تجسم داده های چند رسانه ای بر اساس شبکه های ارتباطی موقت و کاربرد آن در مدیریت بلایا

خلاصه

پس از زلزله های عظیم و سایر بلایای بزرگ مقیاس، زیرساخت های ارتباطی موجود ممکن است در دسترس نباشد و بنابراین، درک کامل تأثیر فاجعه بر منطقه آسیب دیده برای سازمان های امدادی بسیار دشوار است. در نتیجه، این امر سبب تأخیر در ارائه کمک های راهبردی و تأمین آب و غذا و غیره خواهد شد . به منظور حل مشکل ایجاد مجدد زیرساخت های ارتباطی به منظور امکان جمع آوری اطلاعات، ما یک اقدام موقت ایجاد کردیم.شبکه ارتباطات سیار برای مناطق آسیب دیده با استفاده از ZigBee. از آنجایی که سرعت ارتباط ZigBee کم است، ما یک روش فشرده‌سازی تصویر خاص برای تجسم داده‌های چند رسانه‌ای را پیشنهاد می‌کنیم. با استفاده از روش پیشنهادی همراه با اطلاعات GPS، می توان به سرعت وضعیت خسارت در منطقه را درک کرد. از طریق آزمایش‌های ارتباطی خود در شهر تسوکوبا، ژاپن، کارآمدی سیستم خود را به عنوان یک سیستم جمع‌آوری و مدیریت اطلاعات بلایای طبیعی تأیید می‌کنیم.

کلید واژه ها:

فاجعه ؛ سیستم ارتباطی ؛ کنترل اطلاعات

1. معرفی

هنگام وقوع بلایای بزرگ در مقیاس بزرگ، ارزیابی سریع خسارت بسیار مهم است. به خصوص در مراحل اولیه، به دلیل محدودیت تخصیص نیروی انسانی موجود، توسعه سریع استراتژی نجات بر اساس اطلاعات دقیق یک وظیفه کلیدی خواهد بود. به عنوان مثال، بلافاصله پس از زلزله بزرگ ژاپن شرقی در سال 2011، مردم نمی توانستند از سیستم های ارتباطی مانند تلفن همراه و اینترنت در مناطق آسیب دیده استفاده کنند. با این کمبود سیستم های ارتباطی، فرآیند تصمیم گیری تخصیص کمک و عملیات نجات مناسب به تعویق افتاد [ 1 ، 2 ، 3 ، 4 ]. در نتیجه، مواد اضطراری به اندازه کافی به برخی از مراکز تخلیه تحویل داده نشد.

در این سری از تحقیقات، یک سیستم مدیریت بلایا توسط Ishii و Kawamura [ 5 ] پیشنهاد شده است که اطلاعات بلایا را به صورت یکپارچه در مراکز کنترل از طریق شبکه‌های ad hoc جمع‌آوری و مدیریت می‌کند تا از تلاش‌های نجات، توزیع کالاهای امدادی حمایت کند. و غیره به طور مشخص، در صورت وقوع فاجعه، محققان یا داوطلبان پایانه‌های ZigBee را نصب می‌کنند (به شکل 1 برای مثال نگاه کنید) که در مراکز تخلیه یا سایر مکان‌های ذخیره امن در مناطقی با زیرساخت‌های ارتباطی قطع شده بلافاصله پس از وقوع یک فاجعه بزرگ ذخیره شده‌اند. . پس از نصب، به صورت موقتشبکه به صورت خودکار ساخته می شود. مکان این پایانه ها با روش تجزیه و تحلیل انتشار امواج رادیویی و روش قرارگیری بهینه که توسط Ishii و Kawamura [ 5 ] توسعه داده شد، تعیین می شود. محققانی که با کمک رایانه‌های شخصی یا PDA در حال بررسی آسیب‌ها هستند، می‌توانند اطلاعات را جمع‌آوری کرده و از طریق شبکه ZigBee ایجاد شده، این داده‌ها را به مرکز کنترل منتقل کنند. علاوه بر این، این امکان وجود دارد که اعضای جامعه آسیب دیده به تلاش های سازمان های امدادی حرفه ای بپیوندند و اطلاعات خود را با استفاده از رایانه شخصی یا PDA خود به اشتراک بگذارند.

شکل 1. ماژول ZigBee مورد استفاده در این مطالعه.

از طریق این پروژه تحقیقاتی بلندمدت، یک سیستم مدیریت اطلاعات بلایا ایجاد خواهد شد و سرعت ارتباط، در دسترس بودن آن و زمان نصب ترمینال بین مرکز کنترل و مراکز تخلیه ارزیابی خواهد شد. از آنجایی که استاندارد شبکه ارتباطی ZigBee به دلیل سرعت انتقال کم (256 کیلوبیت بر ثانیه) برای انتقال حجم زیادی از داده ها مانند داده های تصویری مناسب نیست، ما یک روش انتقال جدید را پیشنهاد می کنیم که ترکیبی از اطلاعات GPS و فشرده سازی فرمت PIC بهبود یافته است. که بر اطلاعات مکانی تمرکز دارد. در یک آزمایش دنیای واقعی، ما با استفاده از سیستم مدیریت اطلاعات بلایا پیشنهادی خود، اثربخشی و نسبت‌های فشرده‌سازی را ارزیابی می‌کنیم.

