ﺳﯿﮕﻨﺎل

now browsing by tag

 
 

(سایت دانلود پژوهش علمی ) - دانلود پژوهش فارسی

فهرست شکل‌ها TOC f F t "زیرنویس شکل" c شکل 2-1 نمونهای از حسگرهای بیسیم زیرآب PAGEREF _Toc404981838 h 10
شکل 2-2 نمونههایی از AUV PAGEREF _Toc404981839 h 11
شکل 2-3 معماری دو بعدی در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب PAGEREF _Toc404981840 h 12
شکل 2-4 معماری سه بعدی در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب PAGEREF _Toc404981841 h 14
شکل 2-5 مبادله پیام یکطرفه جهت همزمانسازی ساعت PAGEREF _Toc404981842 h 18
شکل 2-6 مبادله پیام دو طرفه جهت همزمانسازی ساعت PAGEREF _Toc404981843 h 18
شکل 2-7 تخمین فاصله به روش TOA PAGEREF _Toc404981844 h 20
شکل 2-8 تخمین فاصله به روش TDOA PAGEREF _Toc404981845 h 21
شکل 2-9 محاسبه موقعیت به روش DV-Hop PAGEREF _Toc404981846 h 25
شکل 3-1 دستهبندی روشهای مکانیابی PAGEREF _Toc404981847 h 34
شکل 4-1 نمودار گردش کار الگوریتم پیشنهاد شده PAGEREF _Toc404981849 h 46
شکل 4-2 اثر لایهبندی در شبکههای حسگر بیسیم زیرآب PAGEREF _Toc404981850 h 54
شکل 5-1 Perr برای واریانس خطای TOA (1/σ2) PAGEREF _Toc404981851 h 64
شکل 5-2 میانگین مربعات خطای انحراف ساعت در برابر واریانس خطای TOA (1/σ² ) PAGEREF _Toc404981852 h 65
شکل 5-3 میانگین مربعات خطای اریب زمانسنجی در برابر واریانس خطای TOA (1/σ² ) PAGEREF _Toc404981853 h 67
شکل 5-4 Perrدر برابر تعداد نودهای مرجع با واریانس خطای TOA، db45 = 1/σ² PAGEREF _Toc404981854 h 67
شکل 5-5 Perrدر برابر تعداد تکرارهای شبیهسازی PAGEREF _Toc404981855 h 68

فهرست جدول‌ها TOC f T h z t "بالانویس جدول" c "جدول" جدول 5-1 بازه اطمینان 95 درصدی برای Perr PAGEREF _Toc404982108 h 65جدول 5-2 بازه اطمینان 95 درصدی برای انحراف ساعت PAGEREF _Toc404982109 h 66فهرست نشانه‌های اختصاریd˜i,iʹ خودبرآورد مربوط به مسافت بین موقعیت مکانی ji و jiʹ
ji مختصات دو بعدی مربوط به حسگر معمولی
L تعداد حسگر های مرجع
N تعداد بستههای انتقال یافته در مدت زمان پنجره مکانیابی
Ol انحراف
pi مختصات دو بعدی مربوط به Lمین حسگر مرجع
Ri زمان محلی دریافت iمین بسته ] ثانیه[
Sl اریب زمانسنجی حسگر معمولی در ارتباط با Lمین حسگر مرجع
Ti زمان محلی ارسال i مین بسته ] ثانیه[
tl ساعت محلی مربوط به مرجع L
Tpdi تاخیر انتشار مربوط به i مین بسته ] ثانیه[
W مدت زمان پنجره مکانیابی.
Δ حد آستانه برای تدریجی کردن موقعیت مکانی ]متر[
σ2 وا یانس مربوط به خطای اندازهگیری TOA
ςli نسبت بین Tpdi و تاخیر انتشار واقعی مربوط به بسته i
ѱ˜i,iʹ خودبرآورد مربوط به زاویه بین موقعیت مکانی ji و jiʹ ]رادیان[
فهرست کلمات اختصاری

ALS Area Localization Schema
AOA Angle Of Arrival
AUV Autonomous Underwater Vehicle
CRLB Cramer Rao Lower Bound
DV Distance Vector
FTSP Flooding Time Synchronization Protocol
GTLS Generalized Total Least Squares
IMM Interactive Multiple Model
LOS Line-Of-Sight
MAC Medium Access Control
ML Maximum Likelihood
MSE Mean Square Error
RMSE Root Mean Square Error
SVP Sound Velocity Profile
TDMA Time Division Multiple Access
TDOA Time Difference Of Arrivals
TLS Total Least Squares
TOA Time Of Arrival
UWSNs Underwater Wireless Sensor Networks

