Rozdział 7 Architektura systemu wykrywania zagrożeń powodziowych o zasięgu lokalnym Mirosław HAJDER, Mariusz NYCZ Wyższa Szkoła Informatyki i Zarządzania z siedzibą w Rzeszowie, Politechnika Rzeszowska Miroslaw.Hajder@gmail.com, mnycz@prz.edu.pl Streszczenie W pracy, zaprezentowano architekturę systemu ostrzegania o zagrożeniach powodziowych zbudowanego na bazie sieci sensorowej i zbioru czujników kilku typów. Opisywany system wykorzystuje oryginalne metody prognozowania zachowania środowiska bazujące na realizowanych w czasie rzeczywistym pomiarach jego stanu. Oprócz klasycznych modeli hydrologicznych przy prognozowaniu zastosowanie znajduje analiza statystyczna wieloletnich danych oraz metody ewolucyjne. Na tle podobnych, opisywany system wyróżnia się trafnością przygotowywanych prognoz i wyprzedzeniem, z którym są one podawane. 1. Wprowadzenie Informacja jest dobrem, kto rego wartos c trudno przecenic. Wszystkie wspo ł- czesne potęgi gospodarcze zbudowały swo j dobrobyt na bazie szerokiego dostępu do informacji. Informatyka, kto ra jak sama jej nazwa wskazuje zajmuje się informacją, wkracza w coraz to nowe, nieznane jej dotąd, obszary z ycia. O ile wczes niej gromadzone, przetwarzane i udostępniane były informacje usprawniające kontakt osoby z przedsiębiorstwem czy urzędem, to obecnie dystrybuowane mogą byc ro wniez dane dotyczące bezpieczen stwa oso b zamieszkałych na obszarze, na kto rym pojawiają się ro z norodne zagroz enia. Jednak sama informatyka nie dysponuje metodami i s rodkami pozwalającymi skutecznie poprawiac bezpieczen stwo obywateli. W tym celu wspomaga się ona takimi dyscyplinami naukowymi jak: meteorologia, klimatologia, telekomunikacja, metrologia i in. W rezultacie, informacja o moz liwym zagroz eniu dociera do zainteresowanych oso b z pewnym wyprzedzeniem, a jej wiarygodnos c jest wysoka.
84 M. Hajder, M. Nycz Wieloletnie badania prowadzone w Wyz szej Szkole Informatyki i Zarządzania pokazały, z e jedną z wartos ci najwyz ej cenionych przez mieszkan co w Podkarpacia jest poczucie bezpieczen stwa. Badania te potwierdziły ro wniez, z e ankietowane osoby, zagroz enia wywoływane przez siły przyrody postrzegają na ro wni z zagroz eniami związanymi z przestępczos cią, utratą pracy, czy cięz ką chorobą. Powszechnie wiadomo, z e poczucie zagroz enia nie sprzyja efektywnej pracy i wypoczynkowi. Ponadto, kaz dy inwestując swo j kapitał chciałby miec pewnos c, z e o ewentualnych zagroz eniach zostanie poinformowany na tyle wczes nie, aby podjąc działania minimalizujące ewentualne straty. Niestety, ostatnie lata pokazały, z e wspomniane poczucie bezpieczen stwa zakło cają zjawiska naturalne, kto re pojawiają się coraz częs ciej i charakteryzują się niespotykaną dotąd siłą. Dlatego, badania naukowe, kto re przez całą historię ludzkos ci ukierunkowane były na poprawę naszego dobrobytu powinny objąc ro wniez i te zagadnienia [1]. Efektem prac prowadzonych przez Wyz szą Szkołę Informatyki i Zarządzania jest opracowanie aktywnego systemu monitoringu s rodowiskowego wykorzystującego najnowsze rozwiązania z obszaru informatyki, hydrologii, meteorologii, zarządzania i telekomunikacji. Na rys. 1 przedstawiono obejmowany przez niego obszar funkcjonalny. Pomiary środowiska Ostrzeganie Funkcje systemu Archiwizacja pomiarów Prognozowanie Przeciwdziałanie Rys. 1. Zakres funkcjonalny działania system monitorowania s rodowiska. Działanie tradycyjnego systemu monitoringu ogranicza się do pomiaro w charakterystyk s rodowiska, kto re przekazywane są do centrum zarządzania i tam analizowane metodami intuicyjnymi [2], [3], [4]. W omawianym systemie, na bazie aktualnych pomiaro w i danych historycznych generowane są zaro wno prognozy biez ące, jak i długoterminowe. Pierwsze, uzyskiwane są za pomocą udo-