ساختار این مقاله به شرح زیر است. در فصل 2، ما یک نمای کلی از کل سیستم مدیریت اطلاعات بلایا ارائه می کنیم. سپس، روش خود را برای انتقال و دریافت نقشه ها در سیستم های ارتباطی کم سرعت در فصل 3 پیشنهاد می کنیم. در نهایت، در فصل 4 آزمایش های ارسال و دریافت داده ها را در شهر تسوکوبا، ژاپن شرح می دهیم.

2. سیستم های مدیریت اطلاعات بلایا

2.1. وضعیت فعلی مدیریت اطلاعات بلایا

در حال حاضر، سیستم‌های ارتباطی بی‌سیم چند کاناله (MCA) و Ushahidi به عنوان سیستم‌های مدیریت اطلاعات بلایا پس از بلایا به کار گرفته می‌شوند.

Ushahidi ( شکل 2 ، Watanabe و همکاران [ 6 ، 7]) سیستمی است که هنگام وقوع شورش در جریان انتخابات کنیا (2008) استفاده شد. این وب سرویس منبع باز برای به اشتراک گذاشتن اطلاعات در محل وقوع چنین حوادثی ایجاد شده است. به طور مشخص، کاربران می توانند اطلاعاتی مانند “در منطقه A شورش وجود دارد” یا “در منطقه B جنایت وجود دارد” را از طریق ایمیل ارسال کنند که سپس در بالای نقشه گوگل ظاهر می شود. همچنین برای کمک به جمع آوری اطلاعات موقعیتی در مورد اقدامات نظامی در نوار غزه (2009)، هائیتی (2010)، پس از زلزله و سونامی در ژاپن (2011)، برای نظارت بر انتخابات در هند و مکزیک (2009) و در موارد دیگر. هنگامی که زلزله بزرگ ژاپن شرقی رخ داد، سیستم مدیریت اطلاعات بلایا به نام “sinsai.info” که بر اساس Ushahidi ساخته شده است، نه تنها برای درک وضعیت منطقه فاجعه استفاده شد. بلکه برای جمع آوری و به اشتراک گذاری اطلاعات در مورد منابع آب، اطلاعیه های رسمی، اطلاعیه ها، اخبار و تماس های تخلیه. به سرعت در دسترس بود و افراد زیادی می‌توانستند با کمک تجسم اطلاعات آنلاین، وضعیت را درک کنند.از طریق ایمیل، پست‌ها در وب‌سایت‌ها و از طریق سرویس اشتراک‌گذاری اطلاعات توییتر امکان جمع‌آوری مداوم اطلاعات وجود داشت.

شکل 2. یک نمونه از سیستم مبتنی بر Ushahidi.

برخلاف وب سرویس Ushahidi، MCA (سیستم دسترسی چند کاناله) یک سیستم ارتباطی تجاری بی سیم است ( شکل 3 ). تعداد زیادی از کاربران سیستم را پشتیبانی می کند و می تواند از انواع کانال های رادیویی استفاده کند. این سیستم شامل یک “ایستگاه کنترل” است که بدنه عملیات نصب و مدیریت می کند و از “ایستگاه های فرمان” و “موبایل” که کاربران نصب و مدیریت می کنند تا ارتباط رادیویی بین واحدها برقرار شود. به عنوان مثال، این سیستم می تواند توسط دولت های محلی برای به اشتراک گذاشتن اطلاعات با آتش نشانان و پرسنل اورژانس استفاده شود، حتی اگر هر دو تیم از فناوری ارتباط بی سیم متفاوتی استفاده کنند.

شکل 3. یک نمونه از یک سیستم مبتنی بر سیستم دسترسی چند کاناله.

2.2. بررسی اجمالی سیستم کنترل بلایای پیشنهادی Zigbee

هنگامی که یک فاجعه در مقیاس بزرگ مانند زلزله بزرگ ژاپن شرقی رخ می دهد، آسیب می تواند آنقدر شدید باشد که ایستگاه های کنترل MCA و همچنین تلفن های ثابت، ایستگاه های تلفن همراه و غیره را از بین ببرد. در نتیجه، استفاده از آن می تواند دشوار شود . هر یک از دو سیستم مدیریت اطلاعات بلایا که در بالا توضیح داده شد. ما آن را یک نیاز ضروری برای سیستم‌های کنترل بلایا می‌دانیم که سیستم‌های ارتباطی بی‌سیم می‌توانند حتی در چنین شرایطی که به سختی زیرساخت‌های قبلی موجود است، کار کند.

در این پروژه تحقیقاتی بلندمدت، ما یک سیستم مدیریت اطلاعات بلایا را توسعه می‌دهیم که از استاندارد ارتباطی ZigBee ( http://www.zigbee.org/ ) استفاده می‌کند. شکل 4 جریان کلی سیستم پیشنهادی را نشان می دهد. سیستم مدیریت اطلاعات بلایا بر روی رایانه های شخصی واقع در مرکز کنترل و در مراکز تخلیه نصب می شود. این سیستم حاوی داده های GIS ( یعنی داده های نقشه جغرافیایی) است. جریان سازمانی سیستم پیشنهادی به شرح زیر است:

[مرحله ①] بلافاصله پس از فاجعه (مطابق با ① در شکل 4 )، تخصیص بهینه پایانه های ZigBee بین مرکز کنترل و مراکز تخلیه با استفاده از رایانه شخصی در مرکز کنترل محاسبه می شود.

