چکیدهدر سالهای اخیر استفاده ازشبکه های حسگر بیسیم زیر آب(UWSN)[1] برای بدست آوردن اطلاعات دقیق از دریاها و اقیانوسها توجه بسیاری از محققان را به خود جلب نموده است. در انجام ماموریتهای زیرآبی میتوان از تیمی از زیرآبیهای خودمختار[2](AUVs) استفاده نمود. این تجهیزات مجهز به انواع حسگرها جهت جمعآوری داده در محیط زیر آب میباشند. با استفاده از تکنیکهای هوش مصنوعی میتوان آنها را هوشمند نمود تا بدون نیاز به دخالت و کنترل انسانی عملیات مورد نظر خود را انجام دهند. ماموریت اصلی شبکههای حسگر بیسیم نظارت اهداف و کشف وقوع رویداد است. به واسطهی خاصیت تصادفی رویدادها و پارامترهای محیط، نقاط مورد توجه[3]در محیط، باید توسط حسگرها پوشش داده شود تا رویدادها مشاهده و گزارش داده شوند. کنترل توپولوژی مشخصکنندهی نحوهی ارتباطات حسگرها در شبکه و میزان پوشش ناحیهی مورد سنجش توسط حسگرها است. محیط زیر آب به صورت پویا تغییر میکند. بنابراین در محیطزیرآب استفاده از رویکرد متمرکز برای کنترل توپولوژی مناسب نیست. پهنای باند ارتباطی محدود و نرخ خطای بیتی بالا در ارتباطات زیر آب میتواند منجر به محدودیت اطلاعات کسب شده توسط آنها از محیط اطرافشان گردد.در این پایان نامه، یک الگوریتم کنترل توپولوژی توزیع شده با هدف حداکثرسازی پوشش POIها توسط AUVها، در محیط سه بعدی زیر آب ارائه شده است. این الگوریتم هر AUV را توانمند میسازد که به صورت مستقل سرعت و جهت حرکت خود را بر اساس اطلاعاتی که از همسایگانش به دست میآورد، تعیین نماید. کنترل توپولوژی ارائه شده بر مبنای الگوریتم ژنتیک است. هر AUV بهترین حرکت بعدی را در هر گام با اجرای الگوریتم ژنتیک به صورت مستقل به دست میآورد. در تابع برازندگی این الگوریتم، از یک تحلیل آماری برای میانگین درجهی همسایگی با هدف تعیین حد بالای تعداد همسایگان یک AUV استفاده شده است. نتایج این پایان نامه نشان میدهد، با محدود کردن تعداد همسایگان AUVها در محیط، POIها به میزان بیشتری پوشش داده میشوند. موثر بودن الگوریتم ارائه شده با معیارهای مختلفی مانند میزان پوششPOIها، زمان استقرار[4]، میانگین مسافت طی شده [5]و میانگین درجهی همسایگی [6]مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج نشان میدهد که الگوریتم ارائه شده در زمان کوتاهی به میزان مطلوبی از پوشش POIهادر محیط میرسد. همچنین نشان داده شده، شبکهی متشکل از AUVها، میتوانند به صورت پویا خود را با شرایط از دست دادن چند AUV وفق دهند و به حداکثر پوشش مطلوب POIها در محیط دست یابند. همچنین ابهام در تشخیص دقیق موقعیت AUVمانع همگرایی و پوشش مناسب در محیط نشده است و تنها نیاز است آنها مسافت بیشتری را تا رسیدن به همگرایی طی نمایند.کلمات کلیدی: شبکه حسگر بیسیم زیر آب، کنترل توپولوژی سه بعدی، زیرآبی های خود مختار، الگوریتم ژنتیک، هوش مصنوعی توزیع شده. لیست مقالات مستخرج از پایان نامه[1] Zahra Amiri, Ali A. Pouyan, Hoda mashayekhi, “An Intelligent Distributed Topology Control Strategy for Autonomous Underwater Robots” "Computer Networks", Elsevier (Under review)]2[زهرا امیری، علی اکبر پویان، هدی مشایخی(1393)، "مکانیسمی هوشمند برای کنترل توپولوژی رباتهای زیرآبی خودمختار با استفاده از الگوریتم ژنتیک"، اولین همایش ملی توسعه پایدار دریا محور، خرمشهر، ایران]3[زهرا امیری، علی اکبر پویان، هدی مشایخی(1393)، "کنترل توپولوژی توزیع شده برای شبکه ای از زیرآبی های خودمختار"، اولين كنفرانس ملی اقتصاد، مدیریت و حسابداری، تهران، ایران فهرست مطالبفصل اول: مقدمه و کلیات.. 11-1- مقدمهای بر شبکه های حسگر بیسیم زیرآب.. 21-1-1- چالش های طراحی شبکه های حسگر بیسیم زیر آب.. 31-2- تعاریف ، فرضیات و ضرورت مسئله.. 31-2-1- تعاریف.. 41-2-2- فرضیات تحقیق.. 41-2-3- ضرورت تحقیق.. 51-3- هدف و نحوه رویکرد پژوهش.. 71-4- ساختار پایان نامه.. 8فصل دوم: ادبیات موضوع و بررسی پژوهش های مرتبط.. 112-1- مقدمه.. 122-2- امواج صوتی و محدویت های آن.. 122-3- اجزاء شبکه حسگر بیسیم زیرآب.. 162-4- معماری هایارتباطی شبکه های حسگر بیسیم زیرآب.. 