Post on 29-Mar-2023
UNIVERZITET U NOVOM SADU
FAKULTET TEHNIČKIH NAUKA
Upotreba senzorskih mreža za praćenje stanja voda
(WaterML, Observation and Measurements, SOS)
Student:
Željko Bugarinović, O1 29
Novi Sad, 2014
Željko Bugarinović O1 29 |
Geoprostorne Baze Podataka 2014
-2 -
SADRŽAJ
1. Uvod ................................................................................................................................................ 3
2. Uopšteno o vodama ........................................................................................................................ 4
2.1 Opis značaja i značenja pojedinih parametara ............................................................................. 5
3. Senzori i senzorske mreže ............................................................................................................... 6
3.1 Bežične senzorske mreže ............................................................................................................. 6
4. OGC Specifikacije ............................................................................................................................ 9
4.1 WaterML .................................................................................................................................... 10
4.2 Observation and Measurements ............................................................................................... 11
4.3 SOS ............................................................................................................................................. 11
5. Rezultati i distribucija podataka .................................................................................................... 13
6. GPRS U FUNKCIJI PRAĆENJA VODOSTAJA NA RIJEKAMA .............................................................. 14
7. Praćenje stanja voda u Srbiji ......................................................................................................... 16
7.1 Koncept automatske stanice za utvrđivanje stanja voda ........................................................... 17
7.2 Hidrološki sistem WISKI .............................................................................................................. 18
7.3 Pravovremeno upozorenje od poplava ....................................................................................... 20
8. ZAKLJUČAK ........................................................................................................................................ 21
Željko Bugarinović O1 29 |
Geoprostorne Baze Podataka 2014
-3 -
1. Uvod
Modeliranje hidrosistema nalazi se u samoj osnovi savremenog upravljanja vodnim
resursima. Prvi modeli bili su namjenjeni za predviđanje velikih voda (1850) i analizu
zapremine rezervoara (1883). Vremenom su se razvili novi analitički i numerički modeli, a
najveći napredak postignut je nakon pojave računara. U skladu s tim današnji razvoj
modeliranja i simulacije u hidrotehnici prije samo 50 godina bio je nezamisliv.
U ovom radu obrađene su senzorske mreže za praćenje voda, s naglaskom na bežični
prenos podataka. Bežična senzorska mreža (Wireless Sensor Network - WSN) je skup velikog
broja prostorno raspoređenih senzora koji imaju sposobnost samoorganizacije. Ove mreže su
još uvijek tehnologija u razvoju, sa brojnim potencijalnim primenama kao što su:
nadgledanje okoline, medicinski sistemi, vojne primjene, građevinarstvo, geodezija i slično.
Srž sistema za podršku odlučivanja je kompleksan simulacioni model čitavog sliva,
koji pokriva veliki broj procesa i dozvoljava jednostavno proširenje u smislu pokrivanja svih
pojava koje su relevantne za upravljanje slivom.
Ovaj rad baziran je prvenstveno na mogućnosti i kvalitetu upotrebe bežične senzorske
mreže za praćenje stanja voda, s naglaskom na određivanje nivoa vode. Ukazano je na
probleme koji se mogu javiti pri ovakvoj realizaciji, kao i prednosti ovakve realizacije pri
formiranju više bežičnih senzorskih mreža.
Ključne riječi: senzorska mreža, Observation and Meassurements, WaterML, SOS, GPRS,
baza podataka
Željko Bugarinović O1 29 |
Geoprostorne Baze Podataka 2014
-4 -
2. Uopšteno o vodama
Kao najvitalniji resurs voda se mora tretirati kao “dobro od opšteg interesa” i mora se
koristiti racionalno, višenamjenski i višekratno, na bazi saglasnosti dozvola za korišćenje i uz
neprekidan društveni nadzor [9]. Nauka o vodi-HIDROLOGIJA: bavi se definisanjem,
odnosno, procjenom količina vode na određenom podrućju kao i njihov vremenski i
prostorni raspored .
Kada se govori o vodostaju kao jednom osnovnom parametru vode, on predstavlja
razliku u vertikalnom smislu između nivoa vode i nekog fiksnog (nultog) položaja.
