مقاله بررسی موردی کاربرد شبکه WSN در معادن زغالسنگ زیرزمینی

بخشی از مقاله

بررسي موردي کاربرد شبکه WSN در معادن زغالسنگ زيرزميني
چکيده
توسعه و گسترش صنعت و در کنار آن بالا رفتن خطاي بشري ، و هزاران حادثه که از نظر نوع و تعداد در معادن زغالسنگ زيرزميني اتفاق افتاده است ، اهميت نظارت روي معادن زغال زيرزميني در عصر جديد رابسيار بالابرده است بطوري که اغلب اتفاقات و حوادث زيرزميني قابل گزارش نيستند و از اين رو چک هم نمي شوند.معادن عمدتا شامل مسيرهاي تصادفي و تونلهاي شاخه اي هستند.اين ساختار غير سازماندهي شده ، معادن زغالي را براي توسعه هر اسکلت شبکه اي مشکل مي سازد. همچنين غير ارتباطي بودن امواج راديويي زمين در داخل معادن زيرزميني موضوع را پيچيده تر ميکند. ساختار شبکه در يک محيط زيرزميني کاملا جدا از سيگنالهاي مغناطيسي زمين است .بنابراين مجبوريم محيط ارتباطي را خودمان توليد کنيم . ماهيت بي ثبات ساختار زمين شناسي معادن زغال ، تونل هاي زيرزميني را مايل به تغيير ساختار مي کند. اين نااستواري ساختاري ميتواندبه علت ريزش که دراثر فرسايش خاک يا لرزش و آوار معدن است اتفاق بيفتد.راهکارهاي مانيتورينگي که پيش از اين ارائه شده اند چندان کارا نبودند. من جمله تلفات گزارش شده در ١٠ سال گذشته در آمريکا در ٤٨٠ معدن زغالي بيش از ٥٠ درصد براثر ريزش و تخريب معادن بوده و اغلب مرگ ومير ها بخاطر ريزش هاي کوچک و تخريب سقف يا ديوار بوده اند. از اين رو شناسايي سريع ناحيه ريزش و فراهم کردن مکان و منابع براي کارگران اهميت بسياري پيدا مي کند. از آنجاکه يک ريزش ممکن ست بخشي از سيستم مانيتورينگ راتخريب کند تهيه اعتبار شبکه در يک وضعيت بي نهايت نيز يکي ازچالش هاي پيش رو است . WSN به واسطه پتانسيل کاربردي بزرگ يک راه حل جزئي براي حل مشکلات بالا ارائه مي دهد.يک شبکه WSN معمولي عمدتا شامل نودهاي حسگر تصادفي توزيع شده با فواصل مشخص که مستقل از هم هستند کار ميکند.از اين رو در اين مقاله ما به بررسي دو مورد شبيه سازي شده شبکه WSN درمعادن مي پردازيم که در اين دو نمونه سعي در تحليل وارزيابي مکانيسم هاي استفاده شده و مقايسه آنها بايکديگر گرديده است .
کلمات کليدي : شبکه ، WSN، سنسور، بي سيم ، معادن زيرزميني، شبيه سازي، سيگنال ،شبکه حسگر، نود، توپولوژي

مقدمه
مونيتورينگ محيط تونلهاي زيرزميني که معمولا دراز وباريک و هزاران کيلومتر طول و چندين متر عرض دارند کاري بسيار وخيم و سخت است . براي اطمينان از شرايط کار درست در معادن زغالسنگ که پارامترهاي محيطي زيادي در آن شامل ميزان گاز، آب ، گردوغبار دخيل هستند نياز به مانيتورينگ است . براي به دست آوردن يک مقياس کامل مانيتورينگ از يک محيط تونلي و مدل سازي نياز به جمع آوري داده از محيط هاي مختلف است .يک بازبيني محيطي دقيق نياز به تراکم بالا براي نمونه برداري دارد. که با تعداد زيادي دستگاههاي سنس کننده درگير است . بعلت فقدان تکنيکي براي ساختن يک سيستم سنسيگ اتوماتيک در مقياس بزرگ متدهاي جديد مانيتورينگ محيط معدن زغالسنگ معمولا به سمت راههاي دست ساز و راهبردي پيش مي روند. بکارگيري سيم ها براي ارتباط نودهاي سنسور به سرور مرکزي نياز به سيم کشي بسيار زيادي دارد.