[مرحله ②] نقشه ها با مرحله ① به روز می شوند (مطابق با ② در شکل 4 ).

[مرحله ③] شکل 5 “وضعیت موقعیت یابی ZigBee” را نشان می دهد. تجهیزات پایانه ارتباطی که توسط محققین حمل می شود دارای یک ماژول ارتباطی ZigBee و یک ماژول GPS (مرتبط با مربع قرمز در شکل 5 ) است. همچنین باید نقشه پوشش را با استفاده از رایانه شخصی یا PDA نمایش دهد (مطابق با ② در شکل 4 ). پایانه های ZigBee (فرض می شود که ظرف چند ساعت پس از فاجعه در تالار شهر یا مراکز تخلیه انبار شده اند) طبق ترتیب بهینه محاسبه شده (مطابق با ③ در شکل 4) در طول مسیر قرار می گیرند .

[مرحله ④] پس از استقرار پایانه‌های ZigBee، انتقال داده‌ها در سراسر شبکه ZigBee در محدوده‌هایی که بر روی نقشه دیجیتال تجسم شده‌اند در دسترس هستند (مطابق با ④ شکل 4 ) . پس از این نصب، این سیستم تا زمانی که باتری ها پس از چند ماه تمام شوند یا تا زمانی که ترمینال دوباره جمع آوری شود به کار خود ادامه می دهد.

شکل 4. فرآیند برقراری ارتباط بین مراکز: هنگامی که مراکز تخلیه ایجاد می شوند، شبکه ZigBee برنامه ریزی می شود، سپس گره های ZigBee ③ قرار می گیرند و می توان از شبکه ④ استفاده کرد.

شکل 5. صفحه نمایش سیستم پیشنهادی.

اطلاعات بلایا اطلاعاتی در مورد مواد مختلف مانند اطلاعات تامین آب، اطلاعیه های رسمی، اطلاعیه ها، اخبار و مکان مراکز تخلیه است. در مورد ما، اطلاعات فاجعه شامل داده های GPS و داده های متنی است که بر روی نقشه به صورت مربع آبی نمایش داده می شود. در سیستم ما، این متون (اطلاعات) در سمت راست نقشه به ترتیب زمانی نمایش داده می شوند و پس از انتخاب، اطلاعات مربوطه برجسته می شوند. علاوه بر این، اطلاعات GPS به عنوان تغییر رنگ از آبی به سبز (مرتبط با سبز شکل 5 ) برجسته می شود و متن مربوطه تا خط اول (مرتبط با زرد شکل 5) می آید.). اگر PDA یا رایانه شخصی به تازگی به این سیستم اضافه شده باشد یا آن سیستم پس از قطع موقت اتصال به شبکه مجدداً وصل شده باشد، با استفاده از “عملکرد درخواست به روز رسانی” می توان اطلاعات گمشده را به دست آورد.

2.2.1. شبکه ZigBee

ZigBee یکی از استانداردهای ارتباطی برای شبکه‌های حسگر بی‌سیم است و عمدتاً در کنترل ابزار دقیق استفاده می‌شود (به عنوان مثال، Kawamura و همکاران [ 2 ] را ببینید).

جدول 1 مقایسه ZigBee با سایر استانداردهای معمولی ارتباط بی سیم است. ZigBee با توجه به ویژگی هایی که دارد، برای مثال برای اتوماسیون ساختمان، اتوماسیون صنعتی و اتوماسیون خانگی مناسب است. علاوه بر این، ZigBee همچنین در قرائت کنتور اتوماتیک، در سیستم های امنیتی و در کنترل از راه دور استفاده می شود.

جدول 1. مقایسه استانداردهای ارتباطی مختلف.

ZigBee چهار مزیت زیر را برای سناریوی ما دارد:

(1): پشتیبانی از یک شبکه بزرگ

تا 65635 پایانه (“ZigBees”) را می توان برای تشکیل یک شبکه بی سیم پیکربندی کرد و پیکربندی می تواند مستقل از مکان و زمان انجام شود.
(2): شبکه Ad hoc

ایجاد یک شبکه ad hoc آسان است و ارتباطات پایدارتر را می توان با ارائه تراکم بالاتر پایانه ها در امتداد مسیرهای انتقال مورد نظر تحقق بخشید.
(3): مصرف برق کم

حفظ یک شبکه طولانی مدت با باتری ممکن است.
(4): کم هزینه

هزینه های پایانه های ZigBee کم است، بنابراین می توان با استفاده از تعداد زیادی از آنها، یک شبکه گسترده را پیکربندی کرد.