Vodomjerna letva predstavlja najjednostavniji uređaj za mjerenje nivoa vode. Mjerenje se
vrši jednostavnim očitavanjem vrijednosti nivoa vode na letvi sa centimetarskom podjelom,
a sama tačnost čitanja se kreće od 1 – 4 cm [3]. Međutim ovakav način i nije tako praktičan,
s obzirom da se očitavanja na mjernim letvama vrše svakodnevno. Takođe, i uticaj
tehnologije zahtijeva novija rješenja koja će dati brže i efikasnije rezultate, kao i bolji i
jednostavniji uvid u pojedine parametre za neki vremenski period. Osmatranje vodostaja
može da se vrši na više načina [2]:
pojedinačnim očitavanjem,
kontinualnim osmatranjem,
sistemom automatskog prenosa podataka.
Ovaj rad prevenstveno se oslanja na sisteme automatskog prenosa podataka, putem
bežičnog prenosa signala, koji u raznim oblastima ima veliku ulogu.
Nivo vode na rijekama, jezerima i akumulacijama se mjeri za potrebe [1]:
PLOVIDBE,
PRAĆENJA I IZUČAVANJA REŽIMA VODOSTAJA,
PROJEKTOVANJA I IZGRADNJE RAZNIH HIDROTEHNIČKIH RADOVA,
o Pristaništa
o Regulacija
o Mostova
o Zahvatanja vode i dr.
Pri vršenju hidrometrijskih radova (merenja dubina, brzina vode).
Slika 1. Limnigraf - Automatski registrator vodostaja.
Željko Bugarinović O1 29 |
Geoprostorne Baze Podataka 2014
-5 -
2.1 Opis značaja i značenja pojedinih parametara
Temperatura vode je krucijalni faktor koji utiče na mnoge prirodne procese koji se
odigravaju u vodenim resursima. Životna sposobnost kao i aktivnost organizama u vodi
zavise od temperaturnih granica i idealnih temperaturnih uslova. Takođe, biološki, hemijski i
fizički procesi u vodi zavise od temperature. Za mjerenje temperature, po pravilu, nije
potreban poseban senzor jer je on obično integrisan sa kiseoničnom elektrodom, pH
elektrodom ili elektrodom za provodljivost.
Sadržaj kiseonika u vodi je jedan od najvažnijih parametara za procenjivanje
kvaliteta vode. Vrijednost „kritična po ribe“ je minimalna koncentracija od 3 [mg/l O2] [5].
Ako sadržaj kiseonika padne ispod ove vrijednosti , osjetljiva riba i/ili riba u razvoju može
pretrpiti oštećenja. Do smanjenja vrijednosti kiseonika može doći i usljed prirodnog unosa
organskih supstanci kao što je lišće, ispiranje zemljišta ili usljed jakih kiša.
Specifična provodljivost i konduktansa su parametri koji ukazuju na sposobnost
vodenog rastvora da provodi elektricitet. Specifična provodljivost je važan sumarni
parametar za rastvorene supstance (elektroliti, primarno rastvorene soli) i zato je pogodan
za testove kojima se određuju promjene u koncentracijama jona tokom vremena.
pH vrednost je negativni logaritam koncentracije oksonijum jona (H3O+). Na pH
vrednost utiču egzogeni faktori od unosa kisele i alkalne otpadne vode. Ukoliko pH
vrijednost pređe preko vrijednosti 10, može čak da izazove i smrt riba u vodi.
Mutnoća predstavlja smanjenje prozračnosti neke tečnosti prouzrokovana
prisustvom nerastvornih supstanci . Mnogi faktori izazivaju zamućenje koje se registruje na
mjernim stanicama. Na mjerenja takodje utiču i strukturne mjere kao što je iskopavanje
zemlje ili veliki brodovi kada se sediment uzvitla. Na povećanje mutnoće mogu da utiču i
obilne kiše i spiranje zemljišta.