متن کامل در سایت امید فایل 

فصل اول: کلیات مقدمه با گسترش روزافزون ابزارهای هوشمند کوچک وبا همگرا شدن ارتباطات بیسیم با ابزارهای ریز، امکان پدید آمدن شبکههای کمهزینه و در ابعاد مختلف فراهم شده است، شبکههایی که بتوانند اطلاعات محیطی را برای انسان جمعآوری کنند، شبکههایی که بدون زیرساخت و به سرعت برقرار شده و بتوانند خود را سازماندهی کنند و نیازی به انرژی خارجی نداشته باشند. مهمترین این شبکهها، شبکههای حسگر بیسیم میباشند و هر روزه کاربردها و استفادههای جدیدی در زمینه امور نظامی و غیر نظامی برای این نوع از شبکهها ارائه میشوند و مورد استفاده قرار میگیرند.
شبکه های حسگر بیسیم زیرآب گونه ای از شبکه های حسگر هستند که در محیط زیر آب قرار میگیرند و توسط امواج صوتی با یکدیگر ارتباط دارند. شبکه های حسگر بیسیم در زیرآب برای مقاصدی چون جمع آوری داده های کف آب، نظارت بر آلودگی آبها، نظارت بر محیط ساحل، ناوبری و کاربردهای نظامی نظارت بر محیط به کار برده می شوند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Manjula</Author><Year>February, 2011</Year><RecNum>41</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>41</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">41</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>R. Manjula</author><author>S. Manvi </author></authors></contributors><titles><title>Issues in underwater acoustic sensor networks</title><secondary-title>International Journal of Computer and Electrical Engineering</secondary-title></titles><periodical><full-title>International Journal of Computer and Electrical Engineering</full-title></periodical><volume>3, no.1</volume><dates><year>February, 2011</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1].
از آنجا که که در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب، رسانه انتقال آب است، چالشها و مشکلات خاص خود را دارد که طراحی شبکه را تحت تاثیر قرار میدهند، از جمله این چالشها میتوان به تغییر سرعت صوت با توجه به عمق، دما و شوری آب، تحرک دائمی حسگرها، تاخیر انتشار طولانی و چندمسیری را نام برد. بنابراین پروتکلها و پروتکلها و الگوریتمهای لایههای شبکههای حسگر زمینی برای شبکههای حسگرزیر آب نامناسبند.
تاکنون پروتکلها و الگوریتمهای زیادی به خصوص در زمینه مسیریابی و در زمینه کنترل دسترسی به رسانه از جمله Slotted FAMA ,UWAN-MACو... مطرح شده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Molins</Author><Year>May 2006</Year><RecNum>42</RecNum><DisplayText>[2]</DisplayText><record><rec-number>42</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">42</key></foreign-keys><ref-type name="Conference Paper">47</ref-type><contributors><authors><author>M. Molins</author><author>M. Stojanovic</author></authors></contributors><titles><title>FAMA: a MAC protocol for underwater acoustic networks</title><secondary-title>in Proceedings of the IEEE Oceans Conference</secondary-title></titles><dates><year>May 2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2] ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Xie</Author><Year>Aug 2007</Year><RecNum>43</RecNum><DisplayText>[3]</DisplayText><record><rec-number>43</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">43</key></foreign-keys><ref-type name="Conference Proceedings">10</ref-type><contributors><authors><author>P. Xie</author><author>J.-H. Cui</author></authors></contributors><titles><title>R-MAC: An energy-efficient MAC protocol for underwater sensor networks</title><secondary-title>Proceedings of International Conference on Wireless Algorithms, Sys--s and Applications (WASA)</secondary-title></titles><pages>187-198</pages><dates><year>Aug 2007</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[3] ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Park</Author><Year>Jul 2007</Year><RecNum>44</RecNum><DisplayText>[4]</DisplayText><record><rec-number>44</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">44</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>M. K. Park</author><author>V. Rodoplu</author></authors></contributors><titles><title>UWAN-MAC: An energy-efficient MAC protocol for underwater acoustic wireless sensor networks</title><secondary-title>IEEE Journal of Oceanic Engineering</secondary-title></titles><periodical><full-title>IEEE Journal of Oceanic Engineering</full-title></periodical><pages>710-720</pages><volume>32, no. 3</volume><dates><year>Jul 2007</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[4] که در همه آنها مساله مکانیابی و همزمانسازی حسگرها از اهمیت ویژهای برخوردار است، برای مثال دسترسی چندگانه به وسیله تقسیم زمان (TDMA) از مواردی است که بطور رایج در پروتکلهای دسترسی به رسانه(MAC) استفاده میشود که به همزمانی دقیق میان حسگرها نیازمند است. به عنوان مثالی دیگر از اهمیت همزمانسازی و مکانیابی میتوان به این نکته اشاره کرد که تعداد زیادی از الگوریتمهای مسیریابی به اطلاعات مکانی حسگرها وابسته هستند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>P. Xie</Author><Year>May 2006</Year><RecNum>4</RecNum><DisplayText>[5]</DisplayText><record><rec-number>4</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">4</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>P. Xie</author><author>L. Lao</author><author>J.-H. Cui</author></authors></contributors><titles><title>VBF: vector-based forwarding protocol for underwater sensor networks,</title><secondary-title>in To appear in Proceedings of IFIP Networking</secondary-title></titles><periodical><full-title>in To appear in Proceedings of IFIP Networking</full-title></periodical><dates><year>May 2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[5] و ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>H. Yan</Author><Year>May 2008</Year><RecNum>5</RecNum><DisplayText>[6]</DisplayText><record><rec-number>5</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">5</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>H. Yan</author><author> Z. Shi</author><author>J.-H. Cui</author></authors></contributors><titles><title>DBR: depth-based routing for underwater sensor networks</title><secondary-title>Proceedings of IFIP Networking</secondary-title></titles><periodical><full-title>Proceedings of IFIP Networking</full-title></periodical><dates><year>May 2008</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[6].
اگرچه سرویسهای همزمانسازی و مکانیابی به هم وابسته هستند، معمولا به صورت مستقل مورد مطالعه قرار گرفتهاند و این به این دلیل است که مکانیابی از نقطه نظر شبکههای رادیویی و پردازش سیگنال ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Patwari</Author><Year>Jul. 2005</Year><RecNum>9</RecNum><DisplayText>[7]</DisplayText><record><rec-number>9</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">9</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>N. Patwari</author><author>A. O. Hero</author><author>III, J. Ash</author><author>R. L. Moses</author><author>S. Kyperountas</author><author>N. S. Correa</author></authors></contributors><titles><title>Locating the nodes: Cooperative localization in wireless sensor networks</title><secondary-title>IEEE Signal Process. Mag</secondary-title></titles><periodical><full-title>IEEE Signal Process. Mag</full-title></periodical><pages> 54–69</pages><volume>22, no. 4</volume><dates><year>Jul. 2005</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[7] و همزمانسازی از نقطهنظر طراحی پروتکل مورد بررسی قرار گرفته اند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Sundararaman</Author><Year>May 2005</Year><RecNum>8</RecNum><DisplayText>[8]</DisplayText><record><rec-number>8</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">8</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>B. Sundararaman</author><author>U. Buy</author><author>A. Kshemkalyani</author></authors></contributors><titles><title>Clock synchroniza-tion for wireless sensor networks: A survey</title><secondary-title>Ad Hoc Netw</secondary-title></titles><periodical><full-title>Ad Hoc Netw</full-title></periodical><pages>281–323</pages><volume>3, no.3</volume><dates><year>May 2005</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[8]. در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب، مکانیابی بیشتر از طریق زمان دریافت (TOA) و زمان متفاوت دریافت (TDOA) انجام میشود که وابسته به سرویسهای همزمانسازی هستند و در واقع این سرویسها پیشنیاز الگوریتمهای مکانیابی هستند. از طرف دیگر اطلاعات در رابطه با مکان حسگرها چون برای تخمین تاخیر انتشار مورد استفاده قرار میگیرد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Teymorian</Author><Year>Dec 2009</Year><RecNum>47</RecNum><DisplayText>[9]</DisplayText><record><rec-number>47</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">47</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Teymorian, A.Y</author><author>Wei Cheng</author><author>Liran Ma</author><author>Xiuzhen Cheng</author></authors></contributors><titles><title>3D Underwater Sensor Network Localization</title><secondary-title>Mobile Computing, IEEE Transactions on </secondary-title></titles><periodical><full-title>Mobile Computing, IEEE Transactions on</full-title></periodical><pages>1610-1612</pages><volume>8</volume><number>12</number><dates><year>Dec 2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[9]، کمک فراوانی به همزمانسازی حسگرها میکند. با توجه به این ارتباطات، مکانیابی و همزمانسازی را میتوان در کنار هم انجام داد که انجام این کار دو مزیت بسیار مهم دارد:
در یک استراتژی توامان از آنجا تعداد کمتری مبادلات پیام لازم است، صرفه جویی قابل توجهی در مصرف انرژی که از موارد بسیار مهم در شبکههای حسگری زیر آب میباشد خواهیم داشت.
یک راهحل توامان میتواند به افزایش صحت در هر دو سرویس کمک کند.
پس با توجه به اهمیت مکانیابی و همزمانسازی که پیشنیاز اکثر پروتکلها و الگوریتمها میباشد و از نیازهای اساسی در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب است ضرورت دارد که به این دو موضوع پرداخته شود اما از آنجا که این دو سرویس به یکدیگر وابسته هستند، ارائه یک راهحل که این دو سرویس را با در نظر گرفتن چالشهای خاص محیط زیرآب، درکنار یکدیگر انجام دهد از اهمیت ویژهای برخوردار میباشد.
تعریف مساله، هدف و ضرورت اجرای طرح پایاننامهکاربردهای شبکههای حسگر زیر آب شامل مانیتورینگ اقیانوس و دریا، جستجوی معادن زیردریایی، کشف مواد شیمیایی و بیولوژیکی مضر، سیستمهای پدافند زیردریایی خودمختار، جمعآوری دادههای محیطی برای راهنمایی کشتیها و... میباشند که همه این کاربردها نیاز به دانستن موقعیت نودهای حسگر دارند، ولی به دلیل ماهیت متحرک بودن نودهای زیردریایی، نمیتوان از تکنیکهای مکانیابی موجود برای شبکههای حسگر زمینی استفاده نمود. لذا نیاز به تکنیکهایی است که بتوان تکنیکهای مکانیابی شبکههای حسگر زمینی را برای شبکههای حسگر زیردریایی توسعه داد.
همزمانسازی نیز یکی از نیازمندیهای اصلی برای سرویسهایی است که توسط شبکههای توزیع شده فراهم میشوند، تعداد زیادی از پروتکلهای همزمانی برای شبکههای حسگر بیسیم مطرح شدهاند، اما هیچ کدام از آنها نمیتوانند به صورت مستقیم برای شبکههای زیرآب به کار برده شوند، یک الگوریتم همزمانی باید فاکتورهای دیگری همچون مدت زمان تاخیر طولانی که ناشی از استفاده از ارتباطات صوتی میباشد و تحرک حسگرها را نیز در نظر بگیرد. این چالشها صحت رویه همزمانی را برای شبکههای حسگر بیسیم زیردریایی بحرانیتر میکند، بنابراین راهحلهای همزمانی مورد نیاز است که به طور خاص برای شبکههای بیسیم زیردریایی طراحی شده باشند تا بتوانند این نیازمندیها را برطرف سازند.
با توجه به موضوعات مطرح شده در بالا و ضرورت در نظر گرفتن آنها در شبکههای حسگر بیسیم زیردریایی و با توجه به درنظر گرفتن محیط زیرآب که دارای چالشهای خاص خود میباشد، هدف از انجام این پایاننامه، مطالعه جنبههای مختلف، ویژگیها و چالشهای محیط زیرآب و شبکههای حسگر بیسیم زیرآب و در نهایت، ارائه یک روش است که مکانیابی و همزمانسازی حسگرهای زیرآب را به صورت توامان انجام دهد و درعین حال محدودیتهای موجود در محیط زیرآب را مدنظر قرار دهد.
برای نشان دادن کارایی روش ارائه شده از شبیهساز مطلب استفاده خواهد شد و تکنیک ارائه شده با تکنیکهایی که قبلا ارائه شدهاند مقایسه میشود.
روشها و فنون اجرایی طرح پایاننامهدر این پایاننامه ابتدا مطالبی در رابطه با شبکههای حسگر بیسیم زیرآب مطرح خواهد شد و پروتکلهای مطرح شده درآن جمعآوری میشوند. سپس تکنیکهای مکانیابی و همزمانسازی در شبکههای حسگر مورد مطالعه و بررسی قرار خواهند گرفت و با در نظر گرفتن چالشهای موجود در محیط زیرآب که مهمترین آنها تحرک نودها و تاخیر انتشار طولانی ناشی از ارتباط از طریق صوت میباشد، روشی ارائه میشود که در کنار مکانیابی، همزمانی نودها را نیز انجام میدهد.
روش پیشنهادی به این صورت میباشد که در مرحله اول، یک رویه ترتیبی شامل پنج فاز مکانیابی اولیه با استفاده از تکنیک TOA، تدریجی کردن حرکت حسگرها، تخمین اریب زمانسنجی وانحراف ، جبران اثر لایهبندیو مکانیابی همراه با پالایش تکرار، به کار برده میشود که هدف از چهار فاز اول به دست آوردن تاخیر انتشار میباشد و سپس با استفاده از تکنیک حداقل مربعات در فاز پنجم، موقعیت مکانی حسگر تخمین زده میشود و در نهایت از محاسبه واریانس خطای موقعیت در تکرارهای مختلف استفاده میشود تا واریانس خطا به مقداری قابل قبول رسیده و نتایج حاصل از تعیین موقعیت قابل استناد باشد. در این روش، تحرک حسگر ها، چند مسیری بودن انتشار امواج صوتی، عدم انتشار امواج در خط مستقیم و تغیر سرعت صوت در عمقهای مختلف نیز در نظر گرفته میشود و علاوه براین فرض میشود که هیچکدام از حسگرها با یکدیگر همزمان نیستند. در نظر گرفتن این موارد باعث میشود تا روش ارائه شده در شرایط مختلف مانند اینکه حسگرها ثابت باشند یا تحرک داشته باشند، عمق آب کم باشد یا زیاد، کارایی داشته باشد.
در مرحله دوم پایاننامه کارایی روش ارائه شده بررسی خواهد شد، به این صورت که روش مطرح شده با در نظر گرفتن معیارهایی همچون خطای تعیین موقعیت، خطای انحراف زمانی، خطای اریب زمانسنجی، تعداد حسگرهای مرجع و تعداد تکرار، با آخرین الگوریتم ارائه شده تحت عنوان STSL که در سال 2013 مطرح شده است مقایسه میشود. همچنین خطای محاسبات با توجه به تعداد تکرارهای برنامه محاسبه و نشان داده میشود. روش مطرح شده بعد از تعداد اندکی تکرار به مقداری پایدار خواهد رسید. علاوه براین مرز پایین کرامر رائو (CRLB) برای شبکه های حسگر بی سیم زیرآب فرمولبندی خواهد شد. نتایج حاکی از آن است که روش مطرح شده از نظر کارایی بهتر از روش STSL و بسیار نزدیک به مرز پایین کرامر رائو میباشد. قابل به ذکر است که تمام شبیهسازیها در محیط نرمافزار مطلب انجام شده است.
ساختار فصلبندی پایاننامهاین پایاننامه شامل شش فصل میباشد. در فصل دوم شبکه های حسگر بی سیم زیرآب به صورت خلاصه معرفی خواهد شد، فصل سوم به مروری بر تحقیقات اخیر انجام شده اختصاص دارد که روشهایی که تا کنون به همزمانسازی و مکانیابی پرداختهاند مورد بررسی و مقایسه قرار میگیرند. در فصل چهارم به تشریح روش پیشنهادی پرداخته میشود. فصل پنجم اختصاص به شبیهسازی و ارزیابی نتایج آن دارد و در نهایت فصل ششم اختصاص به نتیجهگیری کلی و ارائه راهکارهای آتی دارد.
فصل دوم: مروری بر ادبیات تحقیق مقدمهتکنولوژی صوتی زیرآب و برقراری ارتباط در زیر آب از جمله شاخههای علمی میباشد که قدمتی در حدود پانصد سال دارد، در واقع کشف داوینچی نقطه آغازی در دانش صوتی میباشد. پس از آن تحقیقات زیادی توسط دانشمندان متعدد در این زمینه صورت گرفت. تا این که در اوایل قرن بیستم اولین کاربرد علمی صوتی زیرآب به کار گرفته شد. این کاربرد یک زنگ زیرآبی بود که توسط کشتیها برای دریانوردی ساحلی به کار گرفته میشد. چندی بعد شخصی به نام ریچاردسون روشی را برای فاصلهیابی در زیرآب با استفاده از امواج صوتی مطرح کرده است.
تحقیقات در این زمینه تا به امروز ادامه دارد و امروزه استفاده از ارتباطات صوتی زیرآب در کاربردهایی همچون فاصلهیابی در زیرآب، ناوبری، نظارت بر محیط زیرآب، نظامی و اکتشافات زیرآبی بسیار مرسوم است. در ادامه به طور مختصر شبکه های حسگر بی سیم زیرآب و امواج صوتی معرفی خواهند شد.
آشنایی با شبکه های حسگر بی سیم زیرآبشبکه های حسگر بی سیم زیرآب گونهای از شبکههای حسگر هستند که در محیط زیرآب قرار میگیرند و توسط امواج صوتی با یکدیگر ارتباط دارند. شبکه های حسگر بی سیم زیرآب برای مقاصدی چون جمع آوری دادههای کف آب، نظارت بر آلودگی آبها، نظارت بر محیط ساحل، ناوبری و کاربردهای نظامی نظارت بر محیط به کار برده میشوند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Manjula</Author><Year>February 2011</Year><RecNum>24</RecNum><DisplayText>[10]</DisplayText><record><rec-number>24</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">24</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>R. Manjula</author><author>S. Manvi</author></authors></contributors><titles><title>Issues in underwater acoustic sensor networks</title><secondary-title>International Journal of Computer and Electrical Engineering</secondary-title></titles><periodical><full-title>International Journal of Computer and Electrical Engineering</full-title></periodical><volume>3</volume><dates><year>February 2011</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[10].
رسانه ارتباطی در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب، آب است و برای برقراری ارتباط مخابراتی در زیر آب به طور کلی دو روش وجود دارد، روش اول برقراری ارتباط به وسیله ارسال سیگنالهای الکترومغناطیس با استفاده از کابل است که این روش دارای محدودیتهایی است و فقط در مواردی خاص از این روش استفاده میشود، برخی از این محدودیتها به شرح زیر میباشند:
نیاز به کابل و تجهیزات خاص برای محیط زیرآب
امکان قطعی کابلها، به دلیل عبور کشتیها و زیردریاییها
حرکتناپذیر بودن وسایل مخابراتی
مدیریت و پیکربندی مشکل و قابلیت انعطاف پایین
به دلیل وجود محدودیتهای ذکر شده معمولا از این روش در محیط زیرآب استفاده نمیشود.
روش دوم که جایگزینی برای این روش است استقاده از ارتباطات بیسیم است. برقراری ارتباط بیسیم از سه راه امکانپذیر است:
امواج الکترومغناطیس
این امواج به شدت در محیط زیرآب جذب میشوند و به دلیل تضعیف بالا در صورت استفاده از این امواج در فرکانسهای بالا بردی در حد چند سانتیمتر خواهند داشت بنابراین برای ارسال به فواصل دور به آنتنهایی که طول آنها چندین هزار متر است نیاز میباشد. بنابراین استفاده از این امواج در محیط زیرآب فقط برای فواصل بسیار کوتاه توصیه میشود.
امواج نوری
این امواج دارای پهنای باند در حد چندین مگابیت در ثانیه در محیط زیرآب هستند ولی دارای پراکندگی و جذب بالا در آبهای غیر شفاف هستند، از طرفی در صورت استفاده از این امواج، فرستنده و گیرنده، نیازمند دقت بالا در تنظیم امواج باریک لیزر هستند و در صورتی که یکی از آنها قادر به تنظیم دقیق نباشند به صورت موفق ارسال و دریافت نخواهند داشت. لذا از این امواج جز در موارد خاص در محیط زیرآب استفاده نمیشود.
امواج صوتی
این امواج در آب قابلیت شنیده شدن را دارند و در واقع در آب بسیار موثرتر از هوا عمل میکند. امواج صوتی علیرغم داشتن برخی محدودیتها شامل سرعت انتشار، پهنای باند و باند فرکانسی بسیار پایینتر از امواج الکترومغناطیس و امواج نوری، نیازمند آنتنهای با طول کوتاه، به اندازه 0.1 متر میباشد و دارای برد موثر در حد چند کیلومتر است به همین علت، بهتر از امواج الکترومغناطیس و امواج نوری در ارتباطات زیرآب عمل میکند اما استفاده از این امواج، محدودیتها و چالشهایی را در طراحی پروتکلها و الگوریتمهای شبکههای زیرآب ایجاد میکند.
در ادامه به بررسی اجزای شبکه های حسگر بی سیم زیرآب میپردازیم.
اجزای شبکه های حسگر بی سیم زیرآبدر یک شبکه حسگر بیسیم زیرآب معمولا از تجهیزات زیر استفاده میشود:
گره حسگر بیسیم زیرآب: نوعی حسگر است که امواج صوتی را دریافت، پردازش و ارسال میکند، برای دریافت امواج صوتی از میکروفن زیرآب و برای ارسال از بلندگوی زیرآب استفاده میکند. عملیات تبدیل سیگنال صوتی به سیگنال الکتریکی و بالعکس را مودم صوتی زیرآب که در این حسگرها تعبیه شده است انجام میدهد. شکل 2-1 نمونهای از این حسگرها را نشان میدهد.