182-4-1- شبکه های حسگر زیرآبی دوبعدی ایستا برای نظارت کف اقیانوس.. 182-4-2- شبکه های حسگر زیرآب سه بعدی ایستا برای نظارت ستونی اقیانوس.. 192-4-3- شبکه سه بعدیبا استفاده از زیرآبی های خود مختار 202-5- کنترل توپولوژی.. 212-6- پوشش شبکه.. 222-6-1- پوشش سراسری.. 222-6-2- پوشش مانعی.. 232-6-3- پوشش جاروبی.. 242-7- اتصال شبکه.. 252-8- دستیابی همزمان به پوشش و اتصال شبکه.. 262-9- الگوریتم ژنتیک و کاربرد آن در کنترل توپولوژی.. 282-9-1- مفاهیم اولیه در الگوریتم ژنتیک.. 282-9-2- کاربرد الگوریتم ژنتیک در شبکه حسگر و کنترل توپولوژی 30فصل سوم: روش پیشنهادی.. 333-1- مقدمه.. 343-2- کنترل توپولوژی با هدف پوشش سراسری.. 343-2-1- ساختار کروموزوم ها.. 353-2-2- تابع برازندگی.. 373-2-3- عملگر انتخاب.. 393-2-4- عملگر تلفیق.. 413-2-5- عملگر جهش.. 423-2-6- تحلیلی آماری برای محاسبه میانگین درجهی همسایگی 423-2-7- روند کلی.. 443-3- کنترل توپولوژی با هدف پوشش حفاظتیاز یک شئ.. 453-3-1- تابع برازندگی.. 453-3-2- تحلیل آماری برای محاسبه میانگین درجه ی همسایگی 463-4- کنترل توپولوژی با هدف حفاظتاز یک ورودی.. 463-4-1- تابع برازندگی.. 473-4-2- تحلیل آماری برای محاسبه میانگین درجه ی همسایگی 47فصل چهارم: پیادهسازی و ارزیابی نتایج.. 494-1- مقدمه.. 504-2- معرفی شبیهساز Aqua-Sim.. 504-3- معرفی معیارهای بررسی کارایی سیستم.. 514-3-1- پوشش حجمی نرمال شده.. 524-3-2- میانگین مسافت طی شده (ADT)524-3-3- میانگین درجهی همسایگی (AND)534-3-4- زمان استقرار(DT).. 534-4- نتایج کنترل توپولوژی با هدف پوشش سراسری.. 544-4-1- آزمایش اول (به دست آوردن تعداد مناسب AUVها برای حداکثرسازی پوشش سراسری).. 544-4-2- آزمایش دوم (مقایسه ی استفاده و عدم استفاده از میانگین درجه همسایگی).. 564-4-3- آزمایش سوم (تاثیر از کار افتادن چند AUV).. 614-4-4- آزمایش چهارم (تاثیر خطای مکان یابی گرهها).. 664-4-5- آزمایش پنجم (تاثیر کاهش حرکت AUVها در هر گام) 694-4-5- آزمایش ششم (مقایسه روشهای پیشنهادی با روش قبلی) 714-5- نتایج کنترل توپولوژی با هدف پوشش حفاظتیاز یک شئ 734-5-1- آزمایش اول (به دست آوردن تعداد مناسب AUVها برای محافظت شئ).. 734-5-2- آزمایش دوم (محافظت از یک شئ).. 754-6- نتایج کنترل توپولوژی با هدف پوشش حفاظتیاز یک درگاه 794-6-1- آزمایش اول (محافظت از یک درگاه).. 79فصل پنجم: نتیجهگیری و پیشنهادات.. 835-1- نتیجه گیری.. 845-2- پیشنهادات.. 85فهرست منابع.. 86 فهرست شکل هاشکل 2-1-شبکه حسگر بیسیم زیر آب دوبعدی.. 19شکل 2-2-شبکه حسگر بیسیم زیر آب سه بعدی.. 20شکل 2-3- شبکه حسگر بیسیم زیر آب سه بعدی با استفاده از AUVها 21شکل 2-4-نمونه ای از پوشش سراسری حسگرها.. 23شکل 2-5- پوشش مانعی الف)پوشش مانعی ضعیف ب)پوشش مانعی قوی 24شکل 2-6- نمونه ای از پوشش مانعی در فضای 3 بعدی.. 24شکل 2-7-نمونه ای از پوشش جاروبی.. 25شکل 2-8-طبقه بندی مسائل کنترل توپولوژی.. 26شکل 2-9- الگوی استقرار مبنی بر نوار برای رسیدن به پوشش و اتصال 2 تایی. 27شکل 2-10- چهار الگوی استقرار معروف حسگرها در محیط. (a) شش گوشه، (b) مربع، (c) متوازی الاضلاع و (d) شبکه مثلثی (با مثلث متساوی الاضلاع). 27شکل 2-11- فلوچارت الگوریتم ژنتیک.. 30شکل 3-1- محافظت چند AUV از یک ناحیه.. 35شکل 3-2- مدل حرکتی AUVها در فضای 3 بعدی.. 35شکل 3-3- ساختار کروموزوم.. 36شکل 3-4-فاصله ی مطلوب یک گره از همسایگانش.. 37شکل 3-5-انتخاب به روش چرخ رولت.. 39شکل 3-6-انتخاب به روش تورنتمنت.. 40شکل 3-7-عملگر ترکیب دو نقطه ای.. 41شکل 3-8- نمودار درجه میانگین همسایگی نسبت به محدوده ارتباطی و تعداد گره ها.. 43شکل 3-9- محافظت از یک شی توسط چند AUV.. 45شکل 4-1- ارتباط Aqua-sim با سایر بسته ها در NS2. 51شکل 4-2- میانگین درصد حجمی به دست آمده نسبت به تعداد AUVها در محیط 56شکل 4-3-موضع گیری اولیه AUVها در محیط (آزمایش 1).. 