Architektura systemu wykrywania zagrożeń powodziowych 85 skonalonych modeli hydrologicznych wykorzystujących aktualne parametry s rodowiska. Do opracowania prognoz długoterminowych zastosowanie znajdują metody sztucznej inteligencji. Dodatkową funkcją systemu jest ro wniez przeciwdziałanie zagroz eniom w systemach hydrologicznych posiadających zbiorniki retencyjne lub ro z nego typu obszary zalewowe. Moz e on ro wniez przygotowywac zbiorniki wodne do magazynowania nadmiaru wody, bądz gromadzic jej zapasy na wypadek suszy. Ostatnią, nową funkcją systemu jest ostrzeganie podmioto w o zagroz eniach, kto re realizowane jest automatycznie, a udział człowieka ogranicza się wyłącznie do nadzoru. Poniz ej prezentujemy architekturę systemu. 2. Architektura systemu System monitorowania zagrożeń środowiskowych (SMZS) jest złoz oną konstrukcją programowo-sprzętową opartą na najnowoczes niejszych rozwiązaniach technicznych, kto rej uproszczona struktura funkcjonalna została przedstawiona na rys. 2. Centralne komponenty systemu Zdalne komponenty systemu Zdalny system pomiarowy Zdalny system pomiarowy Zdalne komponenty systemu LKK LKK Zdalny system pomiarowy Węzeł agregujący KK Zdalne komponenty systemu KK KK Wejściowy moduł komunikacyjny System informowania i ostrzegania Główny węzeł obliczeniowy Główny magazyn danych Centralny węzeł zarządzający KK Do WMK Nadmiarowy węzeł zarządzający Rys. 2. Struktura funkcjonalna systemu monitorowania zagrożeń środowiskowych. Oznaczenia: LKK lokalny kanał komunikacyjny; KK kanał komunikacyjny; WMK wejściowy moduł komunikacyjny. Komponenty systemu moz emy podzielic na zdalne, nazywane takz e wyniesionymi, oraz centralne. Podstawowymi komponentami zdalnymi są: zdalny system pomiarowy (ZSP) oraz węzły agregujące (WA). Moduł ZSP przeznaczony jest do lokalnego zbierania informacji o s rodowisku i przekazywania ich, za pos rednictwem węzła agregującego, do centralnego węzła zarządzającego (CWZ) oraz nadmiarowych węzłów zarządzających (NWZ). Zaro wno ZSP jak i WA są zlokalizowa-
86 M. Hajder, M. Nycz ne bezpos rednio na monitorowanym obszarze. Zgodnie z obowiązującymi tendencjami, system pomiarowy oparty jest na hierarchicznej sieci sensorowej o architekturze gwiaz dzistej lub kratowej. W terminologii sieci sensorowych ZSP obsługiwany będzie przez kolektory danych, węzeł agregujący nazywany jest agregatorem danych [5], [6], [7]. Organizacja hierarchii komunikacyjnej SMZS przedstawiona została na rys. 3. Zdalny system pomiarowy LKK Węzeł agregujący KK Centralny węzeł zarządzający KK Węzeł agregujący Rys. 3. Hierarchia komunikacyjna systemu monitorowania zagrożeń środowiskowych. Komunikacja pomiędzy zdalnym systemem pomiarowym a gło wnym węzłem zarządzającym odbywa się za pos rednictwem węzła agregującego. W proponowanym rozwiązaniu, lokalny kanał komunikacyjny realizowany jest za pomocą bazującej na standardzie sieci bezprzewodowej IEEE 802.15 technologii ZigBee [5]. W tym konkretnym przypadku, transmisja odbywac się będzie w pas mie 868 MHz. Z praktycznego punktu widzenia, ograniczenie liczby ZSP dołączanych do węzła agregującego za pomocą LKK nie ma z adnego znaczenia moz liwos ci techniczne WA są znacznie większe od rzeczywistych potrzeb. Poniewaz węzły agregujące rozmieszczane są zazwyczaj w większej odległos ci, nierzadko w terenie trudnym komunikacyjnie, asortyment obsługiwanych technologii bezprzewodowych jest dos c szeroki: począwszy od opartych na standardzie IEEE 802.15, przez połączenia Wi-Fi realizowane na bazie sieci bezprzewodowych IEEE 802.11, po pakietowe przesyłanie danych GPRS. We wszystkich