نمونهای از حسگرهای بیسیم زیرآب ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>رضا</Author><Year>1392</Year><RecNum>59</RecNum><DisplayText>[11]</DisplayText><record><rec-number>59</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">59</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author><style face="normal" font="default" charset="178" size="100%">محمدی رضا</style></author><author><style face="normal" font="default" charset="178" size="100%">جاویدان رضا</style></author><author><style face="normal" font="default" charset="178" size="100%">کشتگری منیژه</style></author></authors></contributors><titles><title><style face="normal" font="default" charset="178" size="100%">اصول طراحی شبکه های حسگر بی سیم زیرآب</style></title></titles><section><style face="normal" font="default" charset="178" size="100%">217-206</style></section><dates><year><style face="normal" font="default" charset="178" size="100%">1392</style></year></dates><publisher><style face="normal" font="default" charset="178" size="100%">انشارات همارا</style></publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[11]
انتقالدهنده زیرآب مستقل (AUV): AUVها در زیرآب متحرک هستند و دادههای حسگرها را جمعآوری میکنند، البته این AUVها راه دور قابل کنترل هستند و میتوان آنها را به سوی مکانهایی که تراکم بیشتری دارند هدایت نمود. میتوان با استفاده از تکنیکهای هوش مصنوعی حرکت AUVها را هوشمند نمود تا بدون نیاز به دخالت و کنترل انسان به کار خود ادامه دهند. شکل 2-2 نمونهای از این AUV ها را نشان میدهد.

نمونههایی از AUV ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>رضا</Author><Year>1392</Year><RecNum>59</RecNum><DisplayText>[11]</DisplayText><record><rec-number>59</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">59</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author><style face="normal" font="default" charset="178" size="100%">محمدی رضا</style></author><author><style face="normal" font="default" charset="178" size="100%">جاویدان رضا</style></author><author><style face="normal" font="default" charset="178" size="100%">کشتگری منیژه</style></author></authors></contributors><titles><title><style face="normal" font="default" charset="178" size="100%">اصول طراحی شبکه های حسگر بی سیم زیرآب</style></title></titles><section><style face="normal" font="default" charset="178" size="100%">217-206</style></section><dates><year><style face="normal" font="default" charset="178" size="100%">1392</style></year></dates><publisher><style face="normal" font="default" charset="178" size="100%">انشارات همارا</style></publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[11]
معماریهای مختلف شبکههای حسگر بیسیم زیرآبنحوه پیادهسازی و چگونگی ارتباط حسگرها در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب به صورت مستقیم بر کارایی این شبکهها تاثیر دارد. در این قسمت به این موضوع میپردازیم.
معماری دو بعدی
در این نوع از شبکهها مجموعهای از گرهها که معلق نیستند و به کف اقیانوس متصل هستند به صورت بیسیم با گذرگاههای زیرآب ارتباط دارند، این گذرگاهها که نقش گره سینک را بازی میکنند اطلاعات و دادههای کف اقیانوس را جمعآوری و به ایستگاه مستقر در سطح ارسال میکنند. برای انجام عمل دریافت از حسگرها و ارسال به گره مستقر در سطح، این گذرگاههای زیرآب مجهز به دو نوع گیرنده فرستنده صوتی هستند که گیرنده فرستنده عمودی/افقی نام دارد. از فرستنده صوتی افقی برای ارتباط با گرههای حسگر، جهت ارسال فرامین و دادههای پیکربندی به حسگرها و جمعآوری دادههای آنها استفاده میشود. فرستنده عمودی نیز برای ارسال اطلاعات و دریافت فرامین از ایستگاه مستقر در سطح آب به کار میرود. ایستگاه مستقر در سطح نیز مجهز به یک گیرنده فرستنده صوتی است که میتواند چندین ارتباط موازی را با گذرگاههای زیرآب داشته باشد. علاوه بر این ایستگاه مستقر در سطح، با داشتن گیرنده و فرستنده امواج رادیویی با ایستگاه ساحلی ارتباط دارد.
همانطور که در شکل 2-3 ملاحظه میشود به منظور مدیریت بهتر و مصرف انرژی بهینه و استفاده بهینه از پهنای باند، مجموعهای از چندین گره در یک خوشه قرار میگیرند. مزیت این نوع معماری، پیادهسازی و معماری ساده آن میباشد، اما بزرگترین مشکل این نوع از معماری این است که فقط قادر به درک اتفاقات کف اقیانوس و نزدیک به آن میباشد.

معماری دو بعدی در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>M.Ayaz</Author><Year>2009</Year><RecNum>26</RecNum><DisplayText>[12]</DisplayText><record><rec-number>26</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">26</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>M.Ayaz</author><author>A. Abdullah</author></authors></contributors><titles><title>Underwater Wireless Sensor Networks: Routing Issues and Future Challenges</title><secondary-title>MoMM2009, Kuala Lumpur, Malaysia</secondary-title></titles><periodical><full-title>MoMM2009, Kuala Lumpur, Malaysia</full-title></periodical><pages>14–16</pages><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[12]
معماری سهبعدی
در این نوع توپولوژی گره ها در کف و یا سطح آب قرار نمیگیرند، بلکه در عمق خاصی از سطح آب قرار میگیرند و ضعفهای توپولوژی قبلی را تا حدی کاهش می دهند. گرههای حسگر به کف اقیانوس الصاق میشوند و توسط پمپهای خاصی در عمق مورد نظر قرار میگیرند. این پمپها گرهها را به سمت سطح آب هدایت میکنند. عمق مورد نظر توسط کابل متصل به حسگر و کف دریا تعیین میشود. ممکن است گرههای حسگر از سطح دریا آویزان شوند و در عمق مورد نظر قرار گیرند. اما در این روش ممکن است توسط کشتیها و شناورهای عبوری آسیب ببیند و یا این که تشخیص داده شوند.
در این نوع توپولوژی، دادههای جمعآوری شده توسط یک گره، به گره بعدی ارسال میشود تا به کمک مسیریابی چندگامی به گره مستقر در سطح آب برسد و از آنجا به ماهواره و یا ایستگاه ساحلی مخابره شود و در ساحل مورد پردازش قرار گیرد. مهمترین مزیت این نوع توپولوژی، امکان بررسی اشیاء در حال حرکت در آب است و نسبت به توپولوژی قبلی دادههای دقیقتری را در اختیار میگذارد. این توپولوژی نسبت به توپولوژی قبلی پیچیدگی مدیریتی بیشتری دارد و توان بیشتری نیز مصرف میکند. شکل 2-4 این معماری را نشان میدهد.
در هر دو توپولوژی اشاره شده، رسانه ارتباطی تا سطح دریا، آب است و داده ها تا سطح دریا توسط امواج صوتی منتقل میشوند. گره مستقر در سطح دریا توسط امواج الکترومغناطیس، داده ها را به ماهواره مخابره میکند.