با معرفی اخیر بلوتوث کم انرژی (BLE) رقیبی برای ZigBee توسعه یافته است. در حالی که مصرف انرژی BLE به طور قابل توجهی کمتر از بلوتوث است، ویژگی های دیگر همچنان آن را برای اهداف ما نامناسب می کند (به عنوان مثال، Mohan و همکاران [ 8 ] و Baker [ 9 ] را ببینید). اول، BLE برای شبکه های کوچک و محلی طراحی شده است و معمولاً در توپولوژی های ستاره ای یا در اتصالات یک به یک تنظیم می شود. از طرف دیگر ZigBee معمولاً در شبکه‌های منطقه وسیع‌تر و در توپولوژی‌های مش اجرا می‌شود که در صورت خرابی گره‌ها به طور قابل توجهی قوی‌تر هستند. به همین دلیل است که تصمیم گرفتیم سیستم مدیریت اطلاعات بلایای خود را بر اساس ZigBee بسازیم.

با وجود این مزیت های مطلوب، ZigBee دارای نقطه ضعفی است که سرعت ارتباط نسبتاً پایینی را ارائه می دهد. در عمل این بدان معنی است که امکان ارسال و دریافت داده ها مانند داده های متنی برخی از کیلوبایت ها وجود دارد، اما ارسال و دریافت داده های چند رسانه ای برخی مگابایت ها دشوار است. برای جبران این مشکل، ما از یک ارتباط متنی سبک در سیستم حاضر استفاده می کنیم. برای انتقال داده های نقشه، ما به داده های فشرده شده قابل توجهی نیاز داریم.

2.2.2. روش آرایش بهینه و تجزیه و تحلیل انتشار امواج رادیویی

لازم است بلافاصله پس از فاجعه، شبکه در سریع ترین زمان ممکن ساخته شود. برای برقراری ارتباط بین مرکز کنترل و کلیه مراکز تخلیه، باید در مورد محل نصب پایانه های ZigBee تصمیم گیری کنیم. هنگام تصمیم گیری، ما باید مکان های جنگل و آب را در نظر بگیریم، زیرا این ها بر تضعیف سیگنال تأثیر می گذارند. همچنین نیاز به واکنش انعطاف پذیر به تغییرات در اطلاعات نقشه وجود دارد، زیرا سازه ها می توانند فرو بریزند و سونامی ها و زلزله ها می توانند جنگل ها را ریشه کن کنند. لازم است مقدار کمی از زمان محاسباتی برای تخمین انتشار امواج رادیویی سرمایه گذاری شود.

یک روش تجزیه و تحلیل انتشار امواج رادیویی که توسط Kawamura و همکاران توسعه داده شد. در این سیستم استفاده می شود. این روش از یک روش ردیابی متوالی استفاده می‌کند که انتقال را فقط در امتداد خط دید (بدون انتقال از طریق موانع، بازتاب‌ها و پراش) در نظر می‌گیرد تا پیچیدگی محاسباتی را کاهش دهد. تضعیف رادیویی برای انواع مختلف پوشش گیاهی تخمین زده می شود و نقشه های دیجیتال بر اساس GIS (سیستم اطلاعات جغرافیایی) برای به دست آوردن اطلاعات جغرافیایی در منطقه آسیب دیده ایجاد می شود (Ishii و Kawamura [5 ]]). این روش سپس توسط یک روش پرتاب پرتو تکراری استفاده می شود که حریصانه مرکز کنترل را با مکان های تخلیه وصل می کند. سپس مکان های پایانی در امتداد مسیرهای اتصالات شبیه سازی شده تعیین می شوند. از همین الگوریتم ها توسط مریدی و همکاران استفاده شده است. [ 10 ] در یک سیستم نظارت و ارتباط معادن.

3. انتقال و دریافت نقشه-داده در ارتباطات کم سرعت

می توان انتظار داشت که بلایای شدید اطلاعات جغرافیایی را تغییر دهد، به عنوان مثال، پوشش گیاهی تغییر می کند، همانطور که سازه های دست ساز تغییر می کنند. با این وجود، ضروری است که اعضای مردم و سازمان های امدادی بتوانند حتی زمانی که تغییرات اتفاق می افتد، ارتباط برقرار کنند. برای مقابله با چنین تغییراتی، سیستم ما انتشار امواج رادیویی را پیش‌بینی می‌کند و با استفاده از نقشه جدیدی که پس از فاجعه به‌دست می‌آید و به هر مرکز تخلیه ارسال می‌شود، آرایش بهینه را محاسبه می‌کند. شکل 6روش انتقال داده های نقشه پیشنهادی را نشان می دهد. داده های نقشه جدید بر اساس تصاویر ماهواره ای می تواند چند ساعت پس از یک فاجعه در دسترس باشد. بنابراین، این به ما امکان می‌دهد تا پایانه‌ها را بر اساس وضعیت موجود به‌طور بهینه ترتیب دهیم. محققینی که دارای رایانه شخصی یا PDA برای جمع‌آوری اطلاعات مربوط به بلایا هستند، به نقشه منطقه و همچنین تصویرسازی از محدوده موجود ارتباطات رادیویی نیاز دارند. بنابراین، یک اپراتور در یک مرکز تخلیه باید اطلاعات جغرافیایی به روز شده را ارسال کند (تصویر نقشه بیتی، ① در شکل 6 در مربع قرمز نقشه به روز شده توسط شخصی که در سایت حضور دارد نشان می دهد) بر اساس اطلاعات GPS به روز شده که از طریق رایانه های شخصی و رایانه های شخصی به دست می آید. تمام اطلاعات برای نقشه اصلاح شده ترکیب می شوند (② در شکل 6 نقشه اصلی را نشان می دهد، ③ درشکل 6 نقشه جدید را نشان می دهد).