powyz szych sposobach wykorzystuje się stos protokoło w TCP/IP. Dostępne są ro wniez interfejsy przewodowe Ethernet i DSL. Chociaz niezbędne połączenie WA CWZ moz e byc realizowane w dowolny sposo b pod warunkiem, z e spełnione będą wymagania komunikacyjne oraz kosztowe, to z uwagi na niewielki zasięg, technologie standardu 802.15 nie są do tego przydatne [7]. Najczęs ciej wykorzystywana jest heterogeniczna siec hierarchiczna, na dolnym poziomie kto rej wykorzystuje się technologię IEEE 802.15 łączącą koncentratory danych z agregatorami. Dalej, za pomocą kanało w opartych na jednym ze standardo w 802.11 buduje się siec kratową złoz oną ze wzajemnie połączonych wę-
Architektura systemu wykrywania zagrożeń powodziowych 87 zło w agregujących. Następnie, z jednego spos ro d WA, przy pomocy usługi GPRS w trybie logowania użytkownika do korporacyjnej sieci LAN, realizuje się połączenie z centralnym oraz nadmiarowymi węzłami zarządzającymi. W celu poprawy z ywotnos ci moz na zastosowac ro wniez heterogeniczne s ciez ki komunikacyjne, kto rych elementem, opro cz kanału GPRS, będzie dedykowany kanał sieci globalnej. Jez eli wejs ciowy moduł komunikacyjny CWZ jest skalowalny i moz e byc elastycznie rekonfigurowany, oferowany system moz e zostac wyposaz ony w dowolną liczbę zdalnych komponento w, dołączanych za pomocą kaz dego z wymienionych wczes niej sposobo w. Poniewaz wszelkie prognozy, proces decyzyjny oraz informowanie podmioto w wykonywane jest przez CWZ, to w celu zagwarantowania wymaganego poziomu dostępnos ci węzeł ten jest dublowany zaro wno ze sprzętowego jak i programowego punktu widzenia. W szczego lnos ci opracowanie prognoz oraz długoterminowe przechowywanie danych wykonywane jest jednoczes nie w kilku, najczęs ciej dwo ch, niezalez nych węzłach zarządzających. W proponowanej architekturze zakłada się wykorzystanie jednego nadmiarowego węzła zarządzającego (NWZ) zlokalizowanego w Centrum Edukacji Międzynarodowej (CEM) Wyz szej Szkoły Informatyki i Zarządzania. W systemie przewidziano moz liwos c podwyz szenia poziomu redundancji. Jez eli funkcjonowanie CWZ zostaje zakło cone, jego rolę przejmuje NWZ, kto ry czasowo uzyskuje status centralnego węzła. Jez eli poprawne funkcjonowanie pierwotnego CWZ zostaje przywro cone, początkowo jest on dołączony do systemu jako węzeł nadmiarowy, a po upływie tzw. czasu karencji, zmniejszającego moz liwos c ponownego odłączenia, ponownie uzyskuje on status CWZ. Procedura dołączenia dowolnego węzła nadmiarowego rozpoczyna się od synchronizacji danych, przy czym, w celu ograniczenia rozmiaru komunikacji międzywęzłowej realizowana jest ona od ostatniego dostępnego w obu węzłach punktu kontrolnego. Punkty kontrolne tworzone są okresowo w momencie, kiedy monitorowane zagroz enia są minimalne. Czynnikiem wyzwalającym moz e byc czas lub poziom zmian wprowadzonych do archiwum. Połączenie CWZ z węzłami nadmiarowymi realizowane jest za pomocą sieci Internet, w szczego lnos ci na bazie zestawionych z jej wykorzystaniem kanało w VPN. Kanały te, opro cz synchronizacji archiwo w, wykorzystywane są do diagnostyki oraz przesyłania prognoz zagroz en generowanych dodatkowo w węzłach nadmiarowych. Poziom wspo łdziałania węzło w nadmiarowych z CWZ zalez y od trybu pracy systemu. W oferowanej wersji system działa w trzech podstawowych trybach: a. standardowym; b. alarmowym oraz c. katastrofy. Relacje komunikacyj-