معماری سه بعدی در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>M.Ayaz</Author><Year>2009</Year><RecNum>26</RecNum><DisplayText>[12]</DisplayText><record><rec-number>26</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">26</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>M.Ayaz</author><author>A. Abdullah</author></authors></contributors><titles><title>Underwater Wireless Sensor Networks: Routing Issues and Future Challenges</title><secondary-title>MoMM2009, Kuala Lumpur, Malaysia</secondary-title></titles><periodical><full-title>MoMM2009, Kuala Lumpur, Malaysia</full-title></periodical><pages>14–16</pages><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[12]
چالشهای شبکه های حسگر بی سیم زیرآبشبکه های حسگر بی سیم زیرآب چالشها و مشکلات خاص خود را دارند که طراحی شبکه را تحت تاثیر قرار میدهند، مهمترین چالشهایی که در رابطه با طراحی شبکه های حسگر بی سیم زیر آب وجود دارند عبارتند از ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>J.H.Cui</Author><Year>2006</Year><RecNum>45</RecNum><DisplayText>[13]</DisplayText><record><rec-number>45</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">45</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>J.H.Cui</author><author>J. Kong</author><author>M. Gerla</author><author>S. Zhou</author></authors></contributors><titles><title>Challenges: Building scalable mobile underwater wireless sensor networks for aquatic applications</title><secondary-title>IEEE Network, Special Issue on Wireless Sensor Networking</secondary-title></titles><periodical><full-title>IEEE Network, Special Issue on Wireless Sensor Networking</full-title></periodical><pages>12-18</pages><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13] ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Akyildiz</Author><Year>2005</Year><RecNum>46</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>46</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">46</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>I. F. Akyildiz</author><author>D. Pompili</author><author>T. Melodia</author></authors></contributors><titles><title>Underwater acoustic sensor networks: Research challenges</title><secondary-title>Ad Hoc Networks</secondary-title></titles><periodical><full-title>Ad Hoc Networks</full-title></periodical><pages>257-279</pages><dates><year>2005</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[14]:
سرعت انتشار پایین امواج صوتی که منجر به تاخیر انتشارهای طولانی در ارتباطات بین حسگرها میشود.
به علت استفاده از باتری، منبع تغذیه محدود است.
به علت قرار گرفتن در محیط زیر آب و وجود املاح در آب دریا، گره های حسگر به مرور فرسوده میشوند.
وجود نرخ خطای بیتی بالا که حاصل وجود نویز در محیط دریاست.
پهنای باند موجود محدود است و با افزایش فاصله بین دو گره، پهنای باند نیز کاهش مییابد.
به علت وجود پدیده های شکست و چند مسیری ارتباطات زیر آب در معرض خراب شدن قرار میگیرند.
گرههای حسگر زیرآب باید دارای خاصیت خود مدیریتی باشند و بتوانند با گره های دیگر هماهنگی و همکاری داشته باشند، علاوه بر این شبکه های حسگر بیسیم باید دارای این قابلیت باشند که در صورت خراب شدن و یا ورود یک گره جدید بتوانند خود را با شرایط پیش آمده وفق دهند.
به منظور افزایش طول عمر شبکه، هر گره باید مدیریت توان داشته باشد و بتواند توان مصرفی خود را به طور بهینه کنترل نماید ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Manjula</Author><Year>February 2011</Year><RecNum>24</RecNum><DisplayText>[10]</DisplayText><record><rec-number>24</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">24</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>R. Manjula</author><author>S. Manvi</author></authors></contributors><titles><title>Issues in underwater acoustic sensor networks</title><secondary-title>International Journal of Computer and Electrical Engineering</secondary-title></titles><periodical><full-title>International Journal of Computer and Electrical Engineering</full-title></periodical><volume>3</volume><dates><year>February 2011</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[10].
گرهها باید از موقعیت فعلی خود آگاه باشند و بدانند که در چه فاصلهای از گرههای همسایه خود و گره مقصد قرار دارند. به این مکانیابی گفته میشود.
برای هماهنگی گرهها با یکدیگر و ارسال به موقع دادههای جمع آوری شده، گرههای بیسیم زیرآب میبایست از لحاظ زمانی با یکدیگر همزمان باشند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Manjula</Author><Year>February 2011</Year><RecNum>24</RecNum><DisplayText>[10]</DisplayText><record><rec-number>24</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">24</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>R. Manjula</author><author>S. Manvi</author></authors></contributors><titles><title>Issues in underwater acoustic sensor networks</title><secondary-title>International Journal of Computer and Electrical Engineering</secondary-title></titles><periodical><full-title>International Journal of Computer and Electrical Engineering</full-title></periodical><volume>3</volume><dates><year>February 2011</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[10].
همزمانسازی ساعت در شبکههای حسگر بیسیم زیرآبدر سیستمهای توزیع شده نظیر شبکههای حسگر، هر گره دارای ساعت محلی خود میباشد. در شبکههای حسگر، همزمانسازی ساعت از مسائل مهمی است که جهت تشخیص و شناسایی رابطه علی رخدادهای جهان فیزیکی به کار میرود. همزمان بودن ساعت شبکههای حسگر به حذف دادههای جمعآوری شده زائد و افزونه و تسهیل در انجام وظایف گرهها کمک میکند. علاوه براین توانایی همزمانسازی گرهها در شبکههای حسگر عامل بسیار مهمی برای مصرف کارای انرژی و انتقال موفق دادههاست.
در ادامه این قسمت به بررسی مفهوم همزمانسازی و ضرورت آن در شبکههای حسگر بیسیم زیرآب پرداخته میشود.
ساعت و مساله همزمانسازی
ساعت یک شبکه حسگر بر پایه یک اسیلاتور سختافزاری عمل میکند. یک کلاک شامل یک اسیلاتور از جنس کوآرتز و یک شمارنده است که در هر نوسان کریستال کوارتز، مقدار آن یک واحد کاهش مییابد. هنگامی که شمارنده به صفر برسد یک وقفه تولید شده و مقدار اولیه، دوباره در شمارنده قرار میگیرد. هر وقفه تولید شده که به تیک کلاک معروف است، یک واحد به کلاک نرمافزاری که توسط سیستم عامل و یا سایر برنامهها مورد استفاده قرار میگیرد میافزاید. در واقع هنگامی که اشاره به زمان محلی یک گره حسگر میشود، مقصود همان کلاک یا ساعت نرمافزاری است. معمولا در رابطه با مفهوم ساعت و همزمانسازی تعاریف زیر مطرح میشوند:
انحراف ساعت: به اختلاف ساعت دو گره حسگر گفته میشود.
اریب زمانسنجی: به اختلاف در فرکانس دو کلاک گفته میشود. معمولا این اختلاف به صورت بخش در میلیون (ppm) بیان میشود.
اختلاف در ساعت گرهها از دو عامل ناشی میشود و بستگی به میزان انحراف کلاکها و میزان اریب زمانسنجی آنها دارد. اختلاف در انحراف کلاک گرهها به دلیل این است که همه گرهها در یک زمان شروع به کار نمیکنند و یا این که ممکن است گرهی به دلیل خرابی و بهبود مجدد از لحاظ انحراف کلاک با سایر گرهها تفاوت داشته باشد. اختلاف در میزان اریب زمانسنجی کلاکها نیز به دلیل وجود رطوبت، دما، و فشاری است که در محیط وجود دارد و کریستال کوآرتز را تحت تاثیر قرار میدهدو باعث میشود که کلاکهای گرهها از لحاظ فرکانس با هم اختلاف داشته باشند. قابل به ذکر است که خطای انحراف به مرور زمان زیاد نمیشود ولی خطای اریب زمانسنجی رفته رفته بیشتر میشود.
با توجه به مطالب بالا میتوان گفت همزمانسازی ساعت فرایندی است که گرهها سعی میکنند تا جایی که ممکن است از لحاظ ساعت با یکدیگر برابر باشند. همزمانسازی به دو صورت خارجی و داخلی بیان میشود. همزمانسازی خارجی روشی است که در آن گرهها ساعت خود را با یک منبع خارجی به نام کلاک مرجع همزمان میکنند. در مقابل، همزمانسازی ساعت داخلی روشی است که گرهها سعی میکنند بدون وجود یک کلاک مرجع ساعت خود را با یکدیگر همزمان کنند.
همزمانسازی در برنامههای کاربردی از شبکههای حسگر که در آنها نیاز به نگاشت دقیق دادههای جمعآوری شده از حسگرها با زمان دقیق اتفاق افتادن رویدادهاست، بسیار مهم میباشد و همچنین نقش اساسی را مدیریت کردن انرژی در پروتکلهای لایه کنترل دسترسی به رسانه دارد و در شبکههای حسگر بیسیم به یکی از سه مورد زیر اطلاق میشود:
ترتیب نسبی: در این روش فقط ترتیب رویدادها و یا پیامها حفظ میشود و ساعتها همزمان نمیشوند.
تنظیم زمان نسبی: در این روش هر حسگر اطلاعات در رابطه با راندگی و انحراف خود با حسگر های همسایه را نگهداری میکند و با حسگر های همسایه خود همزمان میشود.
همزمانسازی عمومی: در این روش مقیاس زمانی عمومی وجود دارد و همه حسگر های شبکه با این مقیاس عمومی همزمان میشوند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Kaur</Author><Year>Sep--ber 2013</Year><RecNum>32</RecNum><DisplayText>[15]</DisplayText><record><rec-number>32</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">32</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Baljinder Kaur</author><author>Amandeep Kaur </author></authors></contributors><titles><title>A Survey of Time Synchronization Protocols for Wireless Sensor Networks</title><secondary-title>International Journal of Computer Science and Mobile Computing ( IJCSMC )</secondary-title></titles><periodical><full-title>International Journal of Computer Science and Mobile Computing ( IJCSMC )</full-title></periodical><pages>100 – 106</pages><volume>2</volume><dates><year>Sep--ber 2013</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[15].
روشهای مبادله پیام در الگوریتمهای همزمانسازی
فرایند همزمانسازی بر پایه مبادله پیام بین گرههای حسگر میباشد. بسیاری از الگوریتمهای همزمانسازی بر پایه همزمانی دو گره صورت میگیرد و با تکرار آن در طول شبکه با کل گرهها به صورت دو به دو همزمان میشوند. در ادامه به بررسی مهمترین روشهای مبادله پیام جهت همزمانسازی میپردازیم.
مبادله پیام یکطرفه
سادهترین روش مبادله پیام در همزمانی دو گره، استفاده از مبادله پیام یک طرفه است. در این روش که در شکل 2- 5 مشاهده میشود گره i پیامی را مهر زمانی t1 به گره j ارسال میکند. گره j با دریافت این پیام در زمان t2 آن را ثبت میکند.
11195052362201 t
D
Node i
Node j
001 t
D
Node i
Node j

19894558699500279400059055time
00time
19894558699500
2400935469902 t
002 t
283845064770time
00time
29381459525000
مبادله پیام یکطرفه جهت همزمانسازی ساعت ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>A John Wiley and Sons</Author><Year>2010</Year><RecNum>60</RecNum><DisplayText>[16]</DisplayText><record><rec-number>60</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">60</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>A John Wiley and Sons, Ltd., Publication</author></authors></contributors><titles><title>Fundamentals of Wireless Sensor Networks Theory ND practice</title></titles><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[16]
اختلاف بین دو زمان، میزان انحراف O بین گره i و j را مشخص میکند. بنابراین داریم:
D + O = (t2 – t1)
که D میزان تاخیر انتشار ناشناخته است. این مقدار معمولا ثابت و قراردادی است. این روش بسیار ساده است و سربار کمی دارد اما به دلیل تاخیر انتشار متغیر و طولانی برای محیط زیرآب نامناسب است.
مبادله پیام دو طرفه
برای دستیابی به نتایج دقیقتر معمولا پروتکلهای همزمانسازی از مبادله دو پیام بهره میگیرند. این روش در شکل 2- 6 نشان داده شده است.
12712702901953 t
1 t
Node i
003 t
1 t
Node i

