CC BY
29
УДК 004. [3+89]
МОДЕЛЬ ТЕЛЕК0МУН1КАЦ1ЙН01 МЕРЕЖ1 "1НТЕЛЕКТУАЛЬНОГО БУДИНКУ"
В.М. ТеслюК, О.Ю. Борейко2, А.Р. Сидор3, Х.В. Береговська4
Розроблено структуру телекомушкацшно! мережi "iнтелектуального будинку". Дослщження побудовано! структури проведено з використанням розроблено! структурно! моделi на основi теори мереж Петрi, а отримаш результати представлено у формi графу досяжностi станiв системи. Розроблено модель оцшки надiйностi телекомушкацшно! мережi "iнтелектуального будинку". Телекомунiкацiйна мережа зведена до си-метрично! iерархiчно!' системи, розгалужено! до 3-го рiвня, що дае змогу оцiнити ймо-вiрнiснi та часовi характеристики надшносй, а також iмовiрностi вiдмови, частоти та штенсивност вiдмов.
Ключов1 слова: модель, "штелектуальний будинок", телекомунiкацiйна мережа, надшшсть, мережi Петрi.
Вступ. Ми живемо в час, коли ввдбуваеться "iнтелектуалiзацiя" багатьох технiчних систем та впровадження "iнтелектуальних" технологiй у звичш побу-TOBi пристро1, внаслiдок чого вони стають бiльш конкурентоспроможними в умовах жорстко! ринково! економiки. Одшею з таких галузей, де ^енсивно впроваджуються iнтелектуальнi технологи е сфера побуту. Використання технологи " iнтелектуального будинку" дае змогу покращити рiвень комфорту по-мешкання та ктотно економити енергоноси. За даними з рiзних джерел, еконо-мк енергоресурсiв може сягати до 40-50 % [2, 4, 5, 9]. Одшею з базових складо-вих елеменпв системи 1Б е телекомушкацшна мережа (ТКМ), основним завдан-ням яко! е передача даних та попередне опрацювання блоюв даних. На базi од-ше1 телекомушкашйно1 мережi можна створити кiлька iнформацiйних мереж, за допомогою яких вiдбуваеться об'еднання пiдсистем "iнтелектуального бу-динку" в едину систему.
Поняття " iнтелектуальний будинок" або "розумний дш", на сьогоднi, е дискусiйними. Загалом, шд поняттям iнтелектуальний будинок пот^бно розу-мiти житлове примiщення, що е системою, яка пропонуе абсолютно новий шд-хiд в оргашзаци життезабезпечення будiвлi [5]. У такш системi, завдяки комплексу об'еднаних у ТКМ програмно-апаратних засобiв, значно зростае ефек-тивнiсть функцiонування i надiйнiсть керування усша пiдсистемами та вико-навчими механiзмами [4].
Проведений аналiз дае змогу стверджувати, що керiвними пристроями "iнтелектуального будинку", зазвичай, е мiкроконтролери, але використання м^оконгролерних систем для великих i складних проект1в не завжди е виправ-даним через обмеженiсть 1хньо1 функщональност! У цiй роботi представлено розроблену модель ТКМ ^електуального будинку, реалiзовану на основi шк-ропроцесорних систем - одноплатних комп'ютерах Raspberry Pi [7]. Платформи на базi процесорiв - це дещо абсолютно iнше в багатьох аспектах, анiж тради-
1 проф. В.М. Теслюк, д-р техн. наук - НУ "Львгвська полггехнка";
2 acnip. О.Ю. Борейко - Тернопшьський НЕУ;
3 викл. А.Р. Сидор - НУ "Льв1вськаполггехн1ка";
4 асшр. Х.В. Береговська - Прикарпатський НУ iM. Василя Стефаника, м. 1вано-Франк1вськ
цiйнi мшроконтролери. Насправдi Raspberry Pi мае набагато бшьше спiльного 3i звичайним комп'ютером, шж, скажшо, з мiкроконтролерною платою Arduino [1], i це значно розширюе можливостi його використання у системах "штелек-туального будинку".