88 M. Hajder, M. Nycz ne pomiędzy węzłem agregującym oraz węzłami CWZ i NWZ przedstawiono na rys. 4. Rys. 4. Współdziałanie informacyjne węzłów agregujących oraz centralnego i nadmiarowego węzła zarządzającego. W trybie standardowym rola węzła nadmiarowego ogranicza się do archiwizacji danych pomiarowych oraz periodycznego diagnozowania stanu CWZ. W pozostałych trybach NWZ dubluje obliczenia wykonywane w CWZ. Jez eli na podstawie tych samych algorytmo w i danych wejs ciowych uzyskane zostały ro z ne prognozy, system przełącza się w tryb diagnostyki, kto rego zadaniem jest okres lenie przyczyny pojawienia się ro z nic. Wykryty niesprawny węzeł jest eliminowany z systemu. Gło wny magazyn danych (GMD) przechowuje przesłane dane o stanie s rodowiska i prognozy sporządzone na ich podstawie. Powyz sze informacje chronione są dodatkowo w NWZ. Jak zaznaczono wczes niej, w trybie alarmowym, kiedy zagroz enie staje się prawdopodobne, NWZ rozszerza swoje działanie o prognozowanie zmian stanu s rodowiska. Jez eli w trakcie funkcjonowania systemu, następuje dalsze uprawdopodobnienie zagroz enia, przechodzi on do trybu katastrofy. W sytuacji, kiedy opracowana prognoza wskazuje na wysokie prawdopodobien stwo lub nieuchronnos c pojawienia się zagroz enia uruchamiany jest system informowania i ostrzegania (SIO), kto ry rozsyła do wszystkich oso b znajdujących się na zagroz onym obszarze komunikaty głosowe lub tekstowe. Moduł SIO aktywizuje się juz przy przejs ciu SMZS do trybu alarmowego. Jednak w tym przypadku, komunikaty rozsyłane są wyłącznie do słuz b odpowiedzialnych za działania ratunkowe. Z uwagi na koszty, nadmiarowe węzły zarządzające nie posiadają modułu informowania i ostrzegania.
Architektura systemu wykrywania zagrożeń powodziowych 89 3. Zdalny system pomiarowy Zadaniem ZSP jest wykonanie pomiaru interesującej nas wielkos ci fizycznej i przekazanie jej wartos ci do węzła agregującego. System nie przewiduje ograniczen typo w czujniko w pomiarowych, tj. mierzona moz e byc praktycznie kaz da wielkos c fizyczna, do pomiaru kto rej dostępny jest czujnik. Struktura funkcjonalna ZSP przedstawiona została na rys. 5. RS 232/432/485 Moduł zasilania Cyfrowy czujnik pomiarowy Analogowy czujnik pomiarowy Asynchroniczny port szeregowy Port analogowocyfrowy Kolektor danych Kontroler zarządzający Moduł komunikacji Inne kolektory danych lub agregator danych Rys. 5. Struktura zdalnego systemu pomiarowego. Najwaz niejszym elementem ZSP jest kolektor danych. Jest to autonomiczne, programowalne urządzenie mikroprocesorowe, wyposaz one w interfejsy sterujące słuz ące do przekazywania komend sterowania urządzeniom zewnętrznym, kto rych zadaniem jest wykonanie okres lonych działan, przesłanie odpowiednich komunikato w lub zainicjowanie procedur wykonywanych przez inne systemy. Kolektory komunikują się pomiędzy sobą bezprzewodowo, przy uz yciu kanało w w pasmach 868 MHz, 915 MHz oraz 2.4 GHz. Zasięg transmisji radiowej jest uzalez niony od lokalizacji kolektora, ukształtowania terenu, zastosowanego pasma oraz parametro w propagacji sygnału i wynosi zwykle od kilkudziesięciu metro w do około 1 km. Prędkos c transmisji danych zalez y ro wniez od wykorzystywanego pasma i wynosi od kilku do kilkuset kbit/s [5], [6], [7]. Zasilanie ZSP moz e byc realizowane w dwojaki sposo b. Po pierwsze, z uwagi na niski pobo r mocy, wynikający z zastosowania trybu hibernacji kolektora, moz e byc on zasilany z baterii, kto rej czas działania jest nie mniejszy niz kilkanas cie miesięcy. Jez eli pobo r mocy jest większy, co moz e wynikac z rodzaju zastosowanych czujniko w, dla zapewnienia autonomii urządzenia wykorzystuje się akumulatory ładowane z ogniw fotowoltaicznych. Wybo r konkretnego sposobu zasilania zalez y od rodzaju zastosowanego czujnika pomiarowego, lokalizacji, a dokładniej fizycznej dostępnos ci kolektora, częstos ci wykonywania operacji pomiarowych i komunikacyjnych. W proponowanym systemie, zastosowano oba typy zasilania.