192151014033500320040013906500
27228803340104 t
004 t
2268220341630t 2
00t 2

130746530480Node j
00Node j
2784475201295002400935191770001789430229870D
00D
178943017208500
261747024765D
00D

t2 = t1+ D +O
t4 = t3+ D +O
مبادله پیام دو طرفه جهت همزمانسازی ساعت ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>A John Wiley and Sons</Author><Year>2010</Year><RecNum>60</RecNum><DisplayText>[16]</DisplayText><record><rec-number>60</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">60</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>A John Wiley and Sons, Ltd., Publication</author></authors></contributors><titles><title>Fundamentals of Wireless Sensor Networks Theory ND practice</title></titles><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[16]
مشابه شکل، گره j پس از دریافت پیام اول با مهر زمانی t1 در زمان t2 آن را ثبت کرده و یک پیام با مهر زمان [t1, t2, t3] به گره i ارسال میکند. گره i با دریافت این پیام در زمان t4 قادر به محاسبه زمان خود میباشد و میتواند با گره j همزمان شود. نحوه محاسبه تاخیر و انحراف به صورت زیر است.
D = [(t2 – t1) + (t4 – t3)] / 2
O = [(t2 – t1) - (t4 – t3)] / 2
فرمولها فوق با فرض مساوی بودن میزان تاخیر انتشار در دو طرف ارتباط و عدم وجود اریب زمانسنجی در کلاکها میباشند. پس از محاسبه مقدار انحراف در گره i، گره i میتواند این مقدار را در پیام سومی به گره j اطلاع دهد.
مکانیابی در شبکههای حسگر بیسیم زیرآبدر شبکههای حسگر بیسیم زیر آب، دادههای جمعآوری شده توسط گرههای حسگر با توجه به موقعیت آنها تفسیر و پردازش میشوند. به عنوان مثال، گزارش وقوع یک رخداد، ردگیری یک شیئ متحرک یا پایش و نظارت بر شرایط فیزیکی یک منطقه، از جمله کاربردهایی هستند که موقعیت و مختصات پدیده مورد نظر بسیار حیاتی است. عدم آگاهی از موقعیت یک حسگر، سبب بلا استفاده شدن دادههای جمعآوری شده توسط آن حسگر میگردد. بنابراین در شبکههای حسگر زیرآب، تعیین موقعیت یک گره حسگر بسیار مهم است. در شبکههای حسگر، به فرایند تخمین موقعیت یا مختصات یک گره و یا گروهی از گرههای حسگر، مکانیابی گفته میشود.
موقعیت یک حسگر میتواند به صورت محلی و یا سراسری بیان شود. در روش سراسری، همانند GPS، موقعیت دقیق حسگر مد نظر است. اما در روش محلی، موقعیت نسبی یک گره حسگر نسبت به سایر گرهها مطرح است. به علت محدودیتهایی که در شبکههای حسگر وجود دارد برای همه گرهها مقدور نیست تا موقعیت سراسری خود را بدانند. بنابراین فقط تعداد کمی از گرهها وجود دارند که موقعیت و مختصات سراسری خود را میدانند، به این نوع از گرهها، حسگر مرجع گفته میشود و به تکنیکهای تعیین موقعیتی که از حسگرهای مرجع بهره میگیرند، تعیین موقعیت مبتنی بر حسگر مرجع میگویند. در تکنیکهای تعیین موقعیت مبتنی بر حسگر مرجع، سایر گرهها میتوانند مختصات و موقعیت خود را به کمک حسگرهای مرجع تخمین بزنند. یکی از مهمترین مسائل در این تکنیکها، تعیین فاصله یک گره تا حسگر مرجع است. در ادامه، تکنیکهای فاصلهیابی بیان و سپس تکنیکهای مختلف تعیین موقعیت در شبکههای حسگر زیرآب تشریح خواهد شد.
تکنیکهای فاصلهیابی
پایه بسیاری از تکنیکهای تعیین موقعیت، بر اساس تخمین فاصله بین دو گره حسگر است. تخمین فاصله به یکی از چهار روش زیر انجام میشود:
تخمین فاصله بر اساس زمان ورود سیگنال (TOA)
این روش بر اساس سرعت انتشار سیگنال، فاصله بین فرستنده و گیرنده را تخمین میزند. به عنوان مثال سرعت انتشار سیگنال بین فرستنده وگیرنده در محیط زیر آب تقریبا 1500 متر بر ثانیه است که میتوان زمان بین ارسال و دریافت سیگنال را در این عدد ضرب نمود و فاصله تقریبی را به دست آورد. این روش به دو صورت یکطرفه و دوطرفه قابل انجام است. شکل 2- 7 انجام این روش را نشان میدهد.

تخمین فاصله به روش TOA ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>A John Wiley and Sons</Author><Year>2010</Year><RecNum>60</RecNum><DisplayText>[16]</DisplayText><record><rec-number>60</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">60</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>A John Wiley and Sons, Ltd., Publication</author></authors></contributors><titles><title>Fundamentals of Wireless Sensor Networks Theory ND practice</title></titles><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[16]
در روش یکطرفه که در شکل 2- 7 مورد (a) نشان داده شده است مسافت بین گره i و گره j به صورت زیر محاسبه میشود:

که سرعت سیگنال میباشد. در روش یکطرفه نیاز است تا فرستنده وگیرنده بسیار دقیق و همزمان باشند. در روش دوطرفه که در شکل 2- 7 مورد (b) نشان داده شده است زمان رفت و برگشت سیگنال در سمت فرستنده محاسبه میشود و فاصله بین فرستنده تا گیرنده به صورت زیر محاسبه میشود:
تخمین فاصله بر اساس اختلاف زمان ورود سیگنال (TDOA)
در این روش از دو سیگنال با سرعت متفاوت استفاده میشود و گره گیرنده همانند روش TOA فاصله خود را تا گره فرستنده تخمین میزند. شکل 2- 8 نحوه عملکرد این روش را نشان میدهد. به عنوان مثال گره فرستنده میتواند در ارسال اول خود از سیگنال رادیویی و در ارسال دوم خود از سیگنال صوتی استفاده کند.

نمونه مقاله - دانلود مقاله فارسی

سیستم حمل ونقلیک سیستم حملونقل را میتوان به صورت مجموعهای از تسهیلات ثابت، نهادهای جریان و یک سیستم کنترلی تعریف نمود که به مسافران و کالا امکان میدهد بر محدودیتهای جفرافیایی غلبه و به موقع در فعالیتهای مورد نظر شرکت کنند]1[. در واقع، یک سیستم حملونقل شامل مجموعهای از اجزاء است که امکان جابه جایی انسان و کالا را از مکانی به مکان دیگر فراهم میکند. تسهیلات ثابت، اجزای فیزیکی سیستم حملونقل هستند که در یک مکان ثابت واقع می شوند و شامل یالهای شبکه (مانند جادهها، ریلها و لولهها) و گرههای (مانند تقاطعها، پایانهها، بنادر و فرودگاهها) سیستم هستند. طراحی این تسهیلات شامل مسایلی چون مهندسی خاک و پی، طراحی سازه، طراحی شبکههای آبیاری و طراحی هندسی میشود. نهادههای جریان، واحدهایی هستند که از تسهیلات ثابت عبور میکنند. این نهادهها میتوانند وسایل نقلیه، واحدهای کانتینر، واگنهای قطار و غیره باشند، مثلاً در مورد سیستم بزرگراهها، تسهیلات ثابت برای انواع وسایل نقلیه اعم از دوچرخه و یدککشهای بزرگ قابل استفاده هستند. سیستم کنترلی شامل کنترل جریان و کنترل وسیله نقلیه میشود. کنترل وسایل نقلیه به روشهایی اطلاق میشود که وسایل نقلیه را در سیستم حملونقل هدایت میکنند که این هدایت میتواند دستی یا خودکار باشد. به طور مثال، در مورد هدایت خودروها در بزرگراهها، عامل انسانی و رفتار انسان به عنوان سیستم کنترلی وسیله نقلیه عمل میکند. سیستمهای کنترل جریان شامل ابزارهایی هستند که جریان روان حرکت وسایل نقلیه را ضمن کاهش ازدحام در سیستم حملونقل، فراهم میکنند. این سیستمها میتوانند شامل انواع علامتگذاریها در طول مسیرهای حملونقل، چراغهای راهنمایی و مقررات وضع شده برای حرکت در مسیرها باشند.شکل 1-1 تقسیمبندی اجزای سیستمهای حملونقل را نمایش میدهد.
307975231013000307975188595000-433070-1270سیستمهای حملونقل
تسهیلات ثابت
نهادههای جریان
سیستم کنترلی
یالهای شبکه
گرههای شبکه
کنترل وسیله نقلیه
کنترل جریان
00سیستمهای حملونقل
تسهیلات ثابت
نهادههای جریان
سیستم کنترلی
یالهای شبکه
گرههای شبکه
کنترل وسیله نقلیه
کنترل جریان