شکل 6. روش به روز رسانی داده های نقشه.

در ابتدا، این تصویر نقشه یک بیت مپ خواهد بود و اندازه تصویر آن برای ارسال در شبکه های ارتباطی کم سرعت، مانند شبکه ZigBee، بسیار بزرگ است. بنابراین فشرده سازی تصویر ضروری است. در این فصل، ما یک روش جدید فشرده‌سازی تصویر ویژه مشکل را پیشنهاد می‌کنیم.

3.1. روش های فشرده سازی تصویر موجود

فرمت تصویر PIC را می توان برای تصاویری استفاده کرد که دارای مناطق بزرگ و پیوسته با رنگ های مشابه هستند، مانند نقشه هایی که اطلاعات جغرافیایی را نشان می دهند. روش ما از روش رمزگذاری طول اجرا PIC به جهت طولی (عمودی) استفاده می کند و دارای ویژگی تبدیل معکوس است. برای توصیف عمیق، کارلسون [ 11 ] را ببینید.

شکل 7 روش فشرده سازی تصویر توسط PIC را نشان می دهد. شکل 7 a وضعیت اصلی تصویر را نشان می دهد. اول از همه، تصویر برای هر پیکسل از سمت چپ بالا به سمت راست پایین خط به خط بررسی می شود. اگر رنگ یک پیکسل کاوشگر با برخی از پیکسل های بعدی یکی باشد، اطلاعات رنگ پیکسل بعدی حذف می شود. اگر رنگ پیکسل کاوشگر با برخی از پیکسل های بعدی متفاوت باشد، اطلاعات رنگ پیکسل بعدی حفظ می شود. این روند تا زمانی که به گوشه سمت راست پایین تصویر برسد تکرار می شود تا تمام نقاطی که رنگ تغییر می کند پیدا شود. پس از آن، تمام این نقاط از بالا به پایین تصویر “زنجیره” را تشکیل می دهند ( شکل 7، ■ و ▲). در مرحله فشرده سازی واقعی، فواصل بین نقاطی که رنگ ها تغییر می کنند، مانند خود رنگ و همچنین جهت زنجیره و افست ثبت می شود.

شکل 7. فرمت PIC. ( الف ) تصویر اصلی را نشان می دهد، ( ب ) سمت راست تکنیک فشرده سازی را مشخص می کند.

3.2. روش فشرده سازی تصویر پیشنهادی

روش پیشنهادی اقتباسی از روش PIC برای بهبود فشرده سازی برای سیستم های مدیریت اطلاعات مربوط به فاجعه است. تصاویر نقشه ها رنگ های کمی دارند زیرا رنگ ها تعداد کمی از دسته های اطلاعات جغرافیایی را نشان می دهند. مطابقت اطلاعات جغرافیایی و رنگ ها در یک پایگاه داده ذخیره می شود. از آنجایی که این پایگاه داده تغییر نمی کند، مرکز کنترل، مراکز تخلیه و بازرسان می توانند آن را از قبل به اشتراک بگذارند. در پایگاه داده، اطلاعات جغرافیایی و رنگ ها با استفاده از سه بیت رمزگذاری می شوند، به عنوان مثال، “000 = جاده، 001 = منطقه آب و غیره” .“. ما این روش فشرده سازی پیشنهادی را قالب GIM (تصویر اطلاعات جغرافیایی) می نامیم. در صورت نیاز به فشرده‌سازی بیشتر داده‌ها، تصاویر GIM را فقط به بخش اطراف محققان فعلی محدود می‌کنیم (اندازه داده‌های تصویر پیشنهادی 400 × 400 پیکسل است). ما این روش را GIMS-format (بخش GIM) می نامیم.

3.3. مقایسه روش های فشرده سازی تصویر

شکل 8 تصاویر نقشه را نشان می دهد که دارای چهار سطح مختلف از جزئیات هستند. ابتدا هر تصویر را با GIM، GIMS، PIC، GIF، PNG و JPEG با استفاده از Adobe Illustrator فشرده می کنیم. سپس اندازه داده های حاصل را با هم مقایسه می کنیم. اندازه داده های تصویر اصلی 28473 کیلوبایت (3006 × 2622 پیکسل، فرمت بیت مپ) است. توجه داشته باشید که در مورد فرمت GIMS، میانگین 9 برش 400 × 400 پیکسل از تصویر اصلی را گزارش می‌کنیم.

شکل 8. داده های تصویری استفاده شده. چهار شکل ( a – d ) بخش های نقشه را در چهار سطح مختلف از جزئیات نشان می دهد.

نتایج حاصل از فشرده سازی در جدول 2 نشان داده شده است . فرمت GIM و GIMS موثرترین روش های فشرده سازی هستند. اندازه حاصل از فرمت GIM تقریباً نیمی از فرمت های دیگر تصاویر است (به جز فرمت PIC) و حدود 0.6 برابر اندازه فرمت PIC است. به ویژه، هر چه مناطق بزرگتر از همان رنگ ها در تصاویر باشد، فشرده سازی موثرتر است. PIC برای تصاویری که مناطق کوچک زیادی با رنگ های مشابه دارند مؤثرتر است. این کارآیی فرمت GIM را برای تصاویری که مناطق زیادی هم رنگ دارند تکمیل می کند.