57شکل 4-4-موضع گیری AUVها در محیط پس از اجرای شبیه سازی (الف) بدون کنترل درجه (ب) با کنترل درجه.. 58شکل 4-5- نمودار پوشش حجمی نرمال شده (الف) بدون کنترل درجه (ب) با کنترل درجه.. 58شکل 4-6- میانگین درجه همسایگی نسبت به گام زمانی (الف) بدون کنترل درجه (ب) با کنترل درجه.. 59شکل 4-7-میانگین مسافت طی شده نسبت به گام زمانی (الف) بدون کنترل درجه (ب) با کنترل درجه.. 60شکل 4-8-میانگین بهترین برازندگی گره ها نسبت به گام زمانی (الف) بدون کنترل درجه (ب) با کنترل درجه.. 61شکل 4-9- قرارگیری AUVها در محیط پس از شبیه سازی (از کار افتادن چند AUV).. 63شکل 4-10- نمودار پوشش حجمی نرمال شده نسبت به گام زمانی ( از کار افتادن چند AUV).. 64شکل 4-11- میانگین مسافت طی شده گره ها نسبت به گام زمانی( از کار افتادن چند AUV).. 64شکل 4-12- میانگین درجه همسایگی گره ها نسبت به گام های زمانی( از کار افتادن چند AUV).. 65شکل 4-13- قرارگیری AUVها در محیط پس از شبیه سازی )خطای مکان یابی(66شکل 4-14-نمودار پوشش حجمی نرمال شده نسبت به گام زمانی (خطای مکان یابی) 67شکل 4-15- میانگین مسافت طی شده گره ها نسبت به گام زمانی (خطای مکان یابی).. 68شکل 4-16- میانگین درجه همسایگی گره ها نسبت به گام های زمانی (خطای مکان یابی).. 68شکل 4-17- میانگین مسافت طی شده نسبت به گام زمانی در دو حالت ، 1=Pm و 0.7=Pm.. 71شکل 4-18- پوشش حجمی نرمال شده نسبت به گام زمانی زمانی در دو حالت ، 1=Pm و 0.7=Pm.. 71شکل 4-19- میانگین مسافت طی شده نسبت به گام زمانی (مقایسه ی روش ها) 72شکل 4-20- پوشش حجمی نرمال شده نسبت به گام زمانی زمانی (مقایسه ی روش ها).. 72شکل 4-21- میانگین درصد حجمی به دست آمده نسبت به تعداد AUVها در محیط (محافظت از یک شئ).. 75شکل 4-22- موضع گیری AUVها در محیط پس از اجزای شبیه سازی (محافظت از یک شئ).. 76شکل 4-23- پوشش حجمی نرمال شده نسبت به گام زمانی (محافظت از یک شئ) 77شکل 4-24- میانگین مسافت طی شده گرهها نسبت به گام زمانی (محافظت از یک شئ).. 77شکل 4-25- میانگین درجه همسایگی گره ها نسبت به گام های زمانی(محافظت از یک شئ).. 78شکل 4-26- بهترین برازندگی گرهها نسبت به گام زمانی (محافظت از یک شئ) 79شکل 4-27- موضع گیری AUVها در محیط پس از اجزای شبیه سازی (محافظت از یک درگاه). الف- نمای سه بعدی ب- نمای دو بعدی.. 80شکل 4-28- پوشش حجمی نرمال شده نسبت به گام زمانی (محافظت از یک درگاه) 81شکل 4-29- میانگین مسافت طی شده گرهها نسبت به گام زمانی (محافظت از یک درگاه).. 81شکل 4-30- میانگین درجه همسایگی گره ها نسبت به گام های زمانی(محافظت از یک درگاه).. 82 فهرست جداولجدول 2-1- مقایسهی سه تکنولوژی برای ارتباطات زیر آب.. 13جدول 2-2-تاثیر فاصله پهنای باند در امواج صوتی.. 16جدول 4-1- پارامترهای مورد نیاز در الگوریتم ژنتیک.. 54جدول 4-2- پارامترها (به دست آوردن تعداد مناسب AUVها برای حداکثرسازی پوشش سراسری).. 55جدول 4-3-میانگین درصد پوشش حجمی نرمال شده نسبت به تعداد AUV ها در محیط.. 55جدول 4-4- پارامترهای مورد استفاده (مقایسه ی استفاده و عدم استفاده از میانگین درجه همسایگی).. 56جدول 4-5- مقادیر حاصل از ارزیابی آزمایش مقایسه کنترل و عدم کنترل درجه همسایگی.. 60جدول 4-6-پارامترها (تاثیر از کار افتادن چند AUV ).. 62جدول 4-7- مقادیر حاصل از ارزیابی آزمایش سوم (از کار افتادن 4 AUV) 65جدول 4-8- مقادیر حاصل از ارزیابی آزمایش چهارم (خطای مکان یابی) 69جدول 4-9- پارامترها (به دست آوردن تعداد مناسب AUVها برای محافظت شئ ) 73جدول 4-10- میانگین درصد پوشش حجمی نرمال شده نسبت به تعداد AUV ها در محیط.. 74جدول 4-11-پارامترها (محافظت از یک شئ).. 75جدول 4-12- مقادیر حاصل از ارزیابی آزمایش پوشش حفاظتی.. 78جدول 4-13- پارامترها (محافظت از یک درگاه).. 79جدول 4-14- مقادیر حاصل از ارزیابی آزمایش پوشش حفاظتی.. 82 فصل اول: مقدمه و کلیاتشبکههای حسگر بیسیم زیر آب[7](UWSN)، شبکهای متشکل از حسگرها هستند. این حسگرها در محیط زیرآب به منظور جمعآوری دادههای محیطی قرار میگیرند و از امواج صوتی برای برقراری ارتباط استفاده میکنند. شبکهی حسگر بیسیم زیر آب جهت بررسی آلودگیهای اقیانوسها، بررسی مناطق محتمل برای وجود نفت و گاز، بررسی زمین لرزههای زیرآب، بررسی وجود ماهیها و مراقبت بر عبور زیردریاییها و شناورها استفاده میشود.