که به علت نامناسب بودن شرايط کار سخت است و هزينه هاي زيرزميني بسيار بالايي را ايجاد ميکند.علاوه بر اين متدهاي ارتباطات سيمي، گسترش پذيري سيستم را کمتر مي کنند..ساختار و توپولوژي شبکه هاي سنسوري بيسيم يک استاندارد محض نيست و ميتواند متفاوت باشد و بر اساس نياز طراحي شود. شبکه هاي بي سيم اخيرا با موفقيتهاي زيادي در کاربردهاي گوناگون در حيطه و حوزه هاي رديابي .تشخيص زمين لرزه ،رديابي سلامتي و ديگرکاربردهاي حياتي و دارويي. گسترده شده اند اين موفقيت ها با ظهور ابزارهاي شبيه سازي که اخيرا توليد شده اند ميتوانند نشان داده شوند. نرم افزار شبيه سازي استفاده شده در اين متن Qualnet٤٥ است .که محصولي از Qualcom.inc است . اين نرم افزار خيلي مناسب است و براي هر شبيه سازي اي رنج وسعيي از پارامترها را پيشنهاد مي دهد. هدف اصلي تهيه يک طرح قابل اجرا براي معادن زغال زيرزميني بااستفاده از شبکه هاي سنسوري بي سيم به دليل پيچيدگي ساختار فيزيکي معادن زغالسنگ بوده است . درادامه اين بحث ما ابتدا طرح ٤ سناريو با شبيه ساز ذکر شده در يک معدن را مورد بررسي و مقايسه قرار داده و سپس طراحي و ارزيابي سيستم معرفي شده به نام ساسا (يک سيستم خودآگاه سازگار است )که درمعدن زغالسنگ mica٢ با شبيه سازي ٢٠٠٠ نود روي يک سطح ١٠٠٠ در ٢٠ متر با فاصله ٣ متري نودها ازهم در يک ٦ ضلعي منظم به فرم توپولوژ ي مش تست واجرا شده است ، شرح داده ميشود. دربخش اول که ارزيابي ٤ سناريو دريک فضاي مسير صلبي با ابعاد ١٥٠٠ در ١٥٠٠ با دوخط تونل موازي و يک تونل زير آن است ، طرح و توپولوژي هاي مختلف از پيکربندي شبکه WSN با استفاده از نرم افزار شبيه ساز Qualnet پياده سازي گرديده و در هرمرحله ميزان مزايا ومعايب روش معرفي شده ارزيابي و با سناريوهاي بعدي مقايسه گرديده است و در نهايت با رفع نواقص و تکميل مزيت ها از ترکيب سناريوهاي پيشين به يک سناريوي واحد رسيده است . دربخش دوم که پياده سازي سيستم ساسا است ، هدف بررسي چگونگي تشخيص حفره ها در ديواره هاي تونلهاي معادن است چراکه ريزش آوار و لرزش معادن در نواحي حفره اي بسيار مستعد تر است و شناسايي اين نواحي به منظور تشخيص ريزش هاي کم اثر وکوچک کار را براي تشخيص نواحي ريزش آوار سنگين راحت تر مي نمايد و با رسيدن به اين هدف آماده سازي جهت جلوگيري ازتکرار حادثه و نجات جان بشري بسيار ساده تر خواهد شد. در اين زمينه کارهاي مرتبط زيادي در دنيا انجام گرفته است از جمله :
[٢٠٠٥ Cheekiralla] : پيشنهاد استفاده از سيستم electrolevelبراي اندازه گيري تغييرات ساختاري در تونل هاي زير زميني لندن را داده است .
زيرساخت هاي هوشمند ارائه شده توسط دانشگاه کمبريج به بررسي استفاده از فيبر نوري براي نظارت بر تغيير شکل هاي ممکن در سازه تونلهاي زيرزميني،مزاياي سيستم آنها از مزاياي استفاده از فيبر نوري من جمله : عدم حساسيت به تداخل الکترومغناطيسي، دوام ، و غيره را در بر دارد.
