文摘

在关键的辐射情况下,实时信息,我们可以从灾区变得非常重要。然而,通信系统辐射事故后可能会受到影响。提出网络在这项研究包括分布式传感器负责收集放射性数据和地面车辆送到事故核电站目前的环境和辐射信息。后来,在控制中心数据分析。收集的数据通过传感器和地面车辆将被送到控制中心使用遥控飞机系统(战)作为信息载体。我们分析成对联系人,以及来访的时候,数据收集、能力的链接,传播窗口的大小的传感器,等等。所有这些微积分是通过网络模拟分析和比较。

1。介绍

辐射监测是一个重要的组成部分,任何一个核电站的辐射防护计划。环境价值观的测量是至关重要的减少接触工人和放射领域估计占用时间。在这种情况下,空中调查是有用的监测提供一个精确的角度,在发生事故的情况下,它不需要人工直接参与到潜在热点数据泄漏范围。

对于这些类型的紧急情况下,遥控飞机系统(战)被广泛提出,基本上获得空中图像(1- - - - - -6]。在核辐射事故的具体情况,使用狙击枪的消息航母是一个非常有吸引力的解决方案收集信息的潜在危险的大面积地形由于他们能达到的高度。

使用狙击枪的中继系统,作为载体从地面传感器获取的数据,研究了在以前作品的列表7- - - - - -11),对静态分配的传感器和移动地面终端。另一种方法是设置传感器的舰队战在收集数据协作命名飞行特设网络或FANETs [12,13]。蔡等人更关注区域规划路线和节能通信地面/空中使用单一区域规划(14]。

在我们的建议有一个无线传感器网络(WSN)由一组分布式无线传感器位于灾区,几个地面车辆,和战。

战之前定义的飞行计划,表明所有的路径点,则必须飞过。位于身体在每个逻辑路径有一个或多个传感器,负责收集放射性空气和土壤的属性在周围的环境中,这些属性转换成电信号。所以当战飞过路径点拿起所有的信息从传感器并将其发送给远程的控制中心所在地。

地面车辆移动分布式传感器,从他们的环境和试图收集数据通信的数据区域。地面车辆收集来自不同传感器的信息他们有更高的优先级比固定传感器当战飞过。当一个地面车辆出现在战传输范围然后战收集存储所有信息的地面车辆和重新配置自己的飞行计划,以便准时到达实现沟通与其他大多数的传感器在其活跃的阶段。这意味着必须增加或减少传感器传输窗口实时战的速度是调整以这种方式实现更大数量的传感器收集的数据收集和车辆。

所有计算都是数学和网络仿真。最后,我们开发了一组接口的地理区域来模拟核电站的战之前,飞行计划收集传感器数据。

本文的组织结构如下:部分2描述了场景模拟的Asco核电站发生放射性事故。部分3致力于解释我们的WSN的组件。部分4显示了我们所做的测试的网络体系结构和传输协议,链接的能力分析,以及系统接口的实现。最后,部分4描述了研究的结果。部分5有一个讨论和部分6总结了纸。

2。Asco核电站

Asco核电站位于小镇的Asco的塔拉戈纳[15]。Asco的控制中心是一个被动的实体,操作主管和高级操作人员操作和监控主要工厂设备提供警报和通知,以防出现任何问题。

具体行动的地图被激活的三个政府监管的预定义的领域(15]:(我)区0面积运营商控制:这是一个面积750米半径。紧急措施定义在核电站的应急计划。(2)区1区域,需要紧急保护措施:它是一个同心圆圈的半径10公里包括区域0。辐射可能在大气和土壤。(3)区2区域覆盖30同心公里:放射性元素通常是对象在地上。在这个意义上,我们提出一种无线传感器网络(WSN),符合当前的计划核Asco的练习。如果一个传感器读附近的核电站超过预设的环境辐射上限,然后立即警报通知控制中心。