90 M. Hajder, M. Nycz Wykorzystywane w systemie kolektory lokalizuje się na otwartym terenie, dlatego montowane są w specjalnych obudowach, charakteryzujących się wysokim stopniem miniaturyzacji oraz przystosowaniem do specyficznego s rodowiska pracy. Obudowy kolektoro w zapewniają urządzeniom moz liwos c długotrwałej pracy przy bezpos rednim działaniu na nie czynniko w atmosferycznych. Obudowa mies ci ro wniez akumulator. Poniewaz kolektory są fragmentem systemu sieciowego są one łączone z innymi kolektorami na bazie topologii typu punkt-punkt, punkt-wielopunkt oraz krata. W oferowanym rozwiązaniu, do pomiaru zjawisk hydrologicznych zachodzących w monitorowanych ciekach wodnych, stosowane są dwa typy czujniko w poziomu oraz kierunku i prędkos ci przepływu wody. W zalez nos ci od potrzeb wykorzystuje się dwa typy czujniko w poziomu wody, ro z niące się sposobem pomiaru. Pierwszy z nich to czujniki cis nieniowe lokalizowane na dnie cieku lub zbiornika wody. Zasada pomiaru wysokos ci słupa wody opiera się na poro wnaniu wartos ci cis nienia mierzonego przez sondę w wodzie na dnie zbiornika z cis nieniem atmosferycznym. Typowy zakres pomiarowy czujnika cis nieniowego to 0-5 m, a dokładnos c 0,1 % zakresu pomiarowego. Drugi typ czujniko w, to czujniki radarowe montowane ponad lustrem wody na wysięgniku lub innej istniejącej budowli. Zapewniają one wysoką dokładnos c przy bardzo szerokim zakresie pomiaru, sięgającym nawet kilkudziesięciu metro w. Ich działanie opiera się na pomiarze czasu powrotu wiązki radarowej odbitej od powierzchni wody. W modelu zjawisk hydrologicznych wykorzystywanym w SMZS występuje ro wniez prędkos c przepływu wody. Zastosowanie znajdują tutaj czujniki elektromechaniczne oraz ultradz więkowe. Pierwsze z nich bazują na turbinach, kto rych łopatki obracane są przez przepływającą wodę, w czujnikach ultradz więkowych zastosowanie znajduje efekt Dopplera. Tego typu czujniki mierzą jednoczes nie prędkos c przepływu oraz poziom rzeki. Aby maksymalizowac trafnos c prognoz SMSZ dodatkowo wyposaz ono w czujniki wilgotnos ci gruntu i powietrza, kierunku i siły wiatru oraz miernik intensywnos ci opadu. W najbardziej zaawansowanej wersji, wykorzystującej najdokładniejszy model hydrologiczny, dodatkowo stosuje się czujnik parametro w chmur. W wersji tej, opro cz prognoz podtopien i powodzi moz liwe jest ro wniez prognozowanie innych zjawisk pogodowych (gradobicie, wichury, nawałnice). Wszystkie typy czujniko w dołączane są bezpos rednio do kolektoro w danych zapewniających im komunikację z CWZ. W zalez nos ci od typu, posiadają one własne zasilanie (bateria lub akumulator z panelem fotowoltaicznym) lub zasilane są ze z ro deł kolektora lub agregatora danych.