مشکلات حفره ها در شبکه حسگر بي سيم توسط احمد و همکاران بررسي شده است [٢٠٠٥] .، او حفره ها را به چهار دسته تقسيم ميکند پوشش حفره ، مسيريابي حفره ، تراکم حفره و [1]حفره هاي مارپيچ ،عميق اما در هيچ کدام از اين بررسي ها مکانيزمي براي رديابي و نظارت ساختار عميق وغير قابل دسترسي معادن زيرزميني ارائه نشده است درصورتي که در اين نوشتار بحث روشهاي رديابي نودهاي سنسور براي تشخيص ناحيه حفره اي معادن مورد بحث قرار گرفته است و ميزان و کيفيت انتقال داده ها در توپولوژي مختلف ساختار شبکه اي با نودهاي حسگر بي سيم مقايسه گرديده است .
طرح سناريوهاي مختلف از شبکه هاي حسگر بي سيم در معدن هدف اصلي پروژه طراحي موفقيت اميز و شبيه سازي گسترش شبکه هاي سنسوري بي سيم درسناريوي معدني است . توپولوژي هاي مختلف با تغيير يک سري پارامترهاي خاص سعي کرده اند تا به يک مقدار بهينه از خروجي مورد نياز دست يابند.کار درحال حاضر عمدتا با گسترش شبکه هاي بي سيم سروکار دارد. استاندارد استفاده شده بي سيم در اين شبيه سازي استاندارد ٨٠٢.١٥.٤ يا همان استاندارد zigbee است . سناريوهاي نمايش داده شده پيچيدگي هايي را در بر دارند. ترکيب شبکه هاي استار و مش فقط ميتوانند نتايج مورد نياز مارا توليد کنند.بنابراين سناريوي آخري يک ترکيبي از شبکه هاي شخصي pan و اتصالات ساختاري شبکه مش هست .نگراني اصلي استفاده بهينه از نودهاست .اين نودها مجبورند با توجه به شرايط موجود در معادن نسبت به مصرف انرژي خيلي محدود باشند.به طوريکه انها به چند تابع اجرايي بيشتر تنظيم نمي شوند.در اين کار يک ساختار چند پرشي و توپولوژي استار و مش شبيه سازي و آناليز شده و سناريوهاي مختلف باهم مقايسه شده اند.پارامترهاي طراحي براي شبيه سازي بسيار نزديک به پارامترهاي واقعي در محيط معدن در نظر گرفته شده اند.
سناريوي اول
اين سناريو سناريوي بنيادي است که جايگذاري نودها به صورت رندمي و ارتباط برقرار کردن با هماهنگ کننده هاي pan مرکزي دراين سناريو تعريف شده است .بعضي نودها در اين فرآيند ارتباطي درگير نيستند و سرگردانند.فرض ميکنيم که اين نودها داده هاي مرتبط و مفيدي را ارسال يا دريافت نميکنند براي تکميل سناريو به صورت لايه اي در شبکه قرار داده ميشوند.شماي اين سناريو شبکه توپولوژي استار است .

اين شبيه سازي براي اجراي ٣٠٠ ثانيه طراحي شده .هر ٦ نود به نو سرور (نود٨) لينک داده شده اند وهر نود قرار تعداد پکت مساوي از داده را به هماهنگ کننده ( pan) ارسال کنند.ارسال ها روي استاندارد ٨٠٢.١٥.٤ يا همان استاندارد zigbee اجرا ميشوند.به طور پيش فرض روي فرکانس کانال ٢.٤ MHz تنظيم شدهدرصد پکيج هاي تحويل داده شده اين طور محاسبه مي شود: * (Total packets sent .Total packets Delivered )١٠٠ که توان ارسال ودريافت نودها نقش مهمي در فاکتورهاي فرمول ايفا مي کند. خروجي اين سناريو با معيار نرخ داده هاي از دست رفته (براي مقايسه با سناريوي بعدي ) درشکل ٢ نمايش داده شده است .
