهنگ کننده داده های سنسورهای گروه خودش را جمع می کند با قدرت بیشتری به نوداصلی انتشار می دهد.. درآخر دریافت کلی از هماهنگ کننده ها را نود بیس با استفاده از پیکر بندی مسیر چند پرشی بیشترین دریافتی را دارد.(یعنی اینکه هر هماهنگ کننده داده هارا به هماهنگ کننده های بین مسیر ارسال (پرش به پرش ) و سرانجام داده ها به نوداصلی منتقل می شود). به منظور هدفمندی اطمینان از اینکه هر نود سنسور داده ها را به هماهنگ کننده زیر شبکه خودش ارسال کند و نه هر هماهنگ کننده دیگری درکل شبکه ارتفاع آنتن نود سنسورها در ٠.۵ متر و ارتفاع هماهنگ کننده ها ١.۵ متر نگه داشته شده اند..این امر یکپارچگی داده ها و انتقال سیگنال بهتر را تضمین می کند. بخش اول نمودار شکل ۵ میزان ارسال داده ها توسط نودهاو بخش دوم میزان دریافت توسط نودهای هماهنگ کننده است [٢]

خود سازگارSASA جهت مانیتور و تشخیص حادثه در معادن زغالسنگ زیرزمینی اصول طراحی و مکانیسم ها موجود
نودسنسورهای ثابت و بی حرکت به فرم شبکه مش روی دیوار و سقف تونلها گسترده شده اند(شکل ۶) برای به دست اوردن سرعت و دقت شناسایی روزنه ریزش ما از ارتباط بین دو نود سنسور در محیط خارج از ناحیه ریزش تونلی بهره برداری کردیم . هنگامی که یک ریزش تونلی اتفاق می افتد نودها در ناحیه حادثه حرکت داده می شوند ویک حفره در نود سنسورها پدیدار می شود.برای یک تراکم قابل قبول از گسترش نود سنسورها ،روزنه ایجاد شده در نودها باید روزنه ریزش واقعی را با یک درجه اصلی انعکاس بدهد.هنگامی که بین سنسورها روزنه پدیدار می شود همانطور که در شکل ٧ نشان داده شده نودهای روی لبه حفره مجاوران کمتری دارند.ایده اصلی درشناسایی یک روزنه (حفره ناشی از ریزش ) تهیه یک مجموعه ای از نود سنسورهای مجاور نودی که مانع هست (مثل نودهای گوشه ای که لبه حفره قرار گرفته اند). می باشدهنگامی که یک نود به طور اتفاقی زیر مجموعه ای از نودهای مجاورش را که درحال ناپدیدشدند هستند پیدا می کند ،باید این فرض را برای خود مجسم کند که احتمالا یک نود لبه شده است .یک متد قوی تر در تعیین نودها ی مجاور اینست که نیاز است هر نود به طور دوره ای نودهای مجاورش را جستجو کند.هرچند این دستیابی سربار ترافیکی هزینه بر زیادی دارد. برای مشخص کردن این موضوع و دستیابی به آن درسیستم ساسا مکانیسم های زیر پیشنهاد می شود:
مکانیسم دیده بانی (Beacon) پیشنهاد می شود. مکانیسم این الگوریتم میتواند محل تقریبی حفره را ازمیان نودهایی که در لبه ها قرار دارند به دست بیاورد.تقریب شناسایی محل حفره در نود سینک محاسبه می شود.
مکانیسم باز پیکربندی نودها که به دو فاز تقسیم می شود: ١- شناسایی نودهای جابجا شده و٢- باز پیکربندی نود. در فاز شناسایی نودهای جابجا شده هردو مکانیسم های مرکزی و غیر مرکزی برای به دست آوردن شناسایی با تاخیر کوتاه بکار گرفته میشوند.در فاز بازپیکربندی نودها : مکان جدید یک نود جابجا شده بر اساس نودهای نرمال احاطه شده تخمین زده می شود
مکانیسم دیده بانی
به منظور مانیتور تغییر ساختار ، هر نود مسئول جستجو برای نودهای اطرافش هست .به طور مستقیم نیاز هست که هر نود به طور پویا برای نودهای اطرافش جستجو کند این رویکرد ساده هست اما موثر نیست .در شبکه نودها یک انتقال بین دو نود میتواند فقط با بردکست محلی به دست آید.بردکست یک دامنه تصادم می سازد که همه نودهای دیگر در این دامنه باید خاموش باشند تا از تصادم جلوگیری شود. اگر ما طرح بردکستینگ پیام را از نظر هزینه بررسی کنیم فعال کردن استراتژی جستجو هزینه ترافیکی دارد که n نمایش سایز شبکه و R میانگین تعداد نودهای مجاور برای هر نود است .مرتبه زمانی پاسخ ها از نودهای مجاور برابر با می باشد
ساسا مکانیسم دیده بانی را درنظرگرفته است .به این شکل که که نودهای غیرفعال به نودهای مجاورشون گوش میدهند.هر نود به صورت دوره ای پیغام دیده بانی را بردکست میکند.که این پیغام شامل مختصات محل قرارگیری آن نود است . مزیتی که این مکانیسم دارد اینست که میتواند بطور موثری هزینه ترافیک رو تا پایین بیاورد.برای اجتناب ازتصادم یک اختلاف فاصله زمانی کوچکی به صورت رندمی روی سیستم ست می شود.که از بردکست پیغام دیده بانی همزمان چند نود باهم جلوگیری می کند.[٣]