استفاده تیمی از زیرآبیهای خودمختار[8](AUVs)مجهز به حسگر، برای پیدا کردن منابع و دستیابی به اطلاعات جایگاه خود را در بسیاری از کاربردها یافته است [1]، [2]، [3]. AUVها توانایی حرکت در همهی جهات در محیط سه بعدی زیر آب را دارند [4]. جهت دستیابی به عملیات مورد نظر، آنها میتوانند برطبق برنامهریزی از قبل مشخصشده عمل نمایند.این روش محدودیتهایی از جملهعدم توانایی در روبرو شدن با حالات پیشبینی نشده، دارد. با استفاده از تکنیکهای هوش مصنوعی میتوان آنها را هوشمند نمود تا بدون نیاز به دخالت و کنترل انسانی عملیات مورد نظر خود را انجام دهند [5] و محدویتهای فوق را برطرف نمایند. مزایای زیادی برای استفاده از تیمی از AUVها در انجام عملیات مشخص در مقایسه با استفاده از یک AUVوجود دارد. تیم تحت تاثیر از کار افتادن یک AUVنمیشود و یا حداقل عملکرد سیستم به تدریج کاهش خواهد یافت. زمان کلی ماموریت کاهش خواهد یافت و باعث صرفهجویی در هزینه خواهد بود [6]. در شبکههای حسگر بیسیم زیر آب رسانه انتقال آب است. مناسبترین شیوه ارتباطی در محیط زیرآب استفاده از امواج صوتی[9]است [7].امواج صوتی در زیرآب قابلیت شنیده شدن را دارند. صدای موجها، قایقها، کشتیهاو غیره با وضوح مشخصی حتی در فواصل دور قابل شنیدهشدن است. صوت در آب بسیار موثرتر از هوا حرکت میکند. امواج صوتی برای ارتباطات زیرآب گزینهی بهتری نسبت به امواج الکترومغناطیسی و نوری هستند. در این شبکهها چالشهایی وجود دارد که در ادامه به بررسی اجمالی آن خواهیم پرداخت. چالش های عمده در طراحی UWSN عبارتند از [7]: قبل از بیان مسئله مورد نظر این پایان نامه در شبکههای حسگر بیسیم زیرآب، لازم است تا اشارهای به تعاریف و فرضیات و ضرورت موجود در این تحقیق داشته باشیم. 1-2-1- تعاریفقبل از بیان مسئله واژگانی وجود دارد که نیاز به تعریف آنها است. 1-2-2- فرضیات تحقیق 1-2-3- ضرورت تحقیقکاربردهای مختلف از UWSNها، نیازمندهای مخصوص به خود مانند نوع خدمات، کیفیت خدمات[19]، طول عمر[20]، مقیاسپذیری[21] و غیره را دارد. مکانیسمهای نوآورانه در شبکههای ارتباطی باید پاسخگو به این نیازمندیها باشند. نحوهی اتصالات و پوشش در ناحیه، دو عنصر از عناصر کلیدی در شبکههای حسگر بیسیم هستند. در شبکههای حسگر هرچه درجهی یک گره بیشتر باشد، پروتکل دسترسی به رسانه[22] بار بیشتری را متحمل میشود [9]. درجه گره باید محدود باشد. یک گره با درجهی بالا احتمال زیادی وجود دارد که مانند یک تنگراه[23] در گراف ارتباطات عمل نماید [10]. با مدیریت اتصالات میتوان میزان تداخلات ترافیکی را کاهش داد [9]. در کاربردهای حفاظتی- نظارتی از یک محیط، کیفیت خدمات وابسته به نحوهی قرارگیری و میزان پوشش POIها توسط گرهها است. با کاهش درجه گرهها، میتوان میزان پوشش در محیط را افزایش داد [11]. کنترل توپولوژی یکی از تکنیکهای مهم در UWSN برای مدیریت نحوهی اتصالات و چینش گرهها در محیط است، که در این پایان نامه به آن پرداخته شده است.در بسیاری از زمینههای تحقیقاتی شبکههای زیر آب نیاز است که گرههایحسگر به نحوی در محیط چینش یابند که POIها در فضای سه بعدی شبکه حداقل در محدوده حس کردن یک حسگر باشد. بنابراین نحوهی چینش و قرارگیری حسگرها در محیط برای دستیابی به اهداف بعدی خود یکی از مسائل حیاتی در این شبکهها میباشد. این اهداف میتواند شامل مواردی مانند شناسایی و ردیابی هدف [12] و حفاظت از یک کشتی و یا حفاظت از یک درگاه ورودی در زیر دریا باشد [4]. بسیاری از الگوریتمهای کنترل توپولوژی برای شبکههای حسگر زمینی در محیط دو بعدی ارائه شدهاند در حالی که این الگوریتمها برای محیط سه بعدی زیرآب مناسب نیستند. رویکردهای مختلف کنترل توپولوژی را میتوان بر اساس خصوصیات مختلف طبقهبندی کرد. یکی از این مشخصهها نحوهی ایجاد توپولوژی شبکه است. ایجاد توپولوژی شبکه میتواند به صورت توزیعشده و یا متمرکز باشد. در رویکرد متمرکز کنترل توپولوژی برای تیمی از گرههای متحرک، محدودیتهایی وجود دارد. در ادامه این محدودیت ها بیان شده است.