35052080645شکل STYLEREF 1 s‏1SEQ شکل * ARABIC s 11 اجزای سیستم‏های حمل‏ونقل00شکل STYLEREF 1 s‏1SEQ شکل * ARABIC s 11 اجزای سیستم‏های حمل‏ونقل
تقسیم بندی سیستم های حمل ونقلطبق آنچه در ادبیات برنامهریزی حملونقل مطرح میشود، سیستمهای حملونقل را میتوان از جهات گوناگون طبقهبندی کرد. تقسیمبندی سیستمهای حملونقل از نظر روش حمل مورد استفاده، یکی از مهمترین تقسیمبندیهای موجود در ادبیات است. محدوده مورد بررسی در این پایان نامه، روش "حمل جادهای" (منظور جادهها، بزرگراهها و خیابانها) است. نوع دیگر تقسیمبندی را میتوان بر اساس محدوده جغرافیایی وقوع فعالیتهای حملونقل انجام داد. سیستمهای حملونقل مورد بررسی در این پایان نامه "محدوده درون شهری" را در برمیگیرند. بخش اعظم حملونقل شهری به جابه جایی مسافر اختصاص دارد و مهمترین روش حمل مورد استفاده در شهرها، حملونقل زمینی است. حملونقل زمینی در شهرها در قالب حملونقل شخصی (خودروها و موتورسیکلتهای شخصی و پیادهروی) و خدمات حملونقل عمومی از طریق اتوبوسهای شهری در بزرگراهها و مترو و سایر انواع قطارها در راهآهن درون شهری انجام میشود.
شبکههای حملونقل شهری در واقع متشکل از شبکه معابر شهری و شبکه حملونقل عمومی هستند که مانند شبکه اتوبوس و تراموا در شبکه معابر و مانند شبکه مترو یا مجزای از معابر تعریف میشوند.
طراحی شبکه‏های حمل‏ونقل شهری و تقسیم‏بندی‏های مربوطدر رابطه با عبارت مساله طراحی شبکههای حملونقل شهری و تعاریف آن برداشت واحد و یکسانی وجود ندارد و معمولاً عناوینی چون Urban Road Network Design Problem، Transportation Network Design Problem و یا به طور عمومی Network Design Problem و مشابه اینها برای اطلاق مساله به کار میروند. اما در اغلب مراجع عبارت آخر یا مخفف آن NDP به کار میرود. تعاریف ارایه شده برای مساله را میتوان به سه گروه تقسیم کرد.
تعریف "الف"]3[: طراحی شبکه حملونقل در برگیرنده سلسله مراتب کاملی از فرایندهای تصمیمگیری مطرح در مسایل حملونقل است و در سه سطح استراتژیک، میانمدت و کوتاهمدت قابل طرح است. این تعریف طیف وسیعی از مسایل مطرح در برنامهریزی حملونقل را تحت این عنوان دربر می گیرد. از جمله انتخاب یالها، جهتدهی به خیابانها، مکانیابی، زمانبندی چراغهای راهنمایی و مواردی از این قبیل. این تعریف در یکی از مطرحترین و پرارجاعترین مراجع مرتبط با طراحی شبکههای حملونقل آمده است.
تعریف "ب" ]4[: طراحی شبکه عبارتست از انتخاب بهینه تسهیلات برای افزودن به یک شبکه حملونقل یا تعیین میزان بهینه بهبود ظرفیت در تسهیلات موجود شبکه حملونقل. تسهیلات میتوانند گرهها یا یالهای شبکه باشند. با این تعریف، مساله انتخاب یالهای شبکه و مکانیابی تسهیلات در شبکه، جزو مسایل مرتبط با طراحی شبکه قرار میگیرند.
تعریف "ج"(]5[و]6[و بسیاری از مراجع مرتبط): طراحی شبکه عبارتست از تصمیمگیری در مورد انتخاب یالهای جدید برای افزودن به شبکه و یا توسعه ظرفیت یالهای موجود. این تعریف تقریباً در همه مطالعاتی که تنها حل مساله بالا را مد نظر قرار دادهاند ارایه شده و به عبارتی در ادبیات این دست مسایل کاملاً معمول است.
به منظور ایجاد قابلیت بیان و تقسیمبندی محورهای مورد مطالعه در پیشنهاد پایان نامه زیر یک چتر واحد، در این پایان نامه تعریف "الف" مد نظر قرار گرفته و ادبیات موضوع در قالب این تقسیمبندی معرفی و بررسی شده است. قابل ذکر است که تعریف "الف" خود به نوعی دربرگیرنده تعریف "ب" نیز هست. بر اساس تعریف انتخاب شده، میتوان انواع تصمیمات قابل اخذ در زمینه طراحی شبکههای حملونقل شهری را بر اساس سلسله مراتب تصمیمگیریها به صورت زیر تقسیمبندی کرد.
تصمیمات استراتژیک: تصمیمگیری برای مسایل زیرساختی مرتبط با شبکههای حملونقل شهری که برای درازمدت طراحی میشوند، مانند توسعه معابر موجود از طریق افزایش عرض آنها یا ایجاد معابر جدید.
تصمیمات میان مدت: تصمیمگیری برای به کارگیری موثر منابع و زیرساختهای سیستم حملونقل هستند، مانند تعیین یک طرفه یا دوطرفه بودن خیابانها در سیستمهای حملونقل شهری، یا تعیین نحوه تخصیص خطها در معابر برای جهتهای رفت و برگشت.
تصمیمات عملیاتی: تصمیات مربوط به دورههای زمانی کوتاه مدت که بیشتر در رابطه با کنترل جریانهای ترافیکی در معابر هستند، مانند تنظیم چراغهای راهنمایی، تعیین میزان عوارض تعیین شده برای استفاده از بعضی بزرگراهها، تعیین فرکانسهای سرویسدهی وسایل حملونقل عمومی.
طراحی شبکههای معابر جادهایبه آن دسته از مسایل طراحی شبکه حملونقل شهری که دربرگیرنده تصمیمات مرتبط با معابر شبکه هستند، میتوان عبارت Road Network Design Problem (RNDP) یا "طراحی شبکههای معابرجادهای" را اطلاق کرد. مسایل RNDP را میتوان بر اساس ماهیت متغیرهای مورد استفاده در سه گروه طبقهبندی کرد.
مساله "طراحی شبکه حملونقل گسسته" (DNDP): این نوع مسایل با متغیرهای گسسته سروکار دارند. مانند ایجاد معابر جدید، توسعه ظرفیت معابر جدید با افزودن خط به آنها یا تعریض و بهبود طراحی آنها، تعیین یک طرفه یا دو طرفه بودن معابر.
مساله"طراحی شبکه حملونقل پیوسته" (CNDP): این نوع مسایل با متغیرهای پیوسته سروکار دارند، مانند توسعه ظرفیت معابر از نوع متغیر پیوسته، تنظیم چراغهای راهنمایی و یا تعیین عوارض عبور از برخی معابر خاص.
مساله"طراحی شبکه حملونقل ترکیبی" (MNDP): این نوع مسایل با ترکیبی از متغیرهای پیوسته و گسسته یاد شده در موارد قبلی سروکار دارند.
مطالعات این پایان نامه MNDPرا در بر میگیرد. بر اساس شکل 1-2، محدوده مسایل مورد مطالعه در این پایان نامه، شامل انواع تصمیمات بلندمدت و میان مدت خواهد بود.
-7048593980تصمیمات مورد مطالعه در این پایان نامه
میان مدت
بلندمدت
جهتدهی معابر
توسعه معابر موجود
تعیین تعداد خطهای رفت و برگشت معابر
کوتاه مدت
تنظیم سیگنال
00تصمیمات مورد مطالعه در این پایان نامه
میان مدت
بلندمدت
جهتدهی معابر
توسعه معابر موجود
تعیین تعداد خطهای رفت و برگشت معابر
کوتاه مدت
تنظیم سیگنال