1нтелектуальний будинок мае вмiти "розшзнавати" конкретнi ситуацл, що ввдбуваються в житловому примщенш i вiдповiдним чином реагувати на них. Уа шдсистеми такого дому мають бути штегрованими в единий комплекс на базi локальних та глобальних сенсорних i комп'ютерних мереж. Тому роз-роблення телекомунiкацiйноi мережi для "iнтелектуального будинку" е актуальною задачею сьогодення.
Розроблення структури телекомушкацшно! мережi штелектуально-го будинку. Найважлишшою базовою складовою частиною системи штелекту-ального будинку е ТКМ, що здатна забезпечити надiйний та ефективний взаемозв'язок мiж усша його шдсистемами. Об'ектом моделювання е розробле-на двохрангова безпроввдна комп'ютерна мережа Wi-Fi на основi маршрутизатора (тополопя "зiрка") [6], у яку штегровано сенсорнi мережi пiд керуванням одноплатних комп'ютерiв Raspberry Pi.
Структура ще! мережi мае iерархiчну трьохр1вневу будову. Зокрема, до структури ТКМ 'Чнтелектуального будинку" (рис. 1) входять сервер, вхвдш та вихiднi, керiвнi команди якого надходять через мережу штернет (перший рiвень iерархii), комп'ютери Raspberry Pi, що разом iз роутером утворюють локальну комп'ютерну мережу 1Б (другий р1вень iерархii), а також мережi сенсорiв (про-вiднi та безпроввдш) i актюаторiв, що знаходяться пiд управлiнням комп'ютерiв Raspberry Pi (третш р1вень iерархil). Кожен Raspberry Pi разом iз системою сен-сорiв утворюе окрему автоматизовану тдсистему "iнтелектуального будинку". Сервер слугуе для збирання i вiдображення iнформацii ввд сенсорiв та керуван-ня виконавчими пристроями усiх пiдсистем.
Модель телекомушкацшно! мережi на 0CH0Bi мереж Петрг Для досль дження та аналiзу роботи локальних та глобальних ТКМ використано модель на основi мереж Петрi [3, 9]. Вiдповiдно, на рис. 2 зображено розроблену структур-ну модель на основi теорц мереж Петрi, яка призначена для аналiзу динамiки роботи телекомушкацшно! мережi та побудови графу досяжносп стан1в. Приклад фрагмента графу досяжносп стан1в для ситуацil надходження даних вiд двох сенсорних мереж зображено на рис. 3. Щ результати дають змогу стверджувати, що система е живою, потрiбнi стани - досяжш, а тупики - вщсутш.
Модель надiйностi телекомунiкацiйноí мережi. ТКМ, зображену на рис. 1, можна розглядати як симетричну iерархiчну систему, розгалужену до 3-го рiвня. Для опднювання характеристик надiйностi потрiбно згорнути iерархiч-ну розгалужену систему. Для цього об'еднаемо ва елементи, що не розгалужу-ються, в один. Система спроститься до вигляду, показаного на рис. 4, де еле-менту 0-го р1вня шдпорядковуються a1 елементiв 1 -го рiвня, кожному елементу 1 -го рiвня - a2 елементiв 2-го р1вня, кожному елементу 2-го р1вня - a3 елементiв 3-го рiвня, a1 - коефщент розгалуження до 1-го рiвня, a2 - коефiцiент розгалу-ження до 2-го рiвня, a3 - коефiцiент розгалуження до 3-го рiвня. Елементу
нульового ршня на рис. 4 ввдповдае глобальна комп'ютерна мережа, а як вихвд-ш елементи (елементи третього ршня) розглядаемо сенсори та актюатори.
Рис. 1. Ieрархiчна структура телекомуткацшноЧ мережi "ттелектуального
будинку "
Отримаемо тв1рну функщю
Бз(г) = ро ^ Р2 (рзг + дз + Цг) + д | + до,
(1)
де: р0, д0, р1, д1, р2, д2, р3, д3- вщповщно ймов1рност1 безв1дмовно1 роботи та ймов1рност1 вщмов елеменпв 0-го, 1-го, 2-го та 3-го р1вшв; г - довшьний параметр.
За формулою бшома Ньютона, формулу (1) перепишемо так:
а а2х1 а3х2
Б&) = ро £ С*1 р^дО1-*1 £ С^р*^2*1-^2 £ С**р^2-^*2 + д0. (2)
Х1=0 х2=0 х3=0
Виходячи з результатов, отриманих у робот [8], розробимо вирази для ймов1рност1 ввдмови, частоти й 1нтенсивност1 в1дмов.