ارتباط بین ربات های شبکه ای در موقعیت های جستجوی زیر آب WORD
چکیدهدر سالهای اخیر استفاده ازشبکه های حسگر بیسیم زیر آب(UWSN)[1] برای بدست آوردن اطلاعات دقیق از دریاها و اقیانوسها توجه بسیاری از محققان را به خود جلب نموده است. در انجام ماموریتهای زیرآبی میتوان از تیمی از زیرآبیهای خودمختار[2](AUVs) استفاده نمود. این تجهیزات مجهز به انواع حسگرها جهت جمعآوری داده در محیط زیر آب میباشند. با استفاده از تکنیکهای هوش مصنوعی میتوان آنها را هوشمند نمود تا بدون نیاز به دخالت و کنترل انسانی عملیات مورد نظر خود را انجام دهند. ماموریت اصلی شبکههای حسگر بیسیم نظارت اهداف و کشف وقوع رویداد است. به واسطهی خاصیت تصادفی رویدادها و پارامترهای محیط، نقاط مورد توجه[3]در محیط، باید توسط حسگرها پوشش داده شود تا رویدادها مشاهده و گزارش داده شوند. کنترل توپولوژی مشخصکنندهی نحوهی ارتباطات حسگرها در شبکه و میزان پوشش ناحیهی مورد سنجش توسط حسگرها است. محیط زیر آب به صورت پویا تغییر میکند. بنابراین در محیطزیرآب استفاده از رویکرد متمرکز برای کنترل توپولوژی مناسب نیست. پهنای باند ارتباطی محدود و نرخ خطای بیتی بالا در ارتباطات زیر آب میتواند منجر به محدودیت اطلاعات کسب شده توسط آنها از محیط اطرافشان گردد.در این پایان نامه، یک الگوریتم کنترل توپولوژی توزیع شده با هدف حداکثرسازی پوشش POIها توسط AUVها، در محیط سه بعدی زیر آب ارائه شده است. این الگوریتم هر AUV را توانمند میسازد که به صورت مستقل سرعت و جهت حرکت خود را بر اساس اطلاعاتی که از همسایگانش به دست میآورد، تعیین نماید. کنترل توپولوژی ارائه شده بر مبنای الگوریتم ژنتیک است. هر AUV بهترین حرکت بعدی را در هر گام با اجرای الگوریتم ژنتیک به صورت مستقل به دست میآورد. در تابع برازندگی این الگوریتم، از یک تحلیل آماری برای میانگین درجهی همسایگی با هدف تعیین حد بالای تعداد همسایگان یک AUV استفاده شده است. نتایج این پایان نامه نشان میدهد، با محدود کردن تعداد همسایگان AUVها در محیط، POIها به میزان بیشتری پوشش داده میشوند. موثر بودن الگوریتم ارائه شده با معیارهای مختلفی مانند میزان پوششPOIها، زمان استقرار[4]، میانگین مسافت طی شده [5]و میانگین درجهی همسایگی [6]مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج نشان میدهد که الگوریتم ارائه شده در زمان کوتاهی به میزان مطلوبی از پوشش POIهادر محیط میرسد. همچنین نشان داده شده، شبکهی متشکل از AUVها، میتوانند به صورت پویا خود را با شرایط از دست دادن چند AUV وفق دهند و به حداکثر پوشش مطلوب POIها در محیط دست یابند. همچنین ابهام در تشخیص دقیق موقعیت AUVمانع همگرایی و پوشش مناسب در محیط نشده است و تنها نیاز است آنها مسافت بیشتری را تا رسیدن به همگرایی طی نمایند.کلمات کلیدی: شبکه حسگر بیسیم زیر آب، کنترل توپولوژی سه بعدی، زیرآبی های خود مختار، الگوریتم ژنتیک، هوش مصنوعی توزیع شده. لیست مقالات مستخرج از پایان نامه[1] Zahra Amiri, Ali A. Pouyan, Hoda mashayekhi, “An Intelligent Distributed Topology Control Strategy for Autonomous Underwater Robots” "Computer Networks", Elsevier (Under review)]2[زهرا امیری، علی اکبر پویان، هدی مشایخی(1393)، "مکانیسمی هوشمند برای کنترل توپولوژی رباتهای زیرآبی خودمختار با استفاده از الگوریتم ژنتیک"، اولین همایش ملی توسعه پایدار دریا محور، خرمشهر، ایران]3[زهرا امیری، علی اکبر پویان، هدی مشایخی(1393)، "کنترل توپولوژی توزیع شده برای شبکه ای از زیرآبی های خودمختار"، اولين كنفرانس ملی اقتصاد، مدیریت و حسابداری، تهران، ایران فهرست مطالبفصل اول: مقدمه و کلیات.. 11-1- مقدمهای بر شبکه های حسگر بیسیم زیرآب.. 21-1-1- چالش های طراحی شبکه های حسگر بیسیم زیر آب.. 31-2- تعاریف ، فرضیات و ضرورت مسئله.. 31-2-1- تعاریف.. 41-2-2- فرضیات تحقیق.. 41-2-3- ضرورت تحقیق.. 51-3- هدف و نحوه رویکرد پژوهش.. 71-4- ساختار پایان نامه.. 8فصل دوم: ادبیات موضوع و بررسی پژوهش های مرتبط.. 112-1- مقدمه.. 122-2- امواج صوتی و محدویت های آن.. 122-3- اجزاء شبکه حسگر بیسیم زیرآب.. 