سناريوي ٢
در اين سناريو نودهاي ١ تا ١١ به جز ٦ مشغول ارسال داده بودند که با توجه به نمودار١- شکل ٣ مشخص است که تعداد داده هايي را که از دست دادند نسبت به سناريوي قبلي خيلي کمتر بوده است .نرخ داده ارسال شده در اين شبيه سازي ١٠٠ پکت ٥١٢ بايتي بوده است .طبق بررسي به اين نتيجه رسيديم که نودهايي که کمتر درگير ارسال داده بودند انرژي کمتري هم مصرف کرده اند و اين ناشي از تکنيک صف بندي و چند پرشي (hop) کردن مسير ارسال داده است (شکل ٣) که موجب مي شود در کل نودهاي کمتري انرژي بيشتر مصرف کنند درحاليکه ميزان داده مطلوبي را ارسال ميکنند و اين مساله نهايتا کارايي سيستم را افزايش ميدهد.همچنين طبق نمودار ٢- شکل ٣ مشخص است که ميانگين بيشترين ميزان تاخير در مسير انتها به انتها در سناريوي ٢ ، براي نودهايي است که در وسط مسير hop هستند(نودهاي ٤و٩) و بيشترين ميزان دريافتي را براي محاسبه و پردازش دارند.

در سناريوي ٣ هر نودي داده هايش رو مستقيم به نود هماهنگ کننده محدوده خودش ميفرستد و بعد هماهنگ کننده ها داده ها را به نود سينک اصلي ميفرستند(شکل ٤) با اين روش راندمان کاري براي هر نود در حدود ١٠٠ درصد است و مطمنا نودي داده ازدست نميدهد و چون ارسال داده در محدوده خود نود قرار دارد در نتيجه انرژي وتوان کمتري هم مصرف ميکند.

اما اين سناريو عملا امکان پذير نيست چراکه مابين هر محدوده ، بلاک هاي زغالسنگ وجود دارند که مانع ازديد هماهنگ کننده ها و يا نودها به يکديگر مي شوند.
سناريوي ٤
سناريوي ٤ ترکيبي از دو سناريوي مسير ارسال مستقيم و مسيرارسال چند پرشي است که نتيجه بهينه و بهتري را ارائه داده است

در اين سناريو ميزان ارسال داده ها مشابه است اما مطابق با نمودار١ شکل ٥تغيير در ميزان دريافت داده است . ما با بررسي نتايج اين سناريو به اين نتيجه رسيديم که ظرفيت نودها با توجه به نرخ ارسال وتوان عملياتي به شدت کاهش پيدا مي کند بنابراين پيشنهاد نود با توان بالاتر موثرتر است .
سناريوي نهايي
اين سناريو با در نظر گرفتن تمام بهترين نقاط سناريوهاي قبلي طراحي شد ه است .زير شبکه هاي وايرلس جداگانه هرکدام با هماهنگ کنننده هاي جداگانه وجود دارد. ابتدا هر زير شبکه به عنوان يک شبکه کامل کارش را انجام ميدهد و بعد کل اين زير شبکه ها هماهنگ باهم بعنوان شبکه اصلي سناريو کار ميکنند. هر هماهنگ کننده داده هاي سنسورهاي گروه خودش را جمع مي کند با قدرت بيشتري به نوداصلي انتشار مي دهد.. درآخر دريافت کلي از هماهنگ کننده ها را نود بيس با استفاده از پيکر بندي مسير چند پرشي بيشترين دريافتي را دارد.(يعني اينکه هر هماهنگ کننده داده هارا به هماهنگ کننده هاي بين مسير ارسال (پرش به پرش ) و سرانجام داده ها به نوداصلي منتقل مي شود). به منظور هدفمندي اطمينان از اينکه هر نود سنسور داده ها را به هماهنگ کننده زير شبکه خودش ارسال کند و نه هر هماهنگ کننده ديگري درکل شبکه ارتفاع آنتن نود سنسورها در ٠.٥ متر و ارتفاع هماهنگ کننده ها ١.٥ متر نگه داشته شده اند..اين امر يکپارچگي داده ها و انتقال سيگنال بهتر را تضمين مي کند. بخش اول نمودار شکل ٥ ميزان ارسال داده ها توسط نودهاو بخش دوم ميزان دريافت توسط نودهاي هماهنگ کننده است [٢]

خود سازگارSASA جهت مانيتور و تشخيص حادثه در معادن زغالسنگ زيرزميني اصول طراحي و مکانيسم ها موجود