Позначимо через Qзw (к, /) 1мов1ршсть вщмови системи за заданого стану готовност к, де 0<к<а1а2а3, за умови, що ймов1рнкть безвщмовно!' роботи ви-хвдних елеменпв (сенсор1в та актюатор1в) описуеться законом Вейбулла. Першим параметром закону Вейбулла для кожного вихщного елемента е параметр масштабу, а другим - коефщент старшня. Отримаемо:
аа2аз а1
Qзw (к, Ъ = 1 - £ (1 - ) 1 х
*з=к
х\=сей
сеЩ — I аз а2 )
х У С* е"^ (1 - )ВД-Х2 С* (1 _ )
л а2Х1 V ) азХ2 \ )
Рис. 2. Фрагмент моделi на основi мереж Петрi
Рис. 3. Фрагмент графу досяжностi сташв ТКМ [10]
Позначимо через аш (к, *) частоту ввдмов системи за заданого стану го-товностi к, де 0<к<а1а2аъ, за умови, що ймовiрнiсть безвiдмовноi роботи вихвд-них елементiв описуеться законом Вейбулла. аш (к, *) дорiвнюe похiднiй вiд iмовiрностi ввдмов Q3W(к, *). Отримаемо
аз^(к, /) = е-*0* £ I
Хз=к
' сег( Х3"
Х1=сеИ
СХ1 С а1
хг=сеИ\
а 2Х1 а1- Х1
I с^с^ I са1-Х1(-1) х
Лс0
х I С*(-1)72 I с* -Х,(-1)73 х
]2=0
Л=0
(4)
х(*з(Хз + 7з)вв-1 + *0 + *(Х1 + л) + *2(Х2 + 72)) е~(Я1(Х1+л)+Л2(Х2+л)')1е-яз(Хз+*з)'вз.
Позначимо через Л.3W (к, *) iнтенсивнiсть вiдмов системи за заданого стану готовност к, де 0<к<а1а2а3, за умови, що ймовiрнiсть безвiдмовноi роботи вихiдних елементш описуеться законом Вейбулла. Отримаемо
азХ2-Хз
aia2a3 al a2x al- xl
Лжkt) = у у cx1 У , caLcak У CLHy1 x
x3=k
ceil\ — a
x2=ceii\ —
ji=0
x1=ceil
a2x1-x2 a3x2 -x3
x У Cj2 (— 1)j2 У Cj3 (-i)-j'3 x
¿—i a2xi- x^V 4 a3x2 - x[V V
j2 =0 j3=0
x^fe + j3)^3t^3-1 + Л + 4(x + ji) + Л2{%2 + j2))e-^(xi+jl)+A2(x2 +j2))e-^(x3+j3)te /
(Z z
Cxie-/iixit (i - e-Лltч
x3=k
i 4 *)
xi=ceill —
V a2
I C,x2xie_ii"x2t (l - ** C^"3 (l - е-"3 Г ^
(5)
x2 =ceill — V 03.
Оцiнка ймовiрнiсних i часових характеристик надiйностi, а також iMOBip-носп вiдмови, частоти вiдмов та штенсивносл вiдмов за задано! умови готов-HOCTi дае змогу планувати видтення коштiв для пiдтpимання обладнання ТКМ у працездатному станi.
Pibhi 0 а 1
Рис. 4. Структура ТКМ
Особливоси pеалiзацií телекомунiкацiйноí меpежi на основi Raspberry Pi. Raspberry Pi - це одноплатний комп'ютер, побудований на SoC (System on Chip) Broadcom BCM2835, що мiстить процесор ARM i3 тактовою частотою 700 МГц, гpафiчний процесор VideoCore IV i 5l2 МВ (модель B) оперативно'' пам'яп [7]. Замiсть жорсткого диску використовуеться SD карта пам'ять Особ-ливiстю цього комп'ютера е наявний у ньому штерфейс GPIO (General-purpose input/output) - штерфейс вводу/виводу загального призначення, через який ре-алiзовано взаемодiю комп'ютера iз сенсорними мережами. GPIO використовуеться для зв'язку мкропроцесора з piзними пеpифеpiйними пристроями (да-вачi/актюатоpи). Контакти штерфейсу пiдлягають налаштуванню та групуються у порти. Саме наявнiсть GPIO та невисока вартють Raspberry Pi робить його зручним для використання у системах штелектуального будинку.