جدول 2. مقایسه روش های فشرده سازی، تعداد اندازه فایل ها در کیلوبایت است.

نشان داده شده است که تمام تصاویر را می توان با برش بخش های مهم به 4k بایت یا کمتر فشرده کرد. بنابراین، تقسیم تصاویر این امکان را فراهم می کند که تنها اطلاعات لازم نقشه را از طریق شبکه پرسرعت ZigBee منتقل کند.

4. آزمایش ارزیابی برای سیستم پیشنهادی

4.1. طرح کلی آزمایش ارزیابی

ما سه آزمایش را برای ارزیابی سیستم کنترل بلایای پیشنهادی انجام دادیم.

(1): به دنبال جریان سیستم، زمان برای محاسبه مکان های بهینه چهار پایانه ZigBee اندازه گیری می شود.
(2): آزمایش‌کنندگان اطلاعات مربوط به فاجعه را در 20 نقطه مختلف ارسال و دریافت می‌کنند. در هر نقطه، سرعت ارتباط و کیفیت ارتباط اندازه‌گیری شد.
(3): سپس، آزمایش‌کنندگان با استفاده از اطلاعات جی‌پی‌اس، اطلاعات نقشه جدیدی را در مورد مجاورت خود از یک مرکز کنترل دریافت می‌کنند و آن را به روز می‌کنند. پس از آن، برد جدید ارتباط رادیویی محاسبه و تجسم می شود.

منطقه مورد بررسی برای نصب پایانه های ZigBee 800 × 500 متر در اطراف Kasuga 4-chome شهر Tsukuba، ژاپن است. شکل 9 آرایش بهینه محاسبه شده پایانه های ZigBee را نشان می دهد. در آزمایش اول، چهار پایانه ZigBee قرار داده شد. زمانی که آزمایشگر پایانه ها را قرار می داد، زمان اندازه گیری شد.

شکل 9. شکل طرح قرار دادن.

در آزمایش دوم، داده های ارسالی و دریافتی شامل داده های GPS و “یک نقطه آزمایش ارتباطی + تعداد نقطه” است. داده ها از طریق شبکه ZigBee از یک رایانه شخصی در یک مرکز تخلیه به رایانه شخصی در مرکز کنترل منتقل شد. علاوه بر این، زمان مورد نیاز برای ارسال داده‌های متنی با استفاده از ساعت‌های همگام‌سازی شده در هر دو رایانه اندازه‌گیری شد. با مقایسه مهرهای زمانی پیام ها با زمان رایانه دریافت کننده، می توانیم زمان های ارسال را محاسبه کنیم. علاوه بر این، ما یک سناریوی خاص (و احتمالی) را در این آزمایش دوم در نظر می‌گیریم: در یکی از 20 اندازه‌گیری، یک محقق منطقه با پوشش شبکه ZigBee را در حین بررسی (به طور تصادفی یا عمدی) ترک می‌کند و سپس به داخل ZigBee تحت پوشش باز می‌گردد. حوزه. برای این سناریو،

در آزمایش سوم، تصویر نقشه تنها در اطراف یک محقق (آزمایشگر) بریده شد و داده های نقشه در مرکز تخلیه فشرده شد. تصویر فشرده شده به مرکز کنترل ارسال شد و فشرده نشد. این فرآیند پنج بار در نقاط مختلف انجام شد. همانطور که در بخش 3 ، اندازه تصویر اصلی 3006 × 2622 پیکسل بود، در حالی که تصاویر به اندازه 400 × 400 پیکسل برای فرمت GIMS برش داده شدند.

4.2. نتایج آزمایش ارزیابی

در این بخش، نتایج مطالعه خود در شهر تسوکوبا، ژاپن را شرح می دهیم. در این مطالعه، زمان راه‌اندازی مورد نیاز را اندازه‌گیری کردیم، در دسترس بودن و سرعت شبکه ZigBee خود را اندازه‌گیری کردیم، و اطلاعات جغرافیایی را به صورت محلی و مرکزی به‌روزرسانی کردیم.

4.2.1. زمان نصب و آماده سازی

زمان شروع آزمایش 13:40 و نصب و آماده سازی سیستم در ساعت 14:12 به پایان رسید. در این تقریباً 30 دقیقه، چهار پایانه ZigBee (از جمله مرکز کنترل) مطابق با آرایش بهینه محاسبه شده با رایانه شخصی در یک مرکز تخلیه قرار گرفتند. بر اساس نتایج یک آزمایش قبلی در این منطقه، فرض شد که یک نفر می تواند 0.4 کیلومتر مربع منطقه را در 30 دقیقه پوشش دهد (بررسی ⁾ . ما می‌توانیم از این اعداد برای تخمین منابع مورد نیاز در یک فاجعه واقعی در مقیاس بزرگ استفاده کنیم: اگر منطقه مسکونی شهر تسوکوبا (241.07 کیلومتر مربع ⁾ با یک فاجعه مواجه شود، تنها 100 نفر (هر کدام 24 ZigBees) نیاز دارند تا پوشش کامل را با سیستم پیشنهادی ما ظرف سه ساعت ایجاد کنید.