162-4- معماری هایارتباطی شبکه های حسگر بیسیم زیرآب.. 182-4-1- شبکه های حسگر زیرآبی دوبعدی ایستا برای نظارت کف اقیانوس.. 182-4-2- شبکه های حسگر زیرآب سه بعدی ایستا برای نظارت ستونی اقیانوس.. 192-4-3- شبکه سه بعدیبا استفاده از زیرآبی های خود مختار 202-5- کنترل توپولوژی.. 212-6- پوشش شبکه.. 222-6-1- پوشش سراسری.. 222-6-2- پوشش مانعی.. 232-6-3- پوشش جاروبی.. 242-7- اتصال شبکه.. 252-8- دستیابی همزمان به پوشش و اتصال شبکه.. 262-9- الگوریتم ژنتیک و کاربرد آن در کنترل توپولوژی.. 282-9-1- مفاهیم اولیه در الگوریتم ژنتیک.. 282-9-2- کاربرد الگوریتم ژنتیک در شبکه حسگر و کنترل توپولوژی 30فصل سوم: روش پیشنهادی.. 333-1- مقدمه.. 343-2- کنترل توپولوژی با هدف پوشش سراسری.. 343-2-1- ساختار کروموزوم ها.. 353-2-2- تابع برازندگی.. 373-2-3- عملگر انتخاب.. 393-2-4- عملگر تلفیق.. 413-2-5- عملگر جهش.. 423-2-6- تحلیلی آماری برای محاسبه میانگین درجهی همسایگی 423-2-7- روند کلی.. 443-3- کنترل توپولوژی با هدف پوشش حفاظتیاز یک شئ.. 453-3-1- تابع برازندگی.. 453-3-2- تحلیل آماری برای محاسبه میانگین درجه ی همسایگی 463-4- کنترل توپولوژی با هدف حفاظتاز یک ورودی.. 463-4-1- تابع برازندگی.. 473-4-2- تحلیل آماری برای محاسبه میانگین درجه ی همسایگی 47فصل چهارم: پیادهسازی و ارزیابی نتایج.. 494-1- مقدمه.. 504-2- معرفی شبیهساز Aqua-Sim.. 504-3- معرفی معیارهای بررسی کارایی سیستم.. 514-3-1- پوشش حجمی نرمال شده.. 524-3-2- میانگین مسافت طی شده (ADT)524-3-3- میانگین درجهی همسایگی (AND)534-3-4- زمان استقرار(DT).. 534-4- نتایج کنترل توپولوژی با هدف پوشش سراسری.. 544-4-1- آزمایش اول (به دست آوردن تعداد مناسب AUVها برای حداکثرسازی پوشش سراسری).. 544-4-2- آزمایش دوم (مقایسه ی استفاده و عدم استفاده از میانگین درجه همسایگی).. 564-4-3- آزمایش سوم (تاثیر از کار افتادن چند AUV).. 614-4-4- آزمایش چهارم (تاثیر خطای مکان یابی گرهها).. 664-4-5- آزمایش پنجم (تاثیر کاهش حرکت AUVها در هر گام) 694-4-5- آزمایش ششم (مقایسه روشهای پیشنهادی با روش قبلی) 714-5- نتایج کنترل توپولوژی با هدف پوشش حفاظتیاز یک شئ 734-5-1- آزمایش اول (به دست آوردن تعداد مناسب AUVها برای محافظت شئ).. 734-5-2- آزمایش دوم (محافظت از یک شئ).. 754-6- نتایج کنترل توپولوژی با هدف پوشش حفاظتیاز یک درگاه 794-6-1- آزمایش اول (محافظت از یک درگاه).. 79فصل پنجم: نتیجهگیری و پیشنهادات.. 835-1- نتیجه گیری.. 845-2- پیشنهادات.. 85فهرست منابع.. 86 فهرست شکل هاشکل 2-1-شبکه حسگر بیسیم زیر آب دوبعدی.. 19شکل 2-2-شبکه حسگر بیسیم زیر آب سه بعدی.. 20شکل 2-3- شبکه حسگر بیسیم زیر آب سه بعدی با استفاده از AUVها 21شکل 2-4-نمونه ای از پوشش سراسری حسگرها.. 23شکل 2-5- پوشش مانعی الف)پوشش مانعی ضعیف ب)پوشش مانعی قوی 24شکل 2-6- نمونه ای از پوشش مانعی در فضای 3 بعدی.. 24شکل 2-7-نمونه ای از پوشش جاروبی.. 25شکل 2-8-طبقه بندی مسائل کنترل توپولوژی.. 26شکل 2-9- الگوی استقرار مبنی بر نوار برای رسیدن به پوشش و اتصال 2 تایی. 27شکل 2-10- چهار الگوی استقرار معروف حسگرها در محیط. (a) شش گوشه، (b) مربع، (c) متوازی الاضلاع و (d) شبکه مثلثی (با مثلث متساوی الاضلاع). 27شکل 2-11- فلوچارت الگوریتم ژنتیک.. 30شکل 3-1- محافظت چند AUV از یک ناحیه.. 35شکل 3-2- مدل حرکتی AUVها در فضای 3 بعدی.. 35شکل 3-3- ساختار کروموزوم.. 36شکل 3-4-فاصله ی مطلوب یک گره از همسایگانش.. 37شکل 3-5-انتخاب به روش چرخ رولت.. 39شکل 3-6-انتخاب به روش تورنتمنت.. 40شکل 3-7-عملگر ترکیب دو نقطه ای.. 41شکل 3-8- نمودار درجه میانگین همسایگی نسبت به محدوده ارتباطی و تعداد گره ها.. 43شکل 3-9- محافظت از یک شی توسط چند AUV.. 45شکل 4-1- ارتباط Aqua-sim با سایر بسته ها در NS2. 51شکل 4-2- میانگین درصد حجمی به دست آمده نسبت به تعداد AUVها در محیط 56شکل 4-3-موضع گیری اولیه AUVها در محیط (آزمایش 1).. 