3所示。无线传感器网络的部署

有几个重要的方面在WSN对于辐射环境,开发一个如以下几点:(一)将网络生命周期应该考虑减少人工干预,例如,对于电池更换。(b)严酷的环境下的网络必须考虑节点的失败可能发生意外,所以同步和路由算法需要容错,保证网络的鲁棒性。(c)之间有一个权衡能耗和监控功能。(d)的逐步积累辐射效应的传感器网络在很长一段时间被称为位移损伤(原子从其原始位置的位移格子)和损伤由于电离总剂量(吸收的能量通过电子电离绝缘体)(16]。缓解方法主要基于辐射微电子技术(17)和辐射屏蔽用于将传感器与高度密集的材料,如铅和镉。

对于我们的提议,我们设计了一个三层与四个不同的组件(参见图模型1)。

传感层包含所有设备收集环境数据。它是由两部分组成。第一个组件是分布式的集合固定传感器能够与战通过一个高度可靠和安全的通信链接。这些都是基本的传感器节点负责信息的收集。每个无线传感器节点是一个复杂的设备嵌入单片机,SD记忆卡,GPS,一个加速计,温度传感器,具体传感器的辐射水平和气体(18]。传感器收集放射性空气和土壤的属性,这些属性转换成电信号。负责无线通信的收发机射频模块战。技术用于数据传输(狙击枪或一个宏大的车辆)内部XBee 802.15.4 2.4 GHz提供服务的500米和250 kbps的比特率。内部无线个域网协议遵循IEEE 802.15.4标准提供服务基础上采用低数据率要求和安全服务基于一个128位AES算法添加到内部安全模型由IEEE 802.15.4(提供服务19]。我们建立的理论路径点的位置(物理位置地图允许战飞过传感器)因为由于恶劣的地形条件有时是不可能的地方上的传感器精确坐标。

第二个组件是地面车辆(应急单位、警察、消防队员等)被认为是移动传感器网络中的节点。这些车辆配备远程无线电,允许内的传感器收集信息覆盖范围。这些类型的节点优先级高于固定传感器和他们可以执行各种功能,如数据压缩和融合。每一个地面车辆可以作为网关提高连通性与区域规划和减少传感器节点的能量花在数据传输过程中战。,地面车辆包含固定数量的缓冲存储器,用于保存收集的传感信息,直到它转移到战当它到达在其传输范围。战比较传感器id与传感器的信息包含在飞行计划,然后消除已经收集的传感器。最后,飞行计划是实时调度和传输窗口重新配置为接收地面车辆的收集信息。

收集层由区域负责检索感觉到通过地面车辆和传感器和存储信息和提供信息吗控制中心核电站。我们使用狙击枪的狙击手α无人系统广泛应用于城市环境(20.),使加速到150公里/小时,海拔3000米,和一系列大约2个小时,因为它低体重14公斤。,1.6米,减少了大小。区域规划遵循一个预定义的飞行计划,表明锚点的位置并定期使用远程无线电广播自己的位置。所以当战检测传感器或地面车辆在其传输范围,它发送一个通信请求。战让主动运动(调整速度和高度)会见固定无线传感器分布随机移动的地面和地面车辆。

最后,处理层是由控制中心负责处理收到的数据区域。这个实体指定飞行计划(与所有的路点必有战)基于特定的任务需求。

3.1。网络链接

我们定义4个链接,结合不同的通信范围和不同的要求对他们的传输窗口:(1)sensor-RPAS, (2) sensor-ground车辆、地面vehicle-RPAS (3), (4) RPAS-control中心(21]。参见图2。

第一个链接有一个时间的周期运动模式,第二个和第三个链接是完全自发的,最后一个链接有一个非周期模式。

数据传输协议实现了五个步骤:邀请网络、数据传输、数据管理、数据重发和密切沟通。这五个步骤实现的四个提到的链接。

节点可以在三种可能的模式(参见图之一3)。

有关网络,节点可以接受请求成为这个网络的一部分。在传输模式下,节点读取传感器和数据传送到区域规划或地面节点。在地面车辆的情况下,传输方式包括邻居节点的时间致力于收集数据出现在他们的传播范围。断开连接的模式只有固定网络、无线接口关闭,传输和接收是可能的。