Architektura systemu wykrywania zagrożeń powodziowych 91 W standardowym trybie funkcjonowania, ZSP przez większos c czasu znajduje się w trybie hibernacji minimalizującym zuz ycie energii. Chwilowe przejs cie do trybu aktywnos ci moz e byc wywołanie wewnętrznym zegarem okres lającym upływ zadanego czasu lub z ądaniem zewnętrznym pochodzącym z innego kolektora lub agregatora danych. Zwiększanie częstotliwos ci stano w aktywnos ci jest uzasadnione tylko w przypadku moz liwos ci wystąpienia zagroz en. W celu ograniczenia koszto w inwestycji, kolektory danych montowane są na wysięgnikach w bezpos rednim sąsiedztwie monitorowanego obiektu. W rozwaz anym przypadku są to mosty nad monitorowanymi rzekami. Dobierając wysięgnik nalez y zapewnic optyczną widocznos c kolektoro w i agregatoro w, z kto rymi dany kolektor się komunikuje. 4. Węzeł agregujący Węzły agregujące, nazywane dalej agregatorami, to wysokospecjalizowane komputery słuz ące do zbierania i wstępnego przetwarzania informacji przesyłanych przez kolektory danych. Dodatkowo przy pomocy tradycyjnych sieci teleinformatycznych transmitują one zebrane informacje do miejsc ich gromadzenia i przetwarzania. Agregatory mogą byc ro wniez wyposaz one we własne czujniki pomiarowe pełniąc wo wczas rolę zaro wno kolektora, jak i agregatora danych. Z uwagi na specyfikę funkcjonowania oraz szczego lną rolę pełnioną w systemie, agregatory są zasilane ze z ro deł zapewniających pełną autonomię działania. W pierwszej kolejnos ci, agregator gromadzi dane pochodzące ze zdalnych systemo w pomiarowych. Do komunikacji z nimi wykorzystuje on protokoły opisane specyfikacją 802.15.4. Ma on ro wniez moz liwos c sterowania aktywnos cią ZSP. Informacje o stanie s rodowiska mogą byc ro wniez dostarczane przez lokalne czujniki pomiarowe, kto re zasilane są z samego węzła agregującego. Komunikacja zewnętrzna agregatora wykonywana jest za pomocą technologii bezprzewodowych (Wi-Fi, LMDS, WiMAX, GPRS, VSAT) wykorzystujących stos protokoło w TCP/IP. Dostępne są ro wniez przewodowe interfejsy Ethernet i DSL. Wybo r konkretnej technologii dokonywany jest na podstawie jej dostępnos ci. W pierwszej kolejnos ci moz na rozpatrywac wykorzystanie sieci Wi-Fi pracujących w standardzie 802.11. Są one najtan sze w eksploatacji i zapewniają dobre parametry komunikacyjne [5], [6], [7]. Poniewaz proponowane agregatory wyposaz one są w kilka alternatywnych interfejso w zewnętrznych wybo r konkretnego z nich zostanie dokonany po instalacji agregatora. Struktura funkcjonalna agregatora danych wykorzystywanego w SMZS przedstawiona została na rys. 6.