57شکل 4-4-موضع گیری AUVها در محیط پس از اجرای شبیه سازی (الف) بدون کنترل درجه (ب) با کنترل درجه.. 58شکل 4-5- نمودار پوشش حجمی نرمال شده (الف) بدون کنترل درجه (ب) با کنترل درجه.. 58شکل 4-6- میانگین درجه همسایگی نسبت به گام زمانی (الف) بدون کنترل درجه (ب) با کنترل درجه.. 59شکل 4-7-میانگین مسافت طی شده نسبت به گام زمانی (الف) بدون کنترل درجه (ب) با کنترل درجه.. 60شکل 4-8-میانگین بهترین برازندگی گره ها نسبت به گام زمانی (الف) بدون کنترل درجه (ب) با کنترل درجه.. 61شکل 4-9- قرارگیری AUVها در محیط پس از شبیه سازی (از کار افتادن چند AUV).. 63شکل 4-10- نمودار پوشش حجمی نرمال شده نسبت به گام زمانی ( از کار افتادن چند AUV).. 64شکل 4-11- میانگین مسافت طی شده گره ها نسبت به گام زمانی( از کار افتادن چند AUV).. 64شکل 4-12- میانگین درجه همسایگی گره ها نسبت به گام های زمانی( از کار افتادن چند AUV).. 65شکل 4-13- قرارگیری AUVها در محیط پس از شبیه سازی )خطای مکان یابی(66شکل 4-14-نمودار پوشش حجمی نرمال شده نسبت به گام زمانی (خطای مکان یابی) 67شکل 4-15- میانگین مسافت طی شده گره ها نسبت به گام زمانی (خطای مکان یابی).. 68شکل 4-16- میانگین درجه همسایگی گره ها نسبت به گام های زمانی (خطای مکان یابی).. 68شکل 4-17- میانگین مسافت طی شده نسبت به گام زمانی در دو حالت ، 1=Pm و 0.7=Pm.. 71شکل 4-18- پوشش حجمی نرمال شده نسبت به گام زمانی زمانی در دو حالت ، 1=Pm و 0.7=Pm.. 71شکل 4-19- میانگین مسافت طی شده نسبت به گام زمانی (مقایسه ی روش ها) 72شکل 4-20- پوشش حجمی نرمال شده نسبت به گام زمانی زمانی (مقایسه ی روش ها).. 72شکل 4-21- میانگین درصد حجمی به دست آمده نسبت به تعداد AUVها در محیط (محافظت از یک شئ).. 75شکل 4-22- موضع گیری AUVها در محیط پس از اجزای شبیه سازی (محافظت از یک شئ).. 76شکل 4-23- پوشش حجمی نرمال شده نسبت به گام زمانی (محافظت از یک شئ) 77شکل 4-24- میانگین مسافت طی شده گرهها نسبت به گام زمانی (محافظت از یک شئ).. 77شکل 4-25- میانگین درجه همسایگی گره ها نسبت به گام های زمانی(محافظت از یک شئ).. 78شکل 4-26- بهترین برازندگی گرهها نسبت به گام زمانی (محافظت از یک شئ) 79شکل 4-27- موضع گیری AUVها در محیط پس از اجزای شبیه سازی (محافظت از یک درگاه). الف- نمای سه بعدی ب- نمای دو بعدی.. 80شکل 4-28- پوشش حجمی نرمال شده نسبت به گام زمانی (محافظت از یک درگاه) 81شکل 4-29- میانگین مسافت طی شده گرهها نسبت به گام زمانی (محافظت از یک درگاه).. 81شکل 4-30- میانگین درجه همسایگی گره ها نسبت به گام های زمانی(محافظت از یک درگاه).. 82 فهرست جداولجدول 2-1- مقایسهی سه تکنولوژی برای ارتباطات زیر آب.. 13جدول 2-2-تاثیر فاصله پهنای باند در امواج صوتی.. 16جدول 4-1- پارامترهای مورد نیاز در الگوریتم ژنتیک.. 54جدول 4-2- پارامترها (به دست آوردن تعداد مناسب AUVها برای حداکثرسازی پوشش سراسری).. 55جدول 4-3-میانگین درصد پوشش حجمی نرمال شده نسبت به تعداد AUV ها در محیط.. 55جدول 4-4- پارامترهای مورد استفاده (مقایسه ی استفاده و عدم استفاده از میانگین درجه همسایگی).. 56جدول 4-5- مقادیر حاصل از ارزیابی آزمایش مقایسه کنترل و عدم کنترل درجه همسایگی.. 60جدول 4-6-پارامترها (تاثیر از کار افتادن چند AUV ).. 62جدول 4-7- مقادیر حاصل از ارزیابی آزمایش سوم (از کار افتادن 4 AUV) 65جدول 4-8- مقادیر حاصل از ارزیابی آزمایش چهارم (خطای مکان یابی) 69جدول 4-9- پارامترها (به دست آوردن تعداد مناسب AUVها برای محافظت شئ ) 73جدول 4-10- میانگین درصد پوشش حجمی نرمال شده نسبت به تعداد AUV ها در محیط.. 74جدول 4-11-پارامترها (محافظت از یک شئ).. 75جدول 4-12- مقادیر حاصل از ارزیابی آزمایش پوشش حفاظتی.. 78جدول 4-13- پارامترها (محافظت از یک درگاه).. 79جدول 4-14- مقادیر حاصل از ارزیابی آزمایش پوشش حفاظتی.. 82 فصل اول: مقدمه و کلیاتشبکههای حسگر بیسیم زیر آب[7](UWSN)، شبکهای متشکل از حسگرها هستند. این حسگرها در محیط زیرآب به منظور جمعآوری دادههای محیطی قرار میگیرند و از امواج صوتی برای برقراری ارتباط استفاده میکنند. شبکهی حسگر بیسیم زیر آب جهت بررسی آلودگیهای اقیانوسها، بررسی مناطق محتمل برای وجود نفت و گاز، بررسی زمین لرزههای زیرآب، بررسی وجود ماهیها و مراقبت بر عبور زیردریاییها و شناورها استفاده میشود.