一个节点最初断开连接从网络;这意味着请求节点没有数据传输;在这段时间里传感器是传感或休息时,节约能源。

当节点有关模式可以从战或地面节点收到请求消息和改变传输模式。与区域规划或地面节点的交互后,节点断开网络。

战操作模式闲置和工作。最初,战闲置模式。当区域检测到一个节点(固定节点或地面节点),一个链路从区域规划要求发送到节点检测到。接收到服务响应时,则更改工作模式获得感知数据。看算法1。

4所示。实验部分

在实验中我们使用了一个XBee (250 Kbps)传感器配置框架10 ms的时间。战是一个客户端和下载文件位于传感器。

初始窗口大小设置为64 KB,而在大多数操作系统默认的窗口。的最小时间将ACK(承认)到达后第一个包发送(延迟Xbee)帧时间的四倍,在这种情况下是RTT ~ 410 ms = 40毫秒。因此,512年来(64 KB)可以发送每40 ms。因此,最大吞吐量是512 kbits / 40味精= 12.8 Mbps。

在传感器网络的分析,我们考虑两种类型的变量。

的接触时间是一对节点覆盖范围内,因此在达到互相交流的。网络的接触时间影响的能力通过限制可以节点之间传输的数据量。

联系人之间的时间是两个联系人之间的时间,从去年开始接触节点接触另一个的开始。之间的时间接触影响网络可用性,因为它影响(a)的次数,传感器的传输窗口打开时战飞过它的位置和(b)的频率机会地面车辆可以将信息传输到战。

案例(一)战访问传感器在一个预定义的时间发送或接收信息传播或来自控制中心。参见图4。

假设战苍蝇以恒定速度和定义设置的路径点包含在飞行计划,所需的总时间战访问路径点总时间=,在那里代表了战所需的接触时间点收集数据之间,加上时间联系你需要从点对连续路径。

以防(b)的接触时间战收集地面车辆的信息。

是联系从地面车辆收集数据所需的时间加上所需的接触时间战接近地面车辆。因此,

因此,战总时间/飞过一个路标让所有的感觉从传感器和地面车辆和存储信息。

正如上面提到的,传输窗口初始化到最小尺寸为了节省尽可能多的传感器的电池。假设的时间传输窗口随着时间来标示: 在哪里设置的最小尺寸,确保传输机会和吗所需的时间将所有信息存储在传感器战。

传感器的需要时间关闭连接。最后,则将ACK发送到传感器指示的下一时期的访问。

如果>时间W然后有必要调整的速度战或跳过访问一个或多个路径点的示飞行计划为了准时完成传感器的最大数量有关模式(打开传输窗口)。

感觉到的信息从固定地面车辆的优先级高于信息传感器,所以战不能忽视地面车辆的通信。

为了评估方案的性能,定义两个战飞行计划。

(一)飞行计划1覆盖所有预先制定的锚点。我们考虑这样一个场景:狙击枪飞行计划中没有发现任何地面节点(见图5);2 (b)飞行计划不包括所有锚点由于地面车辆(参见图的数据收集6)。

飞行计划2,则速度调整到准时到达预先制定路点。在这种情况下,我们评估传输窗口大小。

图7显示了在飞行计划传输窗口的大小。

4.1。传感器网络接口

管理传感器网络的接口是伊希斯+任务监控的一部分,一个软件开发的一部分模拟器为无人机系统(22]。接口与模拟器作为服务由我们的中间件架构的嵌入式远程应用程序。

界面有四个菜单:一个驱动地图配置的传感器区域,II, III的核的中央。传感器管理器用于建立传感器模式(连接或断开连接)。的飞行计划是生成的菜单路径点位置,狙击枪速度,和飞行计划的总距离等参数。一个沟通菜单允许授权用户修改信息的飞行计划收集到的信息并将其可视化区域如图8。

5。结果

为了评估我们的性能实验,我们跑了几个模拟在神泉23),一个离散事件仿真器在c++开发的基于Omnet框架(24和类似的研究中使用25]。仿真模型是基于一组50复制。每个复制代表回忆的模拟飞行计划数据。

拟议中的场景定义成神泉是基于传感器网络设计的Asco核电站,这在前面已经解释过。传感器用于仿真的总数是24,分布在每个区域,如图5。我们使用不同数量的地面车辆。地面车辆是均匀分布在整个监测区域。地面车辆的速度设置为15 km / h。

我们评估了传输窗口大小和交货率应用不同的速度则显示性能最大化的收集信息。此外,我们评估了节奏时间的飞行计划,考虑随机地面车辆。

图9显示了仿真中获得的传输窗口大小的两个飞行计划之前解释和评价分析。速度低时我们可以观察到类似的行为分析和模拟结果的形式。然而,随着显示,狙击枪的速度增加时,我们的系统仿真获得的值传递窗少近12%相比,解析模型。当我们分析了仿真模型的结果我们发现有干扰传输过程中产生的邻居节点,导致差异分析和模拟模型。

图10显示获得的交货率模拟的两个飞行计划之前解释的变化首先增加然后减少略战的速度增加。我们观察到恒速时应用在所有航班(飞行计划1)交货率受衰减率高达48%。另一方面,当战常数和地面车辆,交货率增加了双对飞行计划1所示。当我们使用一个适应性强的速度,交货率增加了32%。这种行为背后的主要原因是,当战的速度增加,更少的数据包可以从传感器节点交付则因为没有足够的时间来收集数据包的节点和交货率下降;然而,当战速度适应区域有足够的时间来收集数据包的节点和交货率可以保持。

图11显示了仿真的节奏时间。我们分析结果增加地面车辆的数量。汽车的数量的零价值代表的情况则涵盖了所有预先制定的锚点。我们可以观察到,当车辆数量的增加系统减少了节奏时间近17%相比,区域的完全覆盖。地面车辆的优先级高于固定的传感器,如果地面车辆的传输范围则会干扰建立了飞行计划和调整区域不包括所有预定义的锚点。所以总距离较小的节奏时间减少。

最后,我们评估的影响地面车辆的数量已经在收集到的数据。图12在传输窗口显示了近17%的改善地面车辆数量的增加而战的场景覆盖所有锚点。

6。讨论

在本文中,我们专注于使用单一载体信息(战)的形式提供核电站和控制中心之间的通信与固定和移动传感器。

然而,控制传输可以发生在多个传感器相同的路标与战尝试沟通,或者当同时地面车辆在传输范围的区域。

未来的工作将分析网络性能与多个区域合作路由协议在我们考虑多个运营商的消息可能会提高网络容量。

在本文中,我们只考虑优先级的差异之间的地面车辆提供的数据(最高优先级)和传感器数据。

未来的工作将区分优先级的传感器的面积根据核电站所在的地方。

我们将包括在包的头部显示消息的优先级。在其传播范围传感器检测区域时,传感器将通知在缓冲的消息的数量和他们的重点区域。战可以实时智能地调整与每个传感器接触时间。因此,则可以减少传播控制可能发生的可能性与我们今天的计划。

安全也是一个关键的点,由于持续发展新的攻击和有限的适用法规的控制。虽然提出了无线传感器网络容易受到恶意攻击,认证技术是快速发展的鼓励的部署无线传感器网络在核电站26]。

7所示。结论

在辐射情况下危机,由于缺乏连通性是必不可少的替代方案重新安排地面实时的感知。我们的实现是基于算法,利用基础设施节点(传感器、地面车辆等)信息的载体(战)负责传送到控制中心的信息。

传感器网络的接口,我们编程在这项研究可以安排无人机的飞行计划收集的信息量最大的可能来自传感器和地面车辆。接口集成在我们的模拟环境中软件战组件可以开发场景下的实际空中交通和自动重新配置需要实时飞行计划。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

本研究项目的一部分“单一欧洲的天空战操作”tra2013 - 45119 r部分由西班牙教育部和科学。