3111513589000
3111556515شکل STYLEREF 1 s‏1SEQ شکل * ARABIC s 12 تصمیمات مورد مطالعه00شکل STYLEREF 1 s‏1SEQ شکل * ARABIC s 12 تصمیمات مورد مطالعهجهتدهی به معابرجهت دادن به حرکت در معابر سیستمهای حمل ونقل، یکی از تصمیمات میان مدت مطرح شده در زمینه مسایل طراحی شبکه است که در دهههای پس از جنگ جهانی دوم به منظور افزایش کارایی شبکه و کاهش ازدحام ترافیک مطرح شد. جهتدهی به یال های شبکه با این دیدگاه عبارتست از تعیین جهت حرکت در یالهای شبکه حمل ونقل به طوری که امکان سفر بین هر دو نقطه از شبکه با توجه به محدودیتهای ایجاد شده برای حرکت در برخی مسیرها از بین نرود. به عبارت دیگر، شبکه حمل ونقل پس از تعیین جهت یالها همبند باقی بماند.تنظیم چراغ راهنماییسیستمهای کنترلی یکی از ارکان سه گانه یک سیستم حمل ونقل هستند که خود به دو زیر مجموعه سیستمهای کنترل جریان و سیستمهای کنترل وسیله نقلیه تقسیم میشوند. سیستمهای کنترل جریان در شبکه، باید برآورد کننده شاخص متضاد حرکت وایمنی در کنار هم باشند. استفاده از چراغ راهنمایی در تقاطعها یکی از مهمترین ابزارهای کنترل جریان در شبکه است. چراغ راهنما باعث تاخیر کاربران (توقف زمانی که چراغ قرمز است) در تقاطعها میشود. افزایش تاخیر سبب آلودگی هوا، آلودگی صوتی و افزایش مصرف سوخت میشود. تنظیم بهینه زمان بندی چراغ راهنما باعث کاهش اثرات منفی تاخیر در تقاطعها میشود.در واقع، اهداف اصلی استفاده از چراغ راهنما عبارتست از:
بیشینهسازی ظرفیت ذخیزه کل شبکه.
بیشینهسازی ظرفیت معابر پرازدحام در تقاطعها.
کمینهسازی اثرات منفی ترافیک بر محیط زیست و مصرف سوخت.
کمینهسازی زمان سفر.
افزایش امنیت .
مجموع زمانی توالی زمانی چراغ سبز را یک دور چراغ می نامند. نسبت زمان سبز چراغ راهنما را به کل زمان دور نرخ سبز چراغ گویند، که در اغلب مسایل مطرح شده در ادبیات موضوع، به عنوان عامل تصمیم گیری، برای بهبود سیستم کنترل بیشینه میشود. در هر تقاطع، به نسبت تعداد جریان مخالف ورودی، زمان دور به بخش های کوچکتری تقسیم میشود که هر بخش را یک فاز گویند. در خلال یک فاز، دسته ای از جریانهای موافق در تقاطعهای کنترلی دارای چراغ سبز و دیگر جریانهای مخالف دارای چراغ قرمز خواهند بود.ظرفیت ذخیره شبکه حمل ونقلدر زمینههای طرحریزی، طراحی و عملیاتی تسهیلات ثابت یک شبکه حمل ونقل از مفهوم ظرفیت بسیار استفاده شده است. ظرفیت یک شبکه حمل ونقل با تعداد زیادی جفت مبدا-مقصد مانند ظرفیت یک تقاطع متغیر است و بدون در نظر گرفتن الگوی تقاضا بین مبادی-مقاصد نمی توان در مورد آن بحث کرد. برای مثال مقدار ظرفیت یک شبکه با افزایش تقاضای جفتهای مختلفی از مبادی و مقاصد متفاوت خواهد بود. برای بسط مفهوم ظرفیت برای یک شبکه حمل ونقل با تقاضای متعدد، مفهوم ظرفیت ذخیره معرفی می گردد. به نحوی که ظرفیت ذخیره یک شبکه، به صورت یک تقاضای مازاد که به سیستم تزریق کرد، تعریف میشود بدون اینکه خصوصیات های فیزیکی شبکه تغییر کند یا ظرفیت همه یالها افزایش یابد. به علاوه، این تقاضای اضافی با توجه به تقاضای موجودبرای هر جفت مبدا-مقصد، بین آنها تقسیم می شود[7].معمولاً ظرفیت ذخیره بزرگتر از صفر است. مقدار کم تر از برای یک ظرفیت ذخیره بدین معنی است که تقاضا در شبکه بیش از توان شبکه است و در شبکه حالت ازدحام ایجاد شده است. ظرفیت ذخیره بزرگ تر از یک بدین معنی است که شبکه در برخی از معابر هنوز ظرفیت خالی برای افزایش جریان را داراست.بنابراین، میتوان ظرفیت ذخیره یک سیستم را نمایندهی از سطح خدمت شبکه دانست و از آن در جهت تعیین سیاستهای بهینه برای جلوگیری از ترافیک، کنترل رشد تقاضا، مدیریت و طرح ریزی شبکه حمل ونقل استفاده کرد.در یک مساله حمل و نقل، چنان چه یک تقاضای برآوردی ثابت به صورت یک ماتریس OD برای کل شبکه حمل ونقل در نظر بگیریم، ظرفیت ذخیره سیستم، بیشترین افزایش قابل اعمال در تقاضای سفر در شبکه (به صورت ضریبی در کل ماتریس سفرها) با تغییر عامل های درگیر در شبکه خواهد بود، به طوریکه در این شرایط، جریان محاسبه شده معابر پس از افزایش تقاضا، از ظرفیت تعیین شده برای آنها تجاوز نکند.مدل سازی مسایل طراحی شبکه‏های حمل‏ونقل جادهاییکی از بزرگترین مسایلی که برنامهریزان حملونقل با آن مواجه هستند، پیشبینی اثرات سناریوهای مختلف طراحی شبکههای حملونقل شهری است. کاربران سیستمهای حملونقل را عموماً انسانها تشکیل میدهند و هر نوع برنامهریزی یا تدوین سناریو برای توسعه و اصلاح شبکه حملونقل نیازمند پیشبینی عکسالعملهای کابران در قالب تغییرات الگوی جریان ترافیک و مسیرهای مورد استفاده توسط آنها و چگونگی استفاده آنها از وسایل نقلیه است. حضور تصمیمگیری عامل انسانی در این مسایل، آنها را در زمره مسایل مطرح در نظریه بازیها قرار میدهد که ماهیت مدل سازی آنها را از بسیاری از مسایل تصمیمگیری که مساله عکسالعمل عامل انسانی در آنها مطرح نیست متفاوت میکند.
ماهیت این مسایل ایجاب میکند که آنها به صورت یک بازی رهبر- پیرو یا بازی استکلبرگ، و در نتیجه در قالب یک مدل برنامهریزی دو سطحی مطرح شوند. در این بازی، برنامهریزان شبکه و مسئولان شهری که طراحی شبکه را بر عهده دارند، نقش رهبر، و کاربران که آزادنه مسیرها را بر اساس طرح ایجاد شده در شبکه برای سفر انتخاب میکنند، نقش پیرو را دارند]8[. این طور فرض میشود که برنامهریزان حملونقل قادر به تاثیرگذاری روی رفتار کاربران در انتخاب مسیر هستند، اما نمیتوانند آن را تحت کنترل خود درآورند. رفتار کاربران برای آنها قابل پیشبینی است، اما کاربران قادر به پیشبینی تصمیمات طراحی شبکه نیستند و به اقتضای طراحی انجام شده عکسالعمل نشان میدهند. این تعامل میتواند در قالب یک مدل کلی دو سطحی به صورت زیر نمایش داده شود:
(1-1) (U0)minuF(u,vu)(1-2) s.t.
Gu,vu≤0 ,که در آن v(u)با حل مدل زیر مشخص می شود.
(1-3) (L0)minvf(u,v)(1-4) s.t.
gu,v≤0 .واضح است که مدل دو سطحی از دو زیر مدل تشکیل شده است: U0 که به عنوان مساله سطح اول یا سطح بالا و L0 که به عنوان مساله سطح دوم یا سطح پایین تعریف میشود. F و u در مساله U0 به ترتیب تابع هدف و بردار متغیرهای تصمیم طراحی شبکه برای تصمیمگیران سطح بالا یا مسیولانشبکه و G مجموعه محدودیتهای این مساله است. f و v در مسالهL0 به ترتیب تابع هدف و بردار متغیرهای تصمیم برای کاربران شبکه و g مجموعه محدودیتهای مرتبط هستند، وv(u) معمولاً تابع عکسالعمل یا پاسخ نامیده میشود. این تابع متغیرهای عکسالعمل کاربران را به ازای متغیرهای پارامتری شده طراحی شبکه u محاسبه میکند. متغیرهای عکسالعملu کاربران عموماً شامل جریانهای ترافیکی و گاهی تقاضای هر یک از مدهای حمل نیز هستند. v(u) تابعی ضمنی است و به صورتی صریح و در قالب یک تابع قابل نمایش نیست. لذا آن را به صورت یک مدل ریاضی و در سطح پایین مدل اصلی نمایش میدهند. در واقع، به ازای هر سناریوی طراحی شبکه، نیاز است که از طریق حل مساله سطح پایین مقادیر متغیرهای مربوط به عکسالعمل کاربران محاسبه شود. هدف مساله دو سطحی، یافتن بردار تصمیم u* است، به طوریکه تابع هدف سیستم F، با توجه به محدودیتهای داده شده برای طراحی شبکه و همچنین پاسخ کاربران در برابر تصمیمات طراحی شبکه مورد نظر بهینه شود. مدل سطح بالا با توابع هدف، محدودیتها و متغیرهای گوناگون قابل مدل سازی است که در بخش بعدی به آنها می پردازیم.
مدل سطح پایین معمولاً در قالب یک مدل بازی تعادلی نش-کورنتمدل سازی میشود که در آن کاربران برای استفاده از شبکه حملونقل شهری، در قالب جریانهای ترافیکی با یکدیگر رقابت میکنند. نتیجه تعادل در رقابت، جریانات ترافیکی در شرایط تعادلی هستند که در شبکه تخصیص داده میشوند (پیوست الف).
محدوده پروژهمساله پیشنهادی، در حوزه مسایل طراحی شبکه حمل ونقل شهری جای میگیرد. در علم حمل ونقل، ساخت و احداث تسهیلات ثابت حمل ونقل بر عهده مهندسین عمران است. در حالی که برنامه ریزی و طراحی بهینه سیستمهای حاکم بر این شبکه بر عهده مهندسین برنامه ریزی و صنایع است.در این پایان نامه از یک مدل دوسطحی استفاده می کنیم. در میان مسایل مطرح در مورد طراحی شبکه حمل ونقل شهری، مسایل جهتدهی معابر، تخصیص خطها برای افزایش ظرفیت معابر و برنامه ریزی چراغ راهنمایی بررسی خواهند شد.مرور بر ادبیات و پیشینه تحقیقدر این فصل، مطالعات مرتبط با مسایل طراحی شبکههای حملونقل شهری با رویکرد مطالعات انجام شده در این پایان نامه بررسی می شوند. مطالب این بخش در برگیرنده بررسی مطالعات قبلی انجام شده در زمینه مسایل RNDPخواهند بود.
مرور مطالعات انجام شده در زمینه RNDPمطالعات مرتبط با طراحی شبکه معابر شهری از نظر نوع متغیرهای تصمیم، توابع هدف، تقاضای سفر و نوع مساله تخصیص سفر قابل طبقهبندی هستند. در ]10[، مروری بر تعاریف،طبقه بندی، محدودیتها، متغیرهای تصمیمگیری و روشهای حل مسایل UTNDP) طراحی شبکه های حمل و نقل شهری( انجام شده است. بررسی جامعی در مورد مسایلRNDP و ویژگیها و متدولوژیهای حل آنها در ]8[ انجام شده است. در این مطالعه، ویژگیهای گوناگون این مسایل از نظر متغیرهای تصمیم، نوع توابع هدف و روشهای حل آنها تقسیمبندی و بررسی قرار گرفته است. همچنین، در ]11[،]12[و ]13[ نیز مروری بر روشهای حل مسایل دو سطحی طراحی شبکه انجام شده است. مسایل مطرح در حوزه RNDP را میتوان از نظر ویژگیهای مساله به شرح زیر طبقهبندی کرد.
متغیرهای تصمیم: همانگونه که در بخش تعریف مساله اشاره شد، مسالهRNDP بر اساس نوع متغیرهای تصمیم شبکه در سه قالب متغیرهای گسسته، پیوسته و ترکیبی مطرح میشود.
متغیرهای گسسته: شامل افزودن معابر جدید به شبکه، افزودن خط به دو طرف معابر موجود، تعریض یا افزایش ظرفیت معابر در قالب افزودن یک مقدار حقیقی، تعیین تخصیص خطها در دو سوی معابر دو طرفه، تعیین یک طرفه یا دو طرفه بودن معابر.
متغیرهای پیوسته: شامل افزایش ظرفیت معابر در قالب مقادیر پیوسته، تنظیم چراغهای راهنمایی، تنظیم عوارض قابل اخذ برای عبور از برخی معابر (به طور عمده بزرگراهها).