نودسنسورهاي ثابت و بي حرکت به فرم شبکه مش روي ديوار و سقف تونلها گسترده شده اند(شکل ٦) براي به دست اوردن سرعت و دقت شناسايي روزنه ريزش ما از ارتباط بين دو نود سنسور در محيط خارج از ناحيه ريزش تونلي بهره برداري کرديم . هنگامي که يک ريزش تونلي اتفاق مي افتد نودها در ناحيه حادثه حرکت داده مي شوند ويک حفره در نود سنسورها پديدار مي شود.براي يک تراکم قابل قبول از گسترش نود سنسورها ،روزنه ايجاد شده در نودها بايد روزنه ريزش واقعي را با يک درجه اصلي انعکاس بدهد.هنگامي که بين سنسورها روزنه پديدار مي شود همانطور که در شکل ٧ نشان داده شده نودهاي روي لبه حفره مجاوران کمتري دارند.ايده اصلي درشناسايي يک روزنه (حفره ناشي از ريزش ) تهيه يک مجموعه اي از نود سنسورهاي مجاور نودي که مانع هست (مثل نودهاي گوشه اي که لبه حفره قرار گرفته اند). مي باشدهنگامي که يک نود به طور اتفاقي زير مجموعه اي از نودهاي مجاورش را که درحال ناپديدشدند هستند پيدا مي کند ،بايد اين فرض را براي خود مجسم کند که احتمالا يک نود لبه شده است .يک متد قوي تر در تعيين نودها ي مجاور اينست که نياز است هر نود به طور دوره اي نودهاي مجاورش را جستجو کند.هرچند اين دستيابي سربار ترافيکي هزينه بر زيادي دارد. براي مشخص کردن اين موضوع و دستيابي به آن درسيستم ساسا مکانيسم هاي زير پيشنهاد مي شود:
مکانيسم ديده باني (Beacon) پيشنهاد مي شود. مکانيسم اين الگوريتم ميتواند محل تقريبي حفره را ازميان نودهايي که در لبه ها قرار دارند به دست بياورد.تقريب شناسايي محل حفره در نود سينک محاسبه مي شود.
مکانيسم باز پيکربندي نودها که به دو فاز تقسيم مي شود: ١- شناسايي نودهاي جابجا شده و٢- باز پيکربندي نود. در فاز شناسايي نودهاي جابجا شده هردو مکانيسم هاي مرکزي و غير مرکزي براي به دست آوردن شناسايي با تاخير کوتاه بکار گرفته ميشوند.در فاز بازپيکربندي نودها : مکان جديد يک نود جابجا شده بر اساس نودهاي نرمال احاطه شده تخمين زده مي شود
مکانيسم ديده باني
به منظور مانيتور تغيير ساختار ، هر نود مسئول جستجو براي نودهاي اطرافش هست .به طور مستقيم نياز هست که هر نود به طور پويا براي نودهاي اطرافش جستجو کند اين رويکرد ساده هست اما موثر نيست .در شبکه نودها يک انتقال بين دو نود ميتواند فقط با بردکست محلي به دست آيد.بردکست يک دامنه تصادم مي سازد که همه نودهاي ديگر در اين دامنه بايد خاموش باشند تا از تصادم جلوگيري شود. اگر ما طرح بردکستينگ پيام را از نظر هزينه بررسي کنيم فعال کردن استراتژي جستجو هزينه ترافيکي دارد که n نمايش سايز شبکه و R ميانگين تعداد نودهاي مجاور براي هر نود است .مرتبه زماني پاسخ ها از نودهاي مجاور برابر با مي باشد
ساسا مکانيسم ديده باني را درنظرگرفته است .به اين شکل که که نودهاي غيرفعال به نودهاي مجاورشون گوش ميدهند.هر نود به صورت دوره اي پيغام ديده باني را بردکست ميکند.که اين پيغام شامل مختصات محل قرارگيري آن نود است . مزيتي که اين مکانيسم دارد اينست که ميتواند بطور موثري هزينه ترافيک رو تا پايين بياورد.براي اجتناب ازتصادم يک اختلاف فاصله زماني کوچکي به صورت رندمي روي سيستم ست مي شود.که از بردکست پيغام ديده باني همزمان چند نود باهم جلوگيري مي کند.[٣]

شناسايي نودهاي جابجا شده و بازپيکربندي شبکه
درطول يک آوار نودسنسورهاي قرارگرفته در ناحيه حفره با نودسنسورهاي اطراف جابجا ميشوند.وقتي که يک نود به عنوان يک نود لبه شناخته مي شود مانياز به شناسايي و تعيين مکان آن داريم چه بخواهيم چه نخواهيم اين نود جابجاشده است .چالش ديگه اي که در جابجايي نودهاست اين است که همه نودها بلافاصله بعد از ريزش آوار نود لبه اي نميشوند.
