بخشی از مقاله
چکیده
توسعهي سیستمهاي هشدار سیلاب به عنوان یکی از ابزارهاي مدیریت غیرسازهاي نقش مهمی در کاهش خطرات محتمل ایفا میکند. از یک سو روشهاي سازهاي به دلیل هزینههاي اقتصادي و زیست محیطی بالا از توجیه پایینی برخوردارند. از طرف دیگر جریان هاي سیلابی در اثر طغیان آب از مسیرهاي از پیش تعیین شده خارج میشوند و عملا اقدامات سازهاي را بینتیجه میگذارند. در این مطالعه با استفاده از GIS سطح زمین مورد آنالیز قرار گرفته تا تمامی مسیرهاي محتمل و مناطقی که در اثر بروز سیلاب مورد تهدید واقع میشوند، تعیین شوند.
سپس شبکهاي از سنسورها با توجه به شرایط مختلف منطقه با ساختار سلولی طراحی شده و توسط نرمافزارهاي شبیهسازي شبکهي سنسورها کارایی آن مورد بررسی قرار گرفته است. چنین شبکهاي علاوه بر هشدار سیلاب میتواند اطلاعات لازم را براي مدیریت منابع آب فراهم آورد. در ابتداي مقاله فناوريها و استانداردهاي شبکهي سنسورها مطرح شده است. در بخش بعدي مراحل آنالیز زمین در محدودهي مورد نظر با استفاده از ابزار GIS و شبیهسازي و ارزیابی کارایی شبکه سنسورها مورد بررسی قرار گرفته است. در نهایت هم پیشنهادات نگارندگان براي توسعه سیستم فعلی آورده شده است.
-1 مقدمه
سیلاب به خارج شدن آب از آبراهههاي دائمی و زیر آب رفتن گسترهاي از زمین گفته میشود. دلایل متعددي باعث ایجاد جریانهاي سیلابی میشود مانند ریزش سریع نزولات آسمانی، عدم نفوذپذیري زمین محل بارش و ذوب سریع برفها، عدم طراحی صحیح مسیر رودخانه و غیره. در ایران به دلیل وسعت زیاد، اقالیم متعدد و تراکم زمانی و مکانی بارشها در اکثر حوزههاي آبخیز، همه ساله سیلابهاي عظیمی در اکثر مناطق کشور رخ میدهد که بسیاري از آنها خسارات جانی و مالی فراوانی به بار میآورند.
طبق گزارش طرح ملی آمادگی و کنترل سوانح طبیعی کشور، ایران طی یک دورهي 25 ساله - از 1361 تا - 1385 با 967 سیل روبرو بوده که از این میان 117 سیل بسیار مهم و با خسارات و تلفات فراوان همراه بوده است. طی این سالها 42/5 میلیون نفر از جمعیت کشور تحت تأثیر سیل بودهاند و طی این مدت حدود 2 میلیون نفر بیخانمان شدهاند.
گزارش وزارت نیرو اعلام میدارد که بین حوادث غیرمترقبه در کشور بالاترین خسارات مالی ناشی از سیل است.[1] با توجه به سیلخیزي بالاي ایران نیاز است تا مدیریت بحران سیل مورد توجه ویژه قرار گیرد. مدیریت بحران سیل به فرآیندهاي فراگیري در مهار سیل اطلاق میشود که گسترش سیلاب و و خسارت ناشی از آن را تعدیل میکند. مدیریت بحران سیل شامل پنج فاز است که فاز اول آن فاز پیشگیري است.
در صورت اجراي مناسب فاز پیشگیري از خسارات مالی و جانی سیلاب به شدت کاسته میشود. سیستمهاي هشدار سیلاب یکی از روش هاي غیرسازهاي پیشرفته مدیریت سیلاب در فاز پیشگیري هستند، که نسبت به روشهاي سازهاي هزینه ي اقتصادي و زیست محیطی بسیار کمتري دارند و علاوه بر استفاده در مدیریت بحران میتوان از آنها در مدیریت منابع آب نیز بهره برد.
پیشرفتهاي اخیر در فناوري ساخت سنسورها از یک سو و توسعه فناوري ارتباطات بیسیم از سوي دیگر زمینهساز طراحی شبکههاي سنسور بیسیم شده است.[2] این شبکهها در مونیتورینگ محیط زیست بسیار پرکاربرد هستند. این شبکهها با توجه به کارایی بالا و توجیه اقتصادي مناسب میتوانند در هشدار سیلاب مورد استفاده واقع شوند.[3]
کارکرد موثر شبکهي سنسور به عنوان سیستم هشدار به عوامل متعددي از جمله جانمایی بهینه سنسورها و ساختار شبکهي سنسورها بستگی دارد. جانمایی بهینه سنسورها علاوه بر این که تعداد سنسورهاي مورد استفاده را بهینه میکند، باعث میشود تا اطلاعات دقیقی از حوزهي آبخیز به دست آید. انتخاب ساختار شبکهي سنسور - به یکی از حالتهاي یکپارچه و یا خوشهبندي شده - و خوشهبندي سنسورها که نحوهي برقراري ارتباط آنها با هم و ارتباط با چاهک را معلوم میکند در عمر شبکهي سنسور و کارایی آن تاثیر چشمگیري دارد.[4]
در این مقاله از مدل داده ArcHydro که یک شبکهي هندسی از عوارض ایجاد کرده و حوزههاي آبخیز را مشخص میسازد، در جانمایی سنسورها و انتخاب ساختار شبکهي سنسور استفاده شده است و نرمافزار Visual Sense که یک شبیهساز شبکهي سنسور است براي خوشهبندي بهینه سنسورها و تست کارایی و عمر شبکه به کار گرفته شده است.