متن کامل در سایت امید فایل 

متغیرهای ترکیبی: ترکیبی از متغیرهای بالا.
نوع تقاضای سفر:
تقاضای ثابت: در این حالت فرض میشود که میزان تقاضا بین هر دو نقطه در شبکه معین و ثابت است.
تقاضای متغیر یا الاستیک: در این حالت، تقاضای بین هر دو نقطه از شبکه به صورت تابعی از زمان سفر یا هزینه بین آن دو منظور میشود. به طور سنتی بیشتر مطالعات موجود در ادبیات مسایلRNDP، با فرض تقاضای ثابت مدل سازی میشوند. به موازات این مدل‌های سنتی، مطالعاتی نیز هستند که طراحی شبکه را با فرض تقاضای متغیر بررسی می کند. فرض تقاضاهای سفر متغیر واقعیتر از فرض ثابت بودن آنهاست، زیرا با تغییر در طراحی شبکه مورد نظر، تقاضای سفر برای استفاده از خودرو یا سایر وسایلنقلیه شخصی به یک سطح جدید شیفت می یابد]8[. به طور مثال، ممکن است که با افزایش ازدحام در شبکه، افراد تمایل کمتری به استفاده از خودرو داشته باشند و به سوی سایر روش‌های حمل (مثلاً مترو) سوق یابند یا زمان‌های سفر غیرضروری را به زمان‌های دیگری غیر از ساعات ازدحام موکول کنند، یا این که از برخی سفرها به طور کلی صرفنظر کنند.
تقاضای تصادفی: در این حالت، تقاضای بین هر دو نقطه از یک تابع توزیع تصادفی پیروی میکند.
توابع هدف:
توابع زیر توابعی هستند که به طور عمومی در اکثر مطالعات استفاده شده اند، هر چند ممکن است که در مواردی اهداف دیگری نیز مطرح شوند.
کمینهسازی تابع هزینه سفر: در این حالت، کل هزینه سفر که عبارتست از مجموع حاصل ضرب جریان هر معبر در زمان یا هزینه مورد نیاز برای طی آن کمینه میشود. قریب به اتفاق مطالعات انجام شده در رابطه با طراحی شبکه حملونقل این تابع را در مساله منظور کردهاند.
بیشینهسازی ظرفیت ذخیره شبکه: مفهوم ظرفیت ذخیره شبکه برای اوخط بار به منظور اندازهگیری عملکرد و طراحی زمانبندی در تقاطعهای چراغ راهنمایی مطرح شد. به شیوهای مشابه، میتوان این مفهوم را در مورد مسایلRNDP برای پیش بینی میزان افزایش تقاضای قابل تحمل در شبکه پس از بهبود آن به کار برد. محاسبه ظرفیت ذخیره به این معنی است که با در نظر گرفتن یک تقاضای برآوردی ثابت برای شبکه، بیشترین افزایش قابل اعمال در تقاضای سفر در شبکه (به صورت ضریبی در کل ماتریس سفرها) محاسبه شود، به طوریکه جریان محاسبه شده معابر پس از افزایش تقاضا، از ظرفیت تعیین شده برای آنها بیشتر نشود.
بیشینهسازی مازاد مصرف: با فرض قابل تغییر بودن تقاضا در شبکه، کمینه سازی هزینه سفر برای مساله سطح بالاهدف مناسبی نیست. در این حالت، شکل قابل قبولتری از شبکه عبارتست از بیشینه سازی مازاد مصرف.
توابع هدف دیگر: به غیر از توابع هدف یادشده، از توابع دیگری نیز در برخی مطالعات استفاده شده اند که از آن جمله میتوان به مجموع هزینههای ایجاد و توسعه معابر، میزان مصرف سوخت، آلودگی هوا و مواردی مشابه اشاره کرد.
رویه تخصیص سفر (پیوست الف):
تخصیص سفر در قالب یک مساله سطح پایین تخصیص سفر تعادل کاربر.
تخصیص سفر در قالب یک مساله سطح پایین تخصیص سفر تعادل سیستم.
تخصیص سفر در قالب یک مساله سطح پایین تخصیص سفر تعادل کاربر تصادفی.
تخصیص سفر در قالب تخصیص همه یا هیچ.
مسایلRNDP عموماً با ورودیها و محدودیتهای زیر مطرح میشوند.به طور کلی، ورودیهای مسالهRNDP به شرح زیر هستند:
توپولوژی شبکه معابر شهری
میزان تقاضای سفر برآورد شده بین هر یک نقاط شبکه در واحد زمان تعیین شده
ویژگیهای معابر از قبیل ظرفیت، تعداد خطها، تابع زمان سفر آنها
مشخصات گزینههای نامزد برای بهبود شبکه
میزان بودجه در دسترس برای بهبود شبکه
حرکات مجاز در هر مرحله از مراحل تقاطع چراغ دار
محدودیتهایی که معمولاً در اینگونه مسایل مد نظر قرار میگیرند، بدین شرحند:
محدودیت های فنی:
محدودیتهای اتصال: باید بین هر مبدا-مقصد دست کم یک مسیر وجود داشته باشد.این محدودیت باعث میشود که از ایجاد شبکههای نامتصل جلوگیری شود.
محدودیت شبکه: به هر گره دست کم یک لینک وارد و دست کم یک لینک از آن خارج شود (در واقع، این دو محدودیت مانع از ایجاد یک شبکه ناهمبند می شوند).
کمینه و بیشینه زمان دور، زمان سبز، جریان و از این قبیل.
محدودیتهای خارجی: این محدودیتها کرانی را برای متغیرها تعیین میکنند. البته، این محدودیتها می توانند در مساله در نظر گرفته نشوند که این بستگی به ساختار مساله دارد.
محدودیت هزینه کل بهبود شبکه.
محدودیت حداکثر و حداقل افزایش ظرفیت قابل اعمال برای هر یک از معابر.
حداکثر سطح ایجاد انتشار آلودگی هوایی.
حداکثر سطح آلوگی صوتی.
محدودیت تخصیصی: این محدودیتها همواره در مسایلRNDP وجود دارند.
اثرات متقابل عرضه و تقاضا
بیشتر نبودن جریانهای عبوری از معابر از ظرفیت آنها که این محدودیت در مورد توابع هدف افزایش ظرفیت ذخیره کاربرد دارد.
بخش اعظم مطالعات صورت گرفته در رابطه با RNDP، مربوط به مسایلCNDP است. یکی از علتها برای گستردگی مطالعات در این زمینه، پیوستگی دامنه متغیرهاست که امکان به کارگیری رویههای مدل سازی و روشهای حل متفاوتتری را نسبت به سایر مسایل فراهم میآورد. اما در مورد مسایلDNDP در استفاده از روشهای حل معمول مسایل خصوصاً روشهای مبتنی بر مشتقگیری محدودیتهای زیادی وجود دارند. در هر حال، خود مسایل CNDP از نظر حجم محاسباتی مورد نیاز یکی از مشکلترین مسایل در علم حملونقل هستند. مسالهCNDP معمولاً در ادبیات با در نظر گرفتن افزایش ظرفیت معابر به صورت یک متغیر پیوسته است که برای هر یک معابر یک کران بالا و یک کران پایین برای میزان افزایش ظرفیت قابل اعمال تعریف میشود. در برخی از مطالعات نیز ترکیب این تصمیم با تنظیم چراغهای راهنمایی یا تعیین عوارض عبور از معابر مطرح میشود. اغلب مطالعات CNDP اقدام به توسعه روشهای مختلف برای حل مسالهکردهاند و تعریف مسایل مورد مطالعه اغلب مشابه است.
مطالعات انجام شده در زمینه مسایلDNDP نسبت به CNDP محدودتر هستند که همان گونه که قبلاً نیز اشاره شد، این امر به دلیل پیچیدگی مضاعف مساله ناشی از حضور متغیرهای گسسته است. بخشی از مطالعاتDNDP در قالب ادبیات کلاسیک مسایل RNDP میگنجد که از همان ابتدا و همزمان با CNDP مورد توجه محققان بوده است. متغیرهای عمده مورد بررسی در این مسایل متغیر ایجاد معابر جدید در شبکه و یا افزایش ظرفیت معابر موجود در قالب متغیرهای گسسته است، که اغلب به صورت متغیر صفر و یک، که نشانگر انتخاب یا عدم انتخاب پروژه بهبود است، مطرح میشوند. این تصمیمات به تنهایی یا در ترکیب با یکدیگر منظور میشوند. بخش دیگر مطالعات، جهت به معابر و تخصیص خطها در دو طرف معابر را به تنهایی و یا در ترکیب با یکدیگر بررسی می کنند. اغلب این مطالعات به جای تخصیص سفر تعادلی، از تخصیص سفر همه یا هیچ استفاده کرده اند. قریب به اتفاق روشهای حل مورد استفاده در مسایل DNDP از نوع ابتکاری یا بالا ابتکاری هستند.
سومین گروه از مسایل RNDPمسایل MNDP هستند. مطالعات انجام شده در این زمینه بسیار اندک است که اغلب آنها به دهه اخیر باز میگردد. تصمیمات مطرح در این مسایل ترکیبات متنوعی از تصمیماتCNDP و DNDP است. خلاصه مطالعات انجام شده در زمینه RNDP در REF _Ref269479900 h * MERGEFORMAT جدول ‏21آمده است.
در جدول 2-1، تقاضای ثابت با F، تقاضای الاستیک با E، تخصیص تعادل کاربر قطعی با DUE و تخصیص تعادل کاربر تصادفی با SUE نشان داده شدهاند.
جدول STYLEREF 1 s‏21- خلاصه مطالعات انجام شده در زمینه MNDPردیف نام مرجع متغیرهای تصمیم تقاضا مساله سطح پایین توابع هدف روشهای حل
پیوسته گسسته افزایش ظرفیت معابر موجود تنظیم چراغهای راهنمایی تعیین عوارض عبور از معابر یک طرفهکردن توالیهایی از معابر ایجاد معابر جدید یک طرفه کردن برخی از معابر تخصیص خطها در دو طرف معابر افزایش ظرفیت معابر 1 یانگ و بل ]14[ ● ● F DUE Enumeration Scheme with Other Methods
2 کانتارلا و همکاران ]15[ ● ● F DUE کمینه سازی هزینه کل سفرها Simulated Annealing, Tabu Search,
Genetic Algorithm,
Hybrid Metaheuristics
3 کانتارلا و ویتتا]16[ ● ● ● E DUE - کمینه سازی زمان کل و زمان سفر در پیادهروها
- کمینه سازی میزان خروج گاز مونوکسید کربن
- کمینه سازی تعداد کاربرانی که خارج از محدوده مقصد خودرو را پارک میکنند
- بیشینه سازی تعداد کاربرانی که به استفاده از حملونقل عمومی رو میآورند
- کمینه سازی کل زمان سفرها با حملونقل عمومی Genetic Algorithm
4 دمیتریو و همکاران]17[ ● ● E SUE بیشینهسازی سود Genetic Algorithm
5 ژانگ و گاوو ]18[ ● ● F DUE کمینهسازی هزینه کل سفرها G--ient Based with Penalty Function Method
6 گالو و همکاران ]19[ ● ● F DUE کمینهسازی هزینه کل سفرها Genetic Algorithm
7 لواسپ و همکاران]20[ ● ● F SUE کمینهسازی هزینه کل سفرها Cutting Constraint Algorithm
از آنجایی که محوریت مسایل مورد مطالعه در این پایان نامه، بهینهسازی سیگنال چراغ راهنما و یک طرفه یا دو طرفه کردن معابر در قالب ظرفیت ذخیره است، لذا ابتدا به تشریح و بررسی این مسایل پرداخته شده و سپس ارتباط آن با سایر مسایل مطرح در زمینه RNDPمورد تحلیل قرار خواهد گرفت. در نهایت مسایل طرح شده در این پایان نامه، با توجه به نوآوری و توسعههای قابل ارایه معرفی خواهند شد.
مسایل طراحی تنظیمات سیگنال(SSDP)طرحهای سیگنال ترافیکی از دو بخش تشکیل شداند. بخش اول تصمیمگیری درمورد حرکات مجاز در هر فاز است تا مانع درگیری و برخورد شود. این تصمیمها بر عهده متخصصین و مهندسین ترافیک است. بخش دیگر مربوط به زمان بندی سیگنال است که شامل تعیین زمان چرخه، نرخ موثر سبز و... است. زمان بندی سیگنال با هدف کاهش تاخیر در تقاطعها انجام میشود. در این پایان نامه، بر روی بهینهسازی زمان بندی نرخ موثر سبز کار میشود.
در شبکههای شهری بیشتر زمان سفر در تقاطعها (تاخیر) سپری میشود. از این رو، بهینهسازی تقاطعهای کنترلی میتواند عملکرد شبکه های حمل ونقل را بهبود بخشد. مساله بهینهسازی تنظیمات سیگنال یا مساله طراحی تنظیمات سیگنال نوع خاصی از مسایل NDP هستند که در آن تنظیمات سیگنال (تعداد فازها، طول دور، زمان موثر سبز و...) نقش متغیر تصمیم را دارند، در حالیکه ویژگیهای توپولوژیکی شبکه (پهنا، تعداد خط، جهت معابر و ...) در آنها ثابت هستند.
در مسایل طراحی تنظیمات سیگنال که یک مسالهNDP است، جریانها در معابر، متغیرها ضمنی هستند. طراحان نمیتوانند به طور مستقیم آنها را اصلاح کنند ولی میتوانند به طور غیر مستقیم با تغییر مقادیر متغیر تصمیم بر آنها اثر گذار باشند.
دو رویکرد کلی برای حل مسایل طراحی تنظیمات سیگنال وجو دارند که عبارتنداز:
رویکرد بهینهسازی موضعی.
رویکرد بهینهسازی سراسری.
در کارهای]15[،]21[،]49[و]50[ فرمولبندیهای کلی از مسایل طراحی تنظیمات سیگنال با توجه به دو رویکرد بالا موجودند.
می توان به مساله ترکیبی تخصیص سفر و تنظیم چراغ ها به صورت یک مساله طراحی شبکه دو سطحی نگریست، به نحوی که متغیر های تنظیم چراغها به عنوان یکی از متغیرهای سطح بالای مدل بررسی شود.تحقیقات زیادی در ارایه مدل و روشهای حل برای این نوع مساله دوسطحی طراحی شبکه ارایه شده اند.
رویکرد بهینه سازی موضعی]50[
روش بهینهسازی موضعی تنظیمات سیگنال در واقع یک روش حل متوالی تکراری بین مساله تخصیص تعادلی و بهینهسازی تنظیمات سیگنال است. این روش، با یک مقدار اولیه از تخصیص (جریان) شروع میشود و الگوریتم سعی میشود که با حل متوالی مساله تخصیص و مساله تنظیم سیگنال به یک جواب بهینه برسد. این تکرار تا رسیدن به همگرایی ادامه می یابد. در این روش هیچ تضمینی برای رسیدن به جواب بهینه وجود ندارد.
رویکرد بهینه سازی سراسری]50[
در روش بهینهسازی موضعی پارامتر های سیگنال هر تقاطع با توجه به کمینه سازی تابع هدف در هر تقاطع محاسبه میشوند، در حالی که در روش بهینهسازی سراسری تنظیمات سیگنال پارامترهای سیگنال و جریان از طریق کمینهسازی تابع هدف کل شبکه بدست میآیند. به دلیل استفاده از گرادیان در محاسبه جریان تعادلی در هر تقاطع، این روش به زمان محاسباتی بسیار بالا نیاز دارد. زمان محاسباتی برای مسایلی باحداکثر 10 تقاطع قابل قبول است، این روش برای مسایلی بزرگتر با توجه به زمان محاسباتی بالا کاربردی نیست.