Željko Bugarinović O1 29 |
Geoprostorne Baze Podataka 2014
-6 -
3. Senzori i senzorske mreže
Senzori se koriste za povezivanje fizičkog i digitalnog svijeta. Služe za detekciju fizičke
pojave i prevode je u digitalni oblik, koji može da se obrađuje, čuva u nekoj bazi podataka i
kasnije koristi u raznim analizama. Grubo, senzore je moguće podeliti na senzore bez
mogućnosti komunikacije (Slika 2, a) i one koji mogu da komuniciraju [16]. Kada se govori o
senzorima bez mogućnosti komunikacije mogli bi biti primjer senzori za praćenje seizmičkih
aktivnosti, koji se posle nekog vremena skupljaju i iz njih se očitavaju registrovani podaci. U
mnogim primjenama postoji mogućnost komunikacije između senzora. U ovu grupu senzora
spadaju senzori koji komuniciraju posredstvom žičane mreže (Slika 2, b) (meteorološke
stanice koje periodično šalju svoje izveštaje centralnoj stanici), i bežične komunikacije (Slika
2, c). Mana žičanog pristupa je visoka cijena komunikacione infrastrukture i postavljanja
senzora kao i nefleksibilnost.
Slika 2 (a) Senzori sa lokalnom memorijom (b) Senzori sažičanom mrežom (c) Bežični senzori
3.1 Bežične senzorske mreže
Bežična Senzorska Mreža (BSM,eng. Wireless Sensor Network-WSM) je distribuirani
sistem koga čini polje senzora različitog tipa međusobno povezanih bežičnom
komunikacionom mrežom. Zadatak distributivnog sistema jeste da na osnovu dostupnih
podataka sa senzora izdvoji najverovatniju informaciju o fenomenu koji se nadgleda. Bežične
senzorske mreže su jeftine i jednostavne za postavljanje, jer sami čvorovi uspostavljaju
komunikacionu infrastrukturu. Zbog male veličine senzorski čvorovi ne vrše veliki uticaj na
objekat ili pojavu posmatranja, a pored toga mogu da budu postavljeni sa većom gustinom,
čime daju preciznije i detaljnije podatke. Kada se govori o nivou voda nije od suštinske
važnosti da mreža bude previše gusta, jer se senzori koriste obično kod većih rijeka kod kojih
nivo vode nema veliku denivelaciju na kraćim rastojanjima.
Za potpuno razumijevanje problema koji se odnosi na kreiranje bežičnih senzorskih
mreža, potrebno je prvo sagledati zahtjeve i karakteristike konkretnih primjena. Najčešći
zahtjevi su sledeći [18]:
Životni vijek. U praksi servisiranje i održavanje senzorskih čvorova je fizički
neizvodljivo ili nepraktično zbog velikih pratećih troškova. To znači da moraju da
Željko Bugarinović O1 29 |
Geoprostorne Baze Podataka 2014
-7 -
ispunjavanju određene zahteve u pogledu trajanju baterije, da bi obezbjedili željeni
životni vijek mreži. Glavni cilj u njihovom projektovanju jeste da se maksimalno
produži životni vijek dok su ostale performanse obično u drugom planu.
Komunikacioni domet. Komunikacioni domet je ograničen na nekoliko desetina do
najviše nekoliko stotina metara. U zavisnosti od površine koju mreža obuhvata,
moguće je da svi čvorovi neposredno komuniciraju, kako među sobom tako i sa
centralnom jedinicom. Ukoliko to nije slučaj, čvorovi moraju da se organizuju tako da
omoguće multihop komunikaciju. Sa ovim problemom je povezana i gustina čvorova,
koja može da stvori dodatne probleme zbog kolizija i slično.
Pokretljivost čvorova. Raspoređivanje senzorskih čvorova u fizičkom prostoru može
imati nekoliko formi. Čvorovi mogu biti raspoređivani slučajnim razbacivanjem ili
instalirani na unapred određenim mjestima. Takodje, moguće je zbog potreba
dodavati senzorske čvorove tokom korišćenja mreže (npr. da se poboljša pokrivenost
prostora). Pored toga, senzorski čvorovi mogu promjeniti lokaciju posle inicijalnog
postavljanja i korišćenja. Pomjeranje može biti rezultat uticaja okoline kao što su
vjetar i voda, senzorski čvorovi mogu biti postavljeni na mobilne entitete (živa bića ili
uređaje), a i sami senzorski čvorovi mogu biti mobilni. Njihova pokretljivost zahteva
upotrebu specifičnih komunikacionih protokola.
Samoorganizacija. Ova osobina predstavlja sposobnost mreže da se prilagodi na
promjene u topologiji koje mogu nastati zbog otkaza pojedinih čvorova, dodavanja
novih, mobilnosti ili gubitka sinhronizma u radu susjednih čvorova. Preduslov za
samoorganizaciju je mogućnost da otkrivaju nove čvorove u svojoj okolini i detektuju
one koji su otkazali.
Prikupljanje podataka. Jedan od osnovnih zadataka bežične senzorske mreže je da
obezbedi prikupljanje podataka od svih čvorova centralnoj stanici. U nekim
primjenama podaci se prikupljaju veoma često, dok u nekim ređe (periodično) ili
samo po potrebi. Ovo utiče na projektovanje mreže, jer čvorovi koji imaju malu
memoriju moraju brzo da se oslobode podataka, što znači da drugi čvorovi moraju
da budu sposobni da te podatke prime i proslijede dalje ka centralnoj stanici. U
nekim primjenama toleriše se veliko kašnjenje u dostavljanju podataka, dok je u
drugim od presudne važnosti isporuka u realnom vremenu.
Jedna od važnijih osobina ovakvih vrsta sistema je brzina prenosa podataka koju
određuje noseća frekvencija. Tipične vrijednosti brzine prenosa su reda desetina kilobita u
sekundi, što je sasvim dovoljno za upotrebu u bežičnim senzorskim mrežama [11]. Za
praćenje nivoa voda brzina prikupljanja podataka nije od sušinske važnosti, bitnija
karakteristika jeste periodično prikupljanje podataka u željenim vremenskim trenucima.
U cilju racionalnog korišćenja raspoložive energije, primopredajnici u bežičnim
senzorskim mrežama prelaze u režim smanjene potrošnje na što je duži mogući vremenski
period, a vraćaju se u aktivni režim samo u kratkim vremenskim intervalima kada treba da
izvrše akviziciju podataka. Proactive Networks čvorovi u mreži periodično uključuju senzore,
Željko Bugarinović O1 29 |
Geoprostorne Baze Podataka 2014
-8 -
izmjere veličinu od okruženja, i predaju podatke koji su od interesa. Reactive Networks su
mreže kod kojih su čvorovi sve vrijeme budni i trenutno reaguju na nagle promjene u mreži.
Ovi tipovi čvorova su pogodni za aplikacije sistema koji rade u realnom vremenu.
Iako su propusna moć i kašnjenje u bežičnoj senzorskoj mreži od sekundarnog značaja,
postoje brojne primjene u kojima je potrebno, bar u dijelu vremena, obezbjediti povećanu
propusnu moć. Primjeri takvih primjena su detekcija događaja ili praćenje ciljeva gdje dolazi
do naglih promjena poput intenziteta saobraćaja ili kad je cilj koji se prati pokretan. Jedan
od načina za povećanje propusne moći i smanjenje kašnjenja uz neznatno povećanje
potrošnje energije sastoji se u tome da se za komunikaciju između čvorova u bežičnoj
senzorskoj mreži obezbjedi više frekventnih kanala [16].
Slika 3. Komunikaciona arhitektura bežične Slika 4. Multi-point arhitektura.
senzorske mreže.
Na slici 3 prikazana je osnovna komunikaciona arhitektura bežične senzorske mreže.
Podaci sa mjernih stanica se šalju na server, gdje se prihvataju i skladište, a sa servera
omogućavaju pristup korisniku. U skladu sa navedenim, sistem daljinskog očitavanja nivoa
voda na više mjernih stanica sastoji se od tri glavne komponente podsistema: senzora,
podsistema na serveru i podsistema na klijentu. Rad sa master stanicom prikazan je kao
jedan od mogućih načina komunikacije i prenosa podataka između senzora (Slika 4). Ovakva
konfiguracija je kompleksnija, ali sprječava sukob između dve stanice koje žele da šalju
podatke istovremeno.
Za samog korisnika najvažniji dio predstavlja aplikacioni sloj koji na jednostavan način daje
uvid i preglednost željenih analiza. Obično je obogaćen i određenim grafičkim prikazima.
Osnovne karakteristike bežičnih senzorskih mreža su [10]:
visoka pouzdanost u radu,
relativno visoka tačnost,
fleksibilnost,
niska cijena,
lako raspoređivanje senzora u prostoru.