Для побудови комп'ютерно'' меpежi використано USB Wi-Fi донгли. Здшснено налаштування ix для роботи у локальнiй телекомушкацшнш меpежi зi сервером на основi роутера. Внаслiдок отримано телекомунiкацiйну мережу iз робочими станцiями (Raspberry Pi з тдмережами сенсоpiв) та сервером, яким призначеш внутpiшнi IP-адреси, а також роутером.
ai -x
x
x
Висновки. Розроблено структуру та моделi телекомунiкацiйноi мережi 1Б на 0CH0Bi дешевих одноплатних комп'ютерiв Raspberry Pi. Побудована модель на основi мереж Петрi дае змогу дослiдити динамiку проектованого пристрою, а модель надшносп - оцiнити ймовiрнiснi та часовi характеристики на-дiйностi. Фiзична модель ТКМ мктить сервер, роутер та робочi станцп з шдме-режами сенсорiв. Передавальним середовищем комп'ютерно1 мережi е радюка-нал (Wi-Fi). Сенсорш мережi працюють пiд керуванням комп'ютерiв Raspberry Pi, використовуючи провiднi та безпроввдш протоколи передачi даних. Внасль док розроблена модель локально1 ТКМ 1Б дае змогу дослiдити та здшснити де-тальний аналiз процеав, що у нiй вiдбуваються. Розроблена телекомушкацшна мережа, завдяки використанню одноплатних комп'ютергв Raspberry Pi, е дешевим та функщональним рiшенням для систем " iнтелектуального будинку".
Лггература
1. Banzi M. Getting Started with Arduino, O'Reilly Media, Inc, 1 -st Edition, 2011. - Pp. 21-22.
2. Chan M., Esteve D., Escriba C., Campo E. A review of smart homes - Present state and future challenges, Computer Methods and Programs in Biomediscine. - Vol. 91 (2008) . - Pp. 55-81.
3. Diaz M., Petri Nets: Fundamental Models, Verification and Applications, John Wiley & Sons, 2010. - 768 p.
4. Helal S., Mann W., El-Zabadani H., King J., Kaddoura Y., Jansen E. The gator tech smart house: a programmable pervasive space, Computer. - Vol. 38 (2005), No. 3. - Pp. 50-60.
5. Jiang L., Liu D.Y., Yang B. Smart home research, Proceedings of the 2004 International Conference on Machine Learning and Cybernetics, Shanghai, China, August. - Vol. 2 (2004) . - Pp. 659-663.
6. Larry L. Peterson, Bruce S. Davie Computer Networks: A Systems Approach, 2011. - 920 p.
7. Richardson M., Wallace S. Getting Started with Raspberry Pi, Sebastopol, O'Reilly Media, 2012. -161 p.
8. Sydor A.R. Recurrent expressions for valuing reliability indicators of complicated electromagnetic systems / Proceedings of XIX th International Seminar/Workshop on Direct and Inverse Problems of Electromagnetic and Acoustic Wave Theory (DIPED-2014), Tbilisi, Georgia, September 22-25, 2014. - Pp. 148-150.
9. Teslyuk V.M., Beregovskyi V.V., Pukach A.I. Development of smart house system model based on colored Petri nets, Proc. of the XVIII-th International Seminar / Workshop On Direct And Inverse Problems Of Electromagnetic And Acoustic Wave Theory (DIPED - 2013), Lviv, Ukraine, 2013. -Pp. 205-208.
10. Teslyuk V., Denysyuk P., Al Shawabkeh H.A. Y., Kernytskyy A. Developing the information model of the reachability graph / Proc. of the 15-th International Seminar/Workshop on Direct and Inverse Problems of Electromagnetic and Acoustic Wave Theory, DIPED'2010, Tbilisi, Sept. 27-30, 2010. - Pp. 210-214.
Надклано до редакщ! 16.02.2016 р.