4.2.2. در دسترس بودن ارتباطات

شکل 10 نتایج ارسال و دریافت داده های چندرسانه ای را در 20 نقطه نشان می دهد. 19 نقطه در داخل پوشش ارتباطات ZigBee و یک نقطه “خارج از محدوده” همانطور که در بالا توضیح داده شد قرار داشت. در 13 نقطه ( شکل 10 ، اعداد در زمینه سفید) از 19 نقطه، دریافت داده ها امکان پذیر بود. در شش نقطه دیگر ( شکل 10 ، اعداد روی پس‌زمینه قرمز)، ارتباط ناموفق بود. بین این نقاط ساختمان ها یا مناطق مرتفعی وجود دارد ( شکل 10، اعداد 8، 10، 12، 14، 16). دلایل این خرابی ها احتمالاً پراش امواج رادیویی است. از آنجایی که انعکاس، پراش و نفوذ امواج رادیویی در هنگام تخمین میرایی امواج رادیویی در نظر گرفته نشد، در صورتی که در آن لحظه تعداد زیادی ساختمان وجود داشته باشد، خطای تخمین بزرگ خواهد بود. داده‌های به‌دست‌آمده توسط آزمایش‌گر در نقطه 15 ( شکل 10 ، مربع زرد) هنگام مشاهده ذخیره شد و پس از ورود آزمایشگر به داخل پوشش شبکه ZigBee ارسال شد. پس از آن، داده های ذخیره شده در مرکز کنترل دریافت شد. این یک اثبات موفقیت‌آمیز بر این مفهوم بود که یک محقق می‌تواند در حالی که خارج از محدوده ارتباطی است، داده‌ها را جمع‌آوری کند و پس از ورود دوباره به محدوده ارتباطی، این داده‌ها را به اشتراک بگذارد.

شکل 10. نتایج تجربی وضعیت ارتباط.

4.2.3. سرعت ارتباط

شکل 11 سرعت ارتباط را در هر نقطه نشان می دهد. سرعت ارتباط در حالی اندازه گیری شد که داده ها از یک مرکز تخلیه به مرکز کنترل در هر نقطه منتقل می شد. برای جلوگیری از تقسیم یک تصویر به دو مجموعه داده، تصاویر در فواصل زمانی 300 میلی ثانیه ارسال و دریافت شدند. بسیاری از نتایج بدون توجه به فاصله بین نقطه اندازه گیری شده و مرکز کنترل و صرف نظر از اینکه داده ها از چند پایانه عبور کرده اند، در حدود 300 میلی ثانیه متمرکز شده اند. جالب توجه است، در سه نقطه ( شکل 11 ، اعداد 5، 11، 17)، نتایج حدود 700 میلی ثانیه است. این به این معنی است که اولین ارسال یا گیرنده با شکست مواجه شد، بنابراین داده ها برای بار دوم ارسال شدند. بنابراین، زمان ارتباط حاصل به تقریباً 300 × 2 (ms) افزایش یافت.

شکل 11. نتایج تجربی آزمون های سرعت ارتباط.

4.2.4. ارسال و دریافت به روز رسانی داده های جغرافیایی

شکل 12 روند به روز رسانی اطلاعات جغرافیایی (به روز رسانی تصویر) با رایانه شخصی در یک مرکز تخلیه را نشان می دهد. ① در شکل 12 توسط یک محقق پس از یک فاجعه به مرکز کنترل ارسال می شود، و ② در شکل 12 یک تصویر ذخیره شده قبل از یک فاجعه در یک مرکز تخلیه است. ③ در شکل 12 در مرکز تخلیه از ② به ① فقط در اطراف مکان GPS محققان به روز رسانی شده است. ④ در شکل 12 نتیجه پیش بینی انتشار امواج رادیویی را بر اساس نقشه قدیمی قبل از فاجعه و ⑤ در شکل 12 نشان می دهد.نتیجه آن را بر اساس نقشه به روز شده پس از فاجعه نشان می دهد. تنها استفاده از اطلاعات جغرافیایی در اطراف یک محقق، اندازه داده های ارسالی را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد. علاوه بر این، محققین می‌دانند که بر اساس پیش‌بینی پوشش به‌روز شده کجا برای برقراری ارتباط بروند، بنابراین می‌توانند به راحتی اطلاعات مربوط به فاجعه را دریافت و انتقال دهند.

شکل 12. نتایج تجربی ارسال و دریافت به روز رسانی داده های جغرافیایی.

5. نتیجه گیری ها

در این مقاله، ما یک سیستم ارتباط بی‌سیم ZigBee را توصیف و ارزیابی کردیم که می‌تواند برای جمع‌آوری سریع اطلاعات و هماهنگ کردن تلاش‌ها در زمانی که شبکه‌های ارتباطی موجود در دسترس نیستند، استفاده شود.

ما فرمت GIM را برای اطلاعات جغرافیایی پیشنهاد کردیم و آن را با سایر روش‌های فشرده‌سازی تصویر مقایسه کردیم. اندازه تصاویر فشرده شده با فرمت GIM تقریباً نیمی از آنهایی است که توسط فرمت های دیگر تولید می شود (به جز فرمت PIC). به ویژه، هنگامی که تصاویر دارای مناطق وسیعی از رنگ های یکسان هستند (همانطور که در مورد داده های جغرافیایی وجود دارد)، فشرده سازی بسیار مؤثر است. علاوه بر این، ما نشان دادیم که اندازه فایل را می توان با محدود کردن ابعاد تصویر به ناحیه مورد نظر در اطراف مکان GPS محقق کاهش داد.