شناسایی نودهای جابجا شده و بازپیکربندی شبکه
درطول یک آوار نودسنسورهای قرارگرفته در ناحیه حفره با نودسنسورهای اطراف جابجا میشوند.وقتی که یک نود به عنوان یک نود لبه شناخته می شود مانیاز به شناسایی و تعیین مکان آن داریم چه بخواهیم چه نخواهیم این نود جابجاشده است .چالش دیگه ای که در جابجایی نودهاست این است که همه نودها بلافاصله بعد از ریزش آوار نود لبه ای نمیشوند.
برای مثال ممکن است یک نود و تمام مجاوراش همه داخل یک گودال بیفتند مثل شکل ٨-بخش a- از آنجاکه نودهای جابجاشده داخلی هرنودمجاور از دست رفته ای را پیدا نمیکنند درنتیجه .انها خودشان را نود لبه تعریف نمیکنند.دراین برنامه ما به شناسایی نودهای جابجا شده و بازپیکربندی مکان آنها نیاز داریم .هنگامی که نود سینک پیغام های گزارش را از مکان نودهای لبه ای دریافت میکندو مکان حفره را تخمین میزند ،منطقه بدنه محدب راهم بردکست میکند. و به نودهای داخل ناحیه حفره خبر تغییر مکانشان را میدهد.هرنودی در بدنه محدب شروع به شناسایی اطراف و چک کردن مکانش ا ز پیغام دیده بانی خواهد کرد.اگر تفاوت محل دو نود فراتر از حد آستانه متفاوت باشد.آنها به عنوان نودهای جابجا شده شناخته می شوند.برای کم کردن طول پیام و ذخیره انرژی این منطقه محدب را ،با استفاده از یک محفظه مستطیل شکل تقریب میزند. که ١۶ بایت هزینه میکند تا چهار راس رو نشان بدهد و محاسبات هر نود را ساده تر کند.همانطور که درشکل ٨ نشان داده شده است . اگرچه تقریب دقت کمی دارد. اما برای توصیف یک حفره کافی است .موضوع اصلی چنین رویکردی برتاخیر طولانی و دقت کم درمسیرهای طولانی معادن زغالسنگ که داده از دست میرود متمرکز است که تاحدی از این تاخیرات و افت داده بکاهد.بویژه زمانیکه منطقه ریزش داخل یک تونل طولانی خیلی دورتر از نود سینک باشد. در موارد شدیدشبکه می تواند توسط یک فروپاشی بزرگ قطع شود.اگرچه چنین فروپاشی بزرگی از ٢٠ سال گذشته در معادن زغالسنگ نادر بوده است . درواقع ، از آنجا که ریزش درمقیاس ها ی کوچک احتمال بیشتری دارد و ریزشهای در مقیاس بزرگ را ساده تر مکانیابی میکند، ما میتوانیم شنناسایی ریزش های کوچک رو به عنوان یک هشدار برای ریزش های بزرگ استفاده کنیم . هشدار یا نشانه ای از احتمال سقوط بزرگ به منظور تخلیه و یا تعمیر سریع منطقه خطرناک . بازسازی ساختارکه اینکار (تخلیه یا تعمیر)زمانی که یک ریزش و فروپاشی عظیم رخ میدهد خیلی زمانگیر است . درحالیکه گزارش و سرعت شناسایی مکان ریزش های کوچک برای امنیت معدن زغال مهم هستند.ازینرو فوکوس اولیه ساسا روی تعیین مکان ریزش های کوچک و خرد هستند. بمنظور کاهش بیشتر زمان تاخیر برای تشخیص و بالا بردن دقت یک الگوریتم توزیع شده را پیشنهاد میکنیم . به یاد بیاورید که در تعریف گره لبه گفتیم گره لبه گره ای است که حداقل دو همسایه مجاور را از دست داده است .سه نوع نود لبه وجود دارد:[۴]
گره های لبه ای که همسایه شونو از دست دادند اما خودشون جابجا نشده اند. مکانهایشان درست هستند ونیاز به هیچ بازپیکربندی ای نداردند نودهای لبه ای که داخل محلی افتاده اند که هیچ نودنرمالی وجود ندارد. آنها هیچ تاثیری روی گره های نرمال ندارند ونیاز به هیچ کار یا عملی روی آنهانیست . درواقع یک نود نمیتواند به سادگی شناسایی شود که متعلق به نوع ١ است یا نوع ٢ نودهای نرمالی که داخل رنج نودهای نرمال دیگری افتاده اند.

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 10700 تومان در 17 صفحه
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد