wskaźnik jakości jego rezultatów, oparty na takich składowych jak skuteczność
funkcjonowania i oraz nakłady sprzętowo-programowe. Niech E oznacza wekto-rowy wskaźnik jakości funkcjonowania, R R=
(
1, , Rn1)
– wektor rezultatów jego działania, a C=(
C1, ,Cn2)
– wektor nakładów. Wtedy wskaźnik E może zostaćprzedstawiony jako n -wymiarowy wektor
(
n n n= +1 2)
postaci:( , )
(
1, , n1, , ,1 n2)
E= R C = R R C C . (53)
Załóżmy, że Ed=
(
R Cd, d)
zawiera akceptowalne parametry systemu, a E E⊆ dcharakterystyki analizowanego systemu. Wtedy, jako wskaźnik efektywności funk-cjonowania wykorzystamy prawdopodobieństwo PE E∈d zdarzenia E E⊆ d , co mo-żemy zapisać jako:
( )
E Ed d
P⊆ =P E E⊆ . (54)
W rozwiązaniach praktycznych, wymagania stawiane przed RSMS sprowadzają się do zapewnienia nieprzekraczalności wartości C kosztów, przy jednocze-max snym zagwarantowaniu liczby pomiarów na poziomie wyższym niż R . Oznacza min to, że:
( ) ( )
min min max
E = R R≥ ∩ C C≤ . (55)
Probabilistyczny opis obszaru E sprowadza się do określenia rozkładu praw-d
dopodobieństwa wypadkowego wektora E . Prawdopodobieństwo min P osiągnię-c
cia przez system celu przy ograniczeniu wartości, wyznacza się za pomocą wzoru określającego prawdopodobieństwo całkowite:
Adaptacyjne systemy monitoringu… 89
( )
max( )
тin 0 С
c d w w w
R
P P E E= ⊆ =
∫ ∫
∞ f E dR dC , (56) gdzie:f E – gęstość rozkładu wypadkowego wektora( )
w E . wAnaliza rezultatów i kosztów eksploatacji rzeczywistych RSMS pozwala wysnuć
wniosek, że prawdopodobieństwo osiągnięcia celu, można rozpatrywać jako ilo-czyn jednowymiarowych zależności pomiędzy R i C , tj. f E( )= f R f C( ) ( ) . Tak więc:
( ) ( ) ( )
max max
0 0
тin тin
С С
c
R R
P = ∞
∫ ∫
f E dRdC= ∞∫
f R dR∫
f C dC. (57) Na podstawie centralnego twierdzenia granicznego rachunku prawdopodobień-stwa można przyjąć, że wielkości R oraz C posiadają normalny rozkład prawdo-podobieństwa.Analiza pokazała, że po wprowadzeniu zaproponowanych rozwiązań wartość
oczekiwana rezultatywności systemu monitoringu rośnie, tj. krzywa gęstości prze-mieszcza się w prawo na osi odciętych, a wartość oczekiwana parametrów eksplo-atacyjnych zmniejsza się, tj. krzywa gęstości przemieszcza się na lewo na tejże osi.
Wtedy, prawdopodobieństwo osiągnięcia celu P jako iloczyn funkcji c f R i ( ) f C ( ) zwiększa się.
Powyżej przedstawiono fragment badań prowadzonych przez autorów, których celem jest stworzenie teoretycznych podstaw projektowania systemów monito-ringu środowiskowego. Teoria taka, byłaby rozwinięciem teorii projektowania sys-temów złożonych na przypadek monitoringu środowiska naturalnego.
ROZDZIAŁ 7
Architektura bezprzewodowych systemów monitoringu
7.1. WprowadzenieW aktach normatywnych, międzynarodowych standardach, monografiach, arty-kułach naukowych i innych źródłach, przedstawiono wiele alternatywnych defini-cji monitoringu [2], [3], [84]. Dla części autorów, monitoring jest systemem infor-macyjnym przeznaczonym do oceny i prognozowania zmian w środowisku, budo-wanym w celu oddzielenia antropogenicznej składowej jego zmian od naturalnych procesów przyrodniczych. Z racji naukowych zainteresowań autorów powyższa definicja będzie w monografii uważana za bazową. Architektura funkcjonalna sys-temu monitoringu środowiskowego jako syssys-temu informacyjnego przedstawiona została na rys. 35.
Podsystem monitoringu i prognozowania Podsystem
sterowania Uruc homienie awaryjnych procedur bezpieczeństwa Prognoza
zmian stanu
Pomiary Ocena faktycznego stanu środowiska
Sterowanie jakością monitoringu Ocena prognozy
zmian stanu
Rys. 35. Architektura systemów monitoringu środowiskowego
Oprócz permanentnego śledzenia i oceny stanu środowiska, system z rys. 35 pro-gnozuje możliwe zmiany oraz szacuje pojawiające się zagrożenia. Częstotliwość
i precyzja pomiarów są na bieżąco dostosowywane do aktualnego poziomu zagro-żeń – wraz z jego wzrostem są one zwiększane. Wzrost dokładności zazwyczaj ini-cjują komponenty podsystemu monitoringu i prognozowania. Może być on rów-nież wymuszony przez podsystem sterowania, którego dodatkowym zadaniem jest uruchamianie awaryjnych procedur bezpieczeństwa.
Pierwszoplanową funkcją systemów monitoringu jest gromadzenie informacji o zjawiskach fizycznych zachodzących w otoczeniu. Strukturę procedury aktywacji i gromadzenia danych przedstawiono graficznie na rys. 36. Sensor lub czujnik po-miarowy to urządzenie wykorzystywane do pozyskiwania informacji o obiekcie lub procesie fizycznym, w szczególności o wystąpieniu określonych zdarzeń, takich jak zmiana temperatury, ciśnienia, wilgotności obiektu czy środowiska. Przetwor-nik to urządzenie wykorzystywane do przekształcania rodzaju energii reprezentu-jącej informację. Sensor to również przetwornik zmieniający informację fizyczną w
sygnał elektryczny. Szczególnym rodzajem przetwornika są konwertery analo-gowo-cyfrowe oraz cyfrowo-analogowe przekształcające ciągły sygnał elektryczny (prąd lub napięcie) w dyskretny i odwrotnie [85], [86], [87].
Procedura gromadzenia informacji Przetwornik
sygnału Konwerter analogowo-cyfrowy
Procedura aktywacji pomiaru Konwerter cyfrowo-analogowy Przetwornik
sygnału
Zjawisko fizyczne Przygotowanie sygnałów sterujących
Aktywator Sensor pomiarowy
Rys. 36. Procedury aktywacji i gromadzenia danych pomiarowych
Bazowym elementem współczesnego monitoringu jest bezprzewodowa sieć ko-munikacyjna o szczególnej architekturze i funkcjach, nazywana zazwyczaj siecią sensorową. Jej podstawowe zadania to: zapewnienie komunikacji pomiędzy kom-ponentami systemu; wstępne przetwarzanie danych pomiarowych; podejmowanie decyzji w sytuacjach krytycznych. Węzły sieci sensorowej są na monitorowanym obszarze gęsto rozmieszczone. Takie rozmieszczenie narzuca architektura wyko-rzystywanych urządzeń bazująca na elementach o niewielkiej wydajności oblicze-niowej, małym zużyciu energii i zdolnościami komunikacyjnymi rzędu 100 me-trów. Uniwersalny charakter węzłów pozwala wykorzystywać je do rozwiązywania szerokiego spektrum zadań, w szczególności związanych z monitoringiem środo-wiska oraz sterowaniem w niedostępnych i zagrożonych obszarach. Do cech szcze-gólnych sieci sensorowych zaliczamy także: zaawansowaną miniaturyzację; możli-wość zasilania z autonomicznych źródeł; zastosowanie retranslacji do przesyłania informacji pomiędzy urządzeniami małej mocy na duże odległości; prostotę insta-lacji i łatwość rozbudowy, pozwalające na modyfikację sieci bez przerywania jej funkcjonowania oraz zdolność do samonaprawy i samoorganizacji [87], [88], [89], [90].
Przy projektowaniu, budowie i eksploatacji systemów monitoringu środowiska szczególną rolę odgrywają komponenty informatyczne i teleinformatyczne. Od efektywności oferowanych przez nie narzędzi informacyjno-analitycznych zależy skuteczność monitorowania i prognozowania. Zazwyczaj dostarczane informacje wykorzystywane są do poprawy skuteczności zarządzania kryzysowego. Aby za-rządzanie takie było efektywne, informacje o stanie środowiska muszą być wiary-godne i pojawiać się w najkrótszym czasie od wykrycia zagrożenia [2], [89], [91].
W projektowaniu systemów monitoringu ścierają się dwie alternatywne koncep-cje [2], [85], [87], [88]. Pierwsza z nich, zakłada stabilność lokalizacyjną warunków środowiskowych, których pomiar jest celem budowy systemu. Oznacza to, że źró-dła potencjalnych zanieczyszczeń są znane i niezmienne. Dlatego podstawowym
Architektura bezprzewodowych systemów… 93
kryterium rozmieszczania węzłów pomiarowych są lokalizacje źródeł zanieczysz-czeń oraz sposoby ich przemieszczania w środowisku (powietrzu, wodzie lub gle-bie). Rozwiązanie zadania projektowego sprowadza się wtedy do lokalizacji wę-złów w miejscach z maksymalną koncentracją czynników szkodliwych. Połączenie tak rozmieszczonych węzłów może być złożonym zadaniem, co jest konsekwencją terytorialnej niejednorodności lokalizacji węzłów, a sam system może być hetero-geniczny komunikacyjnie. Pomimo powyższych utrudnień, z uwagi na niewielką liczbę komponentów, systemy takie są stosunkowo tanie w projektowaniu, budo-wie i późniejszej eksploatacji. Nie zapewniają one jednak śledzenia stanu środowi-ska poza wyznaczonymi wcześniej obszarami.
Druga strategia zakłada, że pojawienie się czynników szkodliwych jest równo prawdopodobne na całym monitorowanym obszarze i wymaga rozmieszczenia węzłów pomiarowych na całej chronionej przestrzeni. Dzięki temu, śledzi się nie tylko stacjonarne źródła zanieczyszczeń, ale również trasy przemieszczania sub-stancji szkodliwych czy skażenia będące skutkiem działań przestępczych. Z punktu widzenia projektowania komunikacji, zadanie to jest prostsze od poprzedniego – zazwyczaj budowana jest homogeniczna sieć kratowa.