استفاده تیمی از زیرآبیهای خودمختار[8](AUVs)مجهز به حسگر، برای پیدا کردن منابع و دستیابی به اطلاعات جایگاه خود را در بسیاری از کاربردها یافته است [1]، [2]، [3]. AUVها توانایی حرکت در همهی جهات در محیط سه بعدی زیر آب را دارند [4]. جهت دستیابی به عملیات مورد نظر، آنها میتوانند برطبق برنامهریزی از قبل مشخصشده عمل نمایند.این روش محدودیتهایی از جملهعدم توانایی در روبرو شدن با حالات پیشبینی نشده، دارد. با استفاده از تکنیکهای هوش مصنوعی میتوان آنها را هوشمند نمود تا بدون نیاز به دخالت و کنترل انسانی عملیات مورد نظر خود را انجام دهند [5] و محدویتهای فوق را برطرف نمایند. مزایای زیادی برای استفاده از تیمی از AUVها در انجام عملیات مشخص در مقایسه با استفاده از یک AUVوجود دارد. تیم تحت تاثیر از کار افتادن یک AUVنمیشود و یا حداقل عملکرد سیستم به تدریج کاهش خواهد یافت. زمان کلی ماموریت کاهش خواهد یافت و باعث صرفهجویی در هزینه خواهد بود [6]. در شبکههای حسگر بیسیم زیر آب رسانه انتقال آب است. مناسبترین شیوه ارتباطی در محیط زیرآب استفاده از امواج صوتی[9]است [7].امواج صوتی در زیرآب قابلیت شنیده شدن را دارند. صدای موجها، قایقها، کشتیهاو غیره با وضوح مشخصی حتی در فواصل دور قابل شنیدهشدن است. صوت در آب بسیار موثرتر از هوا حرکت میکند. امواج صوتی برای ارتباطات زیرآب گزینهی بهتری نسبت به امواج الکترومغناطیسی و نوری هستند. در این شبکهها چالشهایی وجود دارد که در ادامه به بررسی اجمالی آن خواهیم پرداخت. چالش های عمده در طراحی UWSN عبارتند از [7]: قبل از بیان مسئله مورد نظر این پایان نامه در شبکههای حسگر بیسیم زیرآب، لازم است تا اشارهای به تعاریف و فرضیات و ضرورت موجود در این تحقیق داشته باشیم. 1-2-1- تعاریفقبل از بیان مسئله واژگانی وجود دارد که نیاز به تعریف آنها است. 1-2-2- فرضیات تحقیق 1-2-3- ضرورت تحقیقکاربردهای مختلف از UWSNها، نیازمندهای مخصوص به خود مانند نوع خدمات، کیفیت خدمات[19]، طول عمر[20]، مقیاسپذیری[21] و غیره را دارد. مکانیسمهای نوآورانه در شبکههای ارتباطی باید پاسخگو به این نیازمندیها باشند. نحوهی اتصالات و پوشش در ناحیه، دو عنصر از عناصر کلیدی در شبکههای حسگر بیسیم هستند. در شبکههای حسگر هرچه درجهی یک گره بیشتر باشد، پروتکل دسترسی به رسانه[22] بار بیشتری را متحمل میشود [9]. درجه گره باید محدود باشد. یک گره با درجهی بالا احتمال زیادی وجود دارد که مانند یک تنگراه[23] در گراف ارتباطات عمل نماید [10]. با مدیریت اتصالات میتوان میزان تداخلات ترافیکی را کاهش داد [9]. در کاربردهای حفاظتی- نظارتی از یک محیط، کیفیت خدمات وابسته به نحوهی قرارگیری و میزان پوشش POIها توسط گرهها است. با کاهش درجه گرهها، میتوان میزان پوشش در محیط را افزایش داد [11]. کنترل توپولوژی یکی از تکنیکهای مهم در UWSN برای مدیریت نحوهی اتصالات و چینش گرهها در محیط است، که در این پایان نامه به آن پرداخته شده است.در بسیاری از زمینههای تحقیقاتی شبکههای زیر آب نیاز است که گرههایحسگر به نحوی در محیط چینش یابند که POIها در فضای سه بعدی شبکه حداقل در محدوده حس کردن یک حسگر باشد. بنابراین نحوهی چینش و قرارگیری حسگرها در محیط برای دستیابی به اهداف بعدی خود یکی از مسائل حیاتی در این شبکهها میباشد. این اهداف میتواند شامل مواردی مانند شناسایی و ردیابی هدف [12] و حفاظت از یک کشتی و یا حفاظت از یک درگاه ورودی در زیر دریا باشد [4]. بسیاری از الگوریتمهای کنترل توپولوژی برای شبکههای حسگر زمینی در محیط دو بعدی ارائه شدهاند در حالی که این الگوریتمها برای محیط سه بعدی زیرآب مناسب نیستند. رویکردهای مختلف کنترل توپولوژی را میتوان بر اساس خصوصیات مختلف طبقهبندی کرد. یکی از این مشخصهها نحوهی ایجاد توپولوژی شبکه است. ایجاد توپولوژی شبکه میتواند به صورت توزیعشده و یا متمرکز باشد. در رویکرد متمرکز کنترل توپولوژی برای تیمی از گرههای متحرک، محدودیتهایی وجود دارد. در ادامه این محدودیت ها بیان شده است.