-2 ابزار و روشها
-1-2 مدل داده ArcHydro
در این مطالعه براي بررسی وضعیت زمین از مدل دادهي ArcHydro استفاده شده است. این مدل داده یک چارچوب استاندارد فراهم میکند که میتوان انواع مختلفی از دادههاي مرتبط با منابع آبی را وارد آن کرد. به این ترتیب دادهها یک پایگاه داده براي تهیه نقشه و مدلسازي ایجاد می کنند. مدل دادهي ArcHydro دادهها را در چهار مجموعه داده ذخیره میکند.
این مجموعه دادهها عبارتند از هیدروگرافی، زهکشی - حوزههاي زهکشی زمین از مدل ارتفاعی رقومی زمین استخراج میشود - ، کانال - پروفیلهاي سه بعدي و مقاطع عرضی که کانالهاي جریان را نمایش میدهند - و شبکه - یک شبکهي هندسی که ارتباط بین عوارض مرتبط با آبهاي سطحی بر روي زمین را نمایش میدهد - .[5] با به کارگیري ArcHydro تمامی دادههاي مربوط به آبهاي سطحی منطقه مورد مطالعه در چنین قالبی دستهبندي شدند.
-2-2 شبکه سنسور و شبیهساز شبکه
شبکه سنسور نوع خاصی از شبکه حس/کار1 است. این شبکه در کاربردهایی که هدف جمعآوري اطلاعات و تحقیق در مورد یک پدیده میباشد کاربرد دارد، مانند مطالعه روي سیلابها. شبکه سنسور شبکهاي است که از تعداد زیادي گره کوچک تشکیل شده است. شبکه سنسور به شدت با محیط فیزیکی تعامل دارد. ارتباط بین گرهها به صورت بیسیم است. هرگره بهطور مستقل و بدون دخالت انسان کار میکند و معمولا از لحاظ فیزیکی بسیار کوچک است و داراي محدودیتهایی در قدرت پردازش، ظرفیت حافظه، منبع تغذیه و ... میباشد.
این شبکه از پشته پروتکلی شبکههاي سنتی پیروي میکند ولی بهخاطر محدودیتها و تفاوتهاي وابسته به کاربرد، پروتکلها باید بازنویسی شوند. تفاوت اساسی این شبکهها ارتباط آن با محیط و پدیدههاي فیزیکی است. شبکههاي سنتی ارتباط بین انسانها و پایگاههاي اطلاعاتی را فراهم میکند، در حالی که شبکهي سنسور مستقیما با جهان فیزیکی در ارتباط است. برخلاف شبکههاي سنتی که همه منظورهاند شبکههاي سنسور در بیشتر موارد تک منظوره هستند. هر گره شامل واحد سنسور, واحد پردازش دادهها, فرستنده/گیرنده بیسیم و منبع تغذیه میباشد.
ساختار شبکه میتواند به دو صورت یکپارچه و یا خوشهبندي شده باشد. در ساختار یکپارچه سنسورها به صورت یکپارچه پراکنده شدهاند و هریک مستقلا و یا از طریق سایر سنسورها اطلاعات خود را به چاهک منتقل میکنند. ولی در ساختار خوشهبندي در هر بخش یک سرخوشه2 وجود دارد که دادههاي گرههاي خوشهي خود را به چاهک ارسال میکند. در واقع هر سردسته مانند یک مدخل3 عمل میکند.
طول عمر گرهها بعلت محدودیت انرژي منبع تغذیه کوتاه است. علاوه بر آن موقعیت ویژة برخی سنسورها در شبکه مشکل را تشدید میکند، مثلاً سنسورهایی که در فاصله کمی از چاهک قرار دارند از یک طرف به خاطر بار کاري زیاد خیلی زود انرژي خود را از دست می دهد و از طرفی از کار افتادن آن باعث قطع ارتباط چاهک با کل شبکه و از کار افتادن شبکه میشود. راهحل به ساختار مناسب برمیگردد. استفاده از ساختار خوشهبندي باعث میشود تا ترافیک انتقال از طریق گره بحرانی کم شده, طول عمر آن و در نتیجه طول عمر شبکه افزایش یابد.