براي مثال ممکن است يک نود و تمام مجاوراش همه داخل يک گودال بيفتند مثل شکل ٨-بخش a- از آنجاکه نودهاي جابجاشده داخلي هرنودمجاور از دست رفته اي را پيدا نميکنند درنتيجه .انها خودشان را نود لبه تعريف نميکنند.دراين برنامه ما به شناسايي نودهاي جابجا شده و بازپيکربندي مکان آنها نياز داريم .هنگامي که نود سينک پيغام هاي گزارش را از مکان نودهاي لبه اي دريافت ميکندو مکان حفره را تخمين ميزند ،منطقه بدنه محدب راهم بردکست ميکند. و به نودهاي داخل ناحيه حفره خبر تغيير مکانشان را ميدهد.هرنودي در بدنه محدب شروع به شناسايي اطراف و چک کردن مکانش ا ز پيغام ديده باني خواهد کرد.اگر تفاوت محل دو نود فراتر از حد آستانه متفاوت باشد.آنها به عنوان نودهاي جابجا شده شناخته مي شوند.براي کم کردن طول پيام و ذخيره انرژي اين منطقه محدب را ،با استفاده از يک محفظه مستطيل شکل تقريب ميزند. که ١٦ بايت هزينه ميکند تا چهار راس رو نشان بدهد و محاسبات هر نود را ساده تر کند.همانطور که درشکل ٨ نشان داده شده است . اگرچه تقريب دقت کمي دارد. اما براي توصيف يک حفره کافي است .موضوع اصلي چنين رويکردي برتاخير طولاني و دقت کم درمسيرهاي طولاني معادن زغالسنگ که داده از دست ميرود متمرکز است که تاحدي از اين تاخيرات و افت داده بکاهد.بويژه زمانيکه منطقه ريزش داخل يک تونل طولاني خيلي دورتر از نود سينک باشد. در موارد شديدشبکه مي تواند توسط يک فروپاشي بزرگ قطع شود.اگرچه چنين فروپاشي بزرگي از ٢٠ سال گذشته در معادن زغالسنگ نادر بوده است . درواقع ، از آنجا که ريزش درمقياس ها ي کوچک احتمال بيشتري دارد و ريزشهاي در مقياس بزرگ را ساده تر مکانيابي ميکند، ما ميتوانيم شنناسايي ريزش هاي کوچک رو به عنوان يک هشدار براي ريزش هاي بزرگ استفاده کنيم . هشدار يا نشانه اي از احتمال سقوط بزرگ به منظور تخليه و يا تعمير سريع منطقه خطرناک . بازسازي ساختارکه اينکار (تخليه يا تعمير)زماني که يک ريزش و فروپاشي عظيم رخ ميدهد خيلي زمانگير است . درحاليکه گزارش و سرعت شناسايي مکان ريزش هاي کوچک براي امنيت معدن زغال مهم هستند.ازينرو فوکوس اوليه ساسا روي تعيين مکان ريزش هاي کوچک و خرد هستند. بمنظور کاهش بيشتر زمان تاخير براي تشخيص و بالا بردن دقت يک الگوريتم توزيع شده را پيشنهاد ميکنيم . به ياد بياوريد که در تعريف گره لبه گفتيم گره لبه گره اي است که حداقل دو همسايه مجاور را از دست داده است .سه نوع نود لبه وجود دارد:[٤]
گره هاي لبه اي که همسايه شونو از دست دادند اما خودشون جابجا نشده اند. مکانهايشان درست هستند ونياز به هيچ بازپيکربندي اي نداردند نودهاي لبه اي که داخل محلي افتاده اند که هيچ نودنرمالي وجود ندارد. آنها هيچ تاثيري روي گره هاي نرمال ندارند ونياز به هيچ کار يا عملي روي آنهانيست . درواقع يک نود نميتواند به سادگي شناسايي شود که متعلق به نوع ١ است يا نوع ٢ نودهاي نرمالي که داخل رنج نودهاي نرمال ديگري افتاده اند.