از طریق آزمایش‌های گسترده در شهر تسوکوبا، تأیید کردیم که سیستم ارتباطی پیشنهادی ما می‌تواند برای جمع‌آوری اطلاعات مربوط به فاجعه و ارسال آن داده‌ها به مرکز کنترل مورد استفاده قرار گیرد، که سپس می‌تواند نقشه را برای همه محققان به‌روزرسانی کند.

علاوه بر این، آزمایش انتقال و دریافت داده های نقشه ثابت کرد که این روش برای شبکه ارتباطی کم سرعت پایانه های ZigBee موثر است.

برای نتیجه‌گیری، سیستم کنترل بلایا پیشنهادی می‌تواند یک زیرساخت ارتباطی جایگزین باشد زمانی که زیرساخت‌های موجود توسط یک فاجعه بزرگ آسیب دیده است. استفاده از این سیستم حتی برای افراد عادی نیز آسان است، که به افراد آسیب دیده این امکان را می دهد تا به سازمان های حرفه ای در تلاش های امدادی اضطراری خود کمک کنند.

منابع

سوگیت، اچ. فوکوتا، تی. تامورا، تی. یوکوی، تی. هارا، ت. کاشیما، تی. آزوهاتا، تی. شیباساکی، بی. Yagi, Y. IISEE-NET: شبکه اطلاعاتی برای کاهش بلایای زلزله کشورهای در حال توسعه. در بولتن موسسه بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله ; موسسه تحقیقات ساختمان: ایباراکی، ژاپن، 2003; صص 137-143. [ Google Scholar ]
کاوامورا، ی. دوان، ا. ونندال، بی. شیبویا، تی. هایاشی، م. کیتاهارا، آی. نوبوهارا، ح. Ishii, K. استفاده از GIS برای توسعه یک شبکه ارتباطات سیار برای مناطق آسیب دیده از بلایا. بین المللی جی دیجیت. زمین 2014 ، 7 ، 279-293. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
کاوامورا، ی. ایشی، ک. جانگ، اچ. واگنر، ام. نوبوهارا، ح. دوان، ا. ونندال، بی. Kitahara، I. تجزیه و تحلیل انتشار امواج رادیویی در یک محیط شهری و کاربرد آن برای پشتیبانی اولیه واکنش در بلایا. جی دیس. Res. 2015 ، 10 ، 655-666. [ Google Scholar ]
ناکاهاتا، ی. Kawamura، Y. توسعه سیستم مشاهده لغزش با استفاده از ZigBee. در مجموعه مقالات کنفرانس سالانه انجمن مهندسین ابزار و کنترل 2010 (SICE)، تایپه، تایوان، 18 تا 21 اوت 2010. صص 1191-1194.
ایشی، ک. Kawamura، Y. تجزیه و تحلیل انتشار امواج رادیویی در یک محیط شهری و کاربرد آن در پشتیبانی اولیه واکنش به بلایا. در مجموعه مقالات کنفرانس سالانه انجمن مهندسین ابزار و کنترل 2010 (SICE)، تایپه، تایوان، 18 تا 21 اوت 2010. صص 1195–1198.
واتانابه، ن. Uno، K. استفاده از وب حسگر و بستر اطلاعات مکانی به عنوان یک اقدام حمایتی برای نظارت بر کار میدانی. Rep. Inst. علمی فنی Res. 2011 ، 23 ، 62-66. [ Google Scholar ]
واتانابه، ک. Ichikawa, T. مطالعه سیستم تبادل اطلاعات برای فردی که در زمان فاجعه زلزله نیاز به مراقبت دارد. SIG Tech. Rep. 2006 , 92 , 25-29. [ Google Scholar ]
موهان، م. جورج، ن. فناوری دیویس، دی. بین المللی J. Adv. Res. محاسبه کنید. علمی 2014 ، 5 ، 261-265. [ Google Scholar ]
نقاط قوت و ضعف Baker، N. ZigBee و بلوتوث برای کاربردهای صنعتی. محاسبه کنید. کنترل انجین. J. 2005 ، 16 ، 20-25. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
مریدی، م. کاوامورا، ی. شریف زاده، م. چاندا، EK; واگنر، ام. جانگ، اچ. Okawa، H. توسعه سیستم نظارت و ارتباط معادن زیرزمینی یکپارچه ZigBee و GIS. بین المللی J. Min. علمی تکنولوژی 2015 ، در دست چاپ. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
کارلسون، ما بررسی فرمت‌های رمزگذاری تصویر گرافیکی کامپیوتری و فرمت‌های ذخیره‌سازی. محاسبه کنید. نمودار. 1991 ، 25 ، 67-75. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]

© 2015 توسط نویسندگان; دارنده مجوز MDPI، بازل، سوئیس. این مقاله یک مقاله با دسترسی آزاد است که تحت شرایط و ضوابط مجوز Creative Commons Attribution (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) توزیع شده است.

;کاربردهای GIS مقالات

درخواست مشاوره

09120049370

8 صبح تا 12 شب