Теслюк В.Н., Борейко О.Ю., Сидор А.Р., Береговская К.В. Модель телекоммуникационной сети "интеллектуального дома"
Разработана структура телекоммуникационной сети "интеллектуального дома". Исследование построенной структуры проведено с использованием разработанной структурной модели на основе теории сетей Петри, а полученные результаты представлены в форме графа достижимости состояний системы. Разработана модель оценки надежности телекоммуникационной сети "интеллектуального дома", что сведено к симметричной иерархической системе, разветвленной до 3-го уровня, и которая позволяет оценить вероятностные и временные характеристики надежности, а также вероятности отказа, частоты отказов и интенсивности отказов.
Ключевые слова: модель, "интеллектуальный дом", телекоммуникационная сеть, надежность, сети Петри.
Teslyuk V.M., Boreiko O.Yu., Sydor A.R., Beregovska K.V. The Model of Telecommunication Network for Smart Home
The structure of the telecommunication network for smart home has been developed. Studies of the structure designed have been conducted using the developed structural model based on the theory of Petri nets, and the results are presented in the form of reachability graph for all the states of the system. The developed model estimates the reliability of telecommunication network of smart home that is reduced to a symmetric hierarchical system, branched to the 3-nd level and that allows evaluating probabilistic and time characteristics of reliability, and the probability of failure and failure rate.
Keywords: model, smart home, telecommunication network, reliability, Petri nets.
УДК 621.3
РЕАЛ13АЦ1Я ЗАДАЧ1 ВИБОРУ ОПТИМАЛЬНОГО АВ1АМАРШРУТУ НЕЙРОННОЮ МЕРЕЖЕЮ ХОПФ1ЛДА
А.М. Бриндас1, П.1. Рожак2, Н.О. Семенишин3, Р.Р. Курка4
Наведено штучну нейронну мережу Хопфшда для знаходження оптимального авь амаршруту. Вхщними даними для мережi е матриця вщстаней мiж маршрутами. Для порiвняння ефективност отриманих результатов розроблено програмний додаток, який реалiзуе розв'язання задачi комiвояжера за допомогою нейронно'! мережi та повного перебору ("brute force") уих можливих маршрутiв. Показано, що мережа знаходить задо-вiльний за довжиною маршрут, вш вiдрiзняеться вщ оптимального в середньому на 78 % у випадку кшькост мiст бiльше 15, при цьому час та кiлькiсть iтерацiй для збiж-ностi мережi е ютотно меншими. З розумним вибором мережевих параметров отримано майже 100 % збiжнiсть для формування коректних маршрупв.
Ключовi слова: штучна нейронна мережа Хопфшда, задача комгвояжера, стiйкий стан системи, матриця вiдстаней, матриця перестановок.
Актуальшсть. Використання моделей та алгоршмв дискретно! оптимь зацii дае змогу виршувати багато задач, таких, як задачi оптимiзацii на мережах; маршрутизацп трафiку в комунiкацiйних мережах; задачi розмiщення еко-номiчних об'екпв; задачi оптимiзацii автоматизованих систем планування ре-сурсiв; задачi штучного штелекту i робототехнiки. Перелiчимо найбiльш поши-ренi прикладнi задачi дискретно! оптишзаци: задача про вкладання рюкзака, задача комiвояжера, одновимiрний розкрiй листових матерiалiв рiзних розмiрiв, задача про покриття множини системою його шдмножин, оптишзащя структу-ри обчислювального кластера, транспорта задачi, складання планiв i розкладiв. На сучасному етапi одним iз пiдходiв до вирiшення задач маршрутизацп е використання апарату штучних нейронних мереж, що дае змогу виршувати оптимь зацiйнi задачi комбiнаторноi складностi. Методи, заснованi на використанш штучних нейронних мереж, дають змогу значно пiдвищити оперативнiсть рь шення цього класу задач, забезпечуючи достатню точнiсть результату.
Постановка задачг Класична постановка задачi комiвояжера форму-люеться так:
1 малстр А.М. Бриндас - НЛТУ Украши, м. Льв1в;
2 acnip. П.1. Рожак - НЛТУ Украши, м. Львгв;
3 шж. Н.О. Семенишин - НЛТУ Украши, м. Льв1в;
4 доц. Р.Р. Курка, канд. техн. наук - НЛТУ Украши, м. Л^в