92 M. Hajder, M. Nycz Rys. 6. Struktura funkcjonalna zdalnego systemu pomiarowego. Poniewaz agregator danych jest w pełni autonomicznym komputerem zarządzanym przez system operacyjny Linux, moz e on wykonywac szereg dodatkowych funkcji optymalizujących pracę SMZS, o kto rych informujemy poniz ej. Biez ący stan s rodowiska opisuje grupa parametro w takich jak: poziom lustra wody, prędkos c i kierunek nurtu (w przypadku pojawienia się tzw. cofki), wilgotnos c powietrza i gruntu itp. Zadaniem agregatora pomiaro w jest tworzenie paczek zawierających komplet wyniko w pomiaro w ze wszystkich czujniko w i kolektoro w w okres lonym momencie czasu. Dane pomiarowe grupowane i etykietowane są w trojaki sposo b. Po pierwsze, kaz dy z pomiaro w identyfikuje się typem czujnika. Po drugie, dane pochodzące z jednego kolektora grupuje się i oznacza etykietą identyfikującą konkretny kolektor. Po trzecie, dane uzyskane w czasie jednej sesji pomiarowej paczkuje się i opisuje czasem, oraz datą pomiaru. W celu minimalizacji ilos ci przesyłanej informacji (co z uwagi na koszty jest szczego lnie istotne dla łącznos ci GPRS), paczki są kompresowane z wykorzystaniem dobranego specjalnie algorytmu. Ponadto, aby wyeliminowac błędy transmisji, paczki opatrywane są funkcją skro tu zapewniającą dodatkową (opro cz samej technologii komunikacyjnej) weryfikację poprawnos ci transmisji. Jez eli z powodu ro z nych czynniko w, jakos c komunikacji jest niezadowalająca, system moz na wyposaz yc w transmisję z wykorzystaniem kodo w poprawiających błędy. W standardowym trybie funkcjonowania pomiary realizowane są w cyklu 15-to minutowym, a przesyłanie danych w trybie 4-ro godzinnym. Dlatego, skompre-
Architektura systemu wykrywania zagrożeń powodziowych 93 sowane paczki pomiędzy sesjami łącznos ci są chronione w lokalnym archiwizatorze. Jest on ro wniez wykorzystywany w przypadku utraty łącznos ci pomiędzy WA a CWZ. W przypadku transmisji zaglomerowanej, skompresowane i opatrzone skro tem paczki są łączone w superpakiet, kto ry przed przesłaniem zostaje opatrzony skro tem. Zadaniem detektora trybu komunikacji jest wybo r częstos ci wykonania operacji komunikacyjnych. W pozostałych trybach są one wykonywane: w trybie alarmowym co 15 minut; w trybie katastrofy co 5 minut. W ostatnim przypadku zmniejszany jest ro wniez czasookres dokonywania pomiaro w. W odro z nieniu od dostępnych na rynku rozwiązan, WA systemu monitorowania opro cz samego pomiaru zadanych wielkos ci fizycznych wykonuje wstępną interpretację pomiaro w, wykrywając potencjalne zagroz enie. Dzięki temu, w przypadku niebezpieczen stwa WA sam zmienia tryb pomiaru i transmisji danych, początkowo na alarmowy, następnie na tryb katastrofy. Progi zmiany trybu pomiaru i komunikacji ustala się centralnie i są one przechowywane w pamięci wartos ci krytycznych. Zmiana wartos ci krytycznych moz e byc takz e realizowana centralnie, niezalez nie dla kaz dego węzła agregującego w trakcie funkcjonowania SMZS. Poniewaz ZSP rozlokowane są w miejscach, w kto rych niedostępne są tradycyjne z ro dła energii, zostały one wyposaz one w autonomiczne wiatrowo-solarne zasilanie. Z ro dłami energii są: turbina wiatrowa o mocy 400 W oraz panele fotowoltaiczne o łącznej mocy 200 W. Do magazynowania energii uz ywa się baterii akumulatoro w z elowych o pojemnos ci 200 Ah. Moduł zasilania zaopatrzony jest w hybrydowy kontroler ładowania zintegrowany z inwerterem pozwalający czasowo zasilac urządzenia wykorzystujące napięcie 230/240 V. ZSP rozmieszczony jest na maszcie o wysokos ci 8 metro w. Konstrukcje maszto w typu bez-odciągowego zostaną posadowione na fundamentach z elbetonowych o wymiarach 1,5 x 1,5 x 1,2 m. Maszty wykonano ze stopo w aluminium i są one zaprojektowane do pracy w warunkach występujących w III strefie obciąz enia wiatrem oraz II strefie oblodzenia. Instalacja odgromowa maszto w składa się z iglicy umieszczonej na szczycie masztu, odciągu wykonanego z blachy FeZn20x3 oraz uziomu sztucznego. Zmierzona opornos c uziomu nie będzie przekraczac wartos ci 10 Ω. Bateria akumulatoro w wraz z kontrolerem ładowania zintegrowanym z inwerterami zostanie zamontowana w szafkach rozdzielczych umieszczonych na fundamentach wiez y. 5. Centralny węzeł zarządzający Dane zebrane i przesłane przez siec sensorową będą przetwarzane w CWZ zlokalizowanym w miejscu wskazanym przez Inwestora. Podstawowymi komponen-
94 M. Hajder, M. Nycz tami CWZ są dwa serwery, z kto rych jeden słuz y do prognozowania, drugi zas stanowi platformę sprzętową dla relacyjnej bazy danych przeznaczonej do długoterminowego magazynowania danych. Serwery korzystają ze wspo lnej macierzy dysko w o pojemnos ci 4 TB. Komunikacja pomiędzy infrastrukturą słuz ącą do gromadzenia i przetwarzania danych, a sieciami zewnętrznymi, w tym siecią Internet, odbywa się za pos rednictwem zintegrowanej platformy komunikacyjnej realizującej funkcjonalnos c routera, zapory ogniowej oraz koncentratora VPN. Całos c sprzętu zostanie umieszczona w szafie teleinformatycznej wyposaz onej w system chłodzenia. W celu zapewnienia bezprzerwowej pracy systemu poprzez uniezalez nienie się od zaniko w napięcia zasilającego, w szafie zamontowane zostaną dwa zasilacze UPS o mocy 1000 VA kaz dy. Parametry serwero w zostały dobrane tak, aby zapewnic zasoby systemowe oraz moc obliczeniową odpowiednią dla złoz onos ci obliczeniowej prognozowania oraz magazynowania wskazanej ilos ci danych pomiarowych i prognoz. Dlatego, wykorzystano architekturę opartą o dwa procesory 4-rdzeniowe (ewentualnie jeden procesor 6-rdzeniowy) z rodziny Intel lub ich odpowiednik. Pamięc operacyjna serwero w to 64 GB. Zastosowana architektura serwero w pozwala na dalszą rozbudowę, co zapewnia zwiększenie wydajnos ci platformy sprzętowej w miarę wzrostu wymagan ze strony oprogramowania (zastosowanie dodatkowych funkcji monitoringu). Zasilacze UPS zapewniają autonomię pracy sprzętu przez czas nie kro tszy niz 20 min. Zaleca się, aby lokalizacja CWZ została wybrana z uwzględnieniem wysokiej niezawodnos ci sieci zasilającej. 6. Podsumowanie System monitorowania zagroz en s rodowiskowych moz na zaliczyc do systemo w infrastruktury krytycznej. Zauwaz my, z e jego uszkodzenie moz e wywołac powaz ne zagroz enia, szczego lnie dla oso b zakładających niezawodnos c jego funkcjonowania. Dlatego, w trakcie projektowania SMZS szczego lną uwagę zwro cono na problemy jego dostępnos ci, z ywotnos ci i niezawodnos ci. Szacuje się, z e w docelowej konfiguracji dostępnos c systemu będzie nie niz sza niz 99.99%, co stawia go na poziomie dostępnos ci wykorzystywanym do zarządzania ruchem lotniczym. Dalsze prace nad systemem koncentrowac się będą na uniezalez nieniu sytemu informowania i ostrzegania od sprawnos ci centralnego węzła zarządzającego oraz rozszerzeniu funkcjonalnos ci systemu na inne rodzaje zagroz en.
Architektura systemu wykrywania zagrożeń powodziowych 95 Bibliografia [1] Jan Such and Małgorzata Szcześniak, Filozofia nauki. Poznań: Wydawnictwo: Naukowe UAM, 2007. [2] Elżbieta Bajkiewicz-Grabowska and Zdzisław Mikulski, Hydrologia ogólna, IV ed. Warszawa: Wydawnictwa Naukowe PWN, 2007. [3] Praca zbiorowa, Hydrologia w inżynierii i gospodarce wodnej. Warszawa, Polska: Komitet Inżynierii Środowiska PAN, 2010. [4] Romuald Grocki, Marian Mokwa, and Laura Radczuk, Organizacja i wdrażanie lokalnych systemów ostrzeżeń powodziowych. Wrocław: Biuro Koordynacji Projektu Banku Światowego, 2001. [5] Jun Zheng, Ed., Wireless Sensor Network. Hoboken: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2009. [6] Kia Makki, Ed., Sensor and Ad Hoc Networks. Theoretical and Algorithmic Aspects. New York: Springer, 2008. [7] Karl Holger and Andreas Willing, Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks. Chichester: John Wiley & Sons Ltd, 2005.