Željko Bugarinović O1 29 |
Geoprostorne Baze Podataka 2014
-9 -
4. OGC Specifikacije
U ovom radu oslonićemo se na neke SWE (Sensor Web Enablement) standarde koji
daju informaciju o poziciji i uvid u određena mjerenja preko interneta. SWE aktivnosti treba
da obezbjede interfejs i protokol koji omogućava rad Web senzora kroz koje su aplikacije i
servisi dostupni senzorima svih tipova i obezbjede standardizovan pristup mjerenim
podacima sa senzora kao i opisima senzora.
Sensor Web Enablement (SWE) Inicijativa predstavlja skup standarda i specifikacija
implementiranih od strane Open Geospatial Consortium-a (OGC). Osnovna ideja Sensor Web
koncepta jeste da svi senzori prijavljuju svoju poziciju i da su povezani sa internetom. Pored
toga neophodno je obezbjediti da se podaci mogu očitavati sa udaljenosti, da imaju
registrovane metapodatke i da se nekima može i upravljati sa udaljenosti [12].
Funkcionalnost koju OGC želi da postigne preko Senzor Web specifikacije se ogleda u
sledećim radnjama [13]:
Pronalaženje senzorskih sistema, mjerenja i procesa koji ispunjavaju naše potrebe,
Određivanje sposobnosti senzora i kvaliteta mjerenja,
Pristup parametrima senzora koji automatski omogućavaju softveru da obradi i locira
mjerenja,
Preuzimanje mjerenja u realnom vremenu ili u vremenskim serijama i standardno
zapisivanje i snimanje tih podatka.
Servis koji omogućava ove potrebe detaljno je opisan kroz OGC SOS specifikaciju [6].
SWE standard koji su formirali članovi OGC organizacije sadrži sledeće Open GIS
Specifikacije [14]:
1. Sensor Model Language (SensorML) - Predstavlja standardni model (XML šema) za
opisivanje načina funkcionisanja senzora i procesa prikupljanja podataka. Sadrži i opšte
modele za reprezentaciju podataka za SWE načine zapisivanja i interfejs standarde. Takođe,
pruža neophodne informacije za otkrivanje, georeferenciranje i obradu podataka, kao i
zadavanje različitih radnji senzorima.
2. Observations & Measurements (O&M) - Opšti model u vidu XML zapisa za posmatranja i
mjerenja izvršena nekom vrstom senzora.
3. Transducer Model Language (TML) - Konceptualni prilaz i XML zapisivanje koje podržava
podatke u realnom vremenu i zadavanje radnji koje senzor sebi zadaje.
4. Sensor Observation Service (SOS) - Otvoreni interfejs koji omogućuje da klijent dobije
mjerenja, podatke sa senzora i sa platforme za jedan ili više senzora.
5. Sensor Planning Service (SPS) - Otvoreni interfejs koji klijentima omogućava utvrđivanje
izvodljivosti prikupljanja podataka sa jednog ili više senzora ili modela kao i pregledanje
zahtjeva senzora i konfigurisanih procesa.
Željko Bugarinović O1 29 |
Geoprostorne Baze Podataka 2014
-10 -
6. Sensor Alert Service (SAS) - Otvoreni interfejs Web servisa za objavljivanje i za dobijanje
upozorenja i obavještenja sa senzora i simulacionih sistema.
7. Web Notification Service (WNS) - Otvoreni interfejs za servise kod kojih klijent može da
sprovodi asinhrone dijaloge (petlje poruka) sa jednim ili više servisa. I sama infrastruktura
Sensor Web standarda je definisana ovim specifikacijama koja čini revolucionarno otkriće, za
procjenu i kontrolu izvora živih podataka i arhiviranje senzorskih podataka.
Koristeći SWE sistem omogućeno je:
Do 10 mjerenja u sekundi,
Prikaz rezultata mjerenja u blisko realnom vremenu,
Obezbjeđena je milimetarska tačnost,
Slanje rezultata na server preko UDP protokola,
Čuvanje podataka u bazi podataka,
Pristup preko različitih korisničkih interfejsa,
Podrška za OGC SOS servis na serveru.
4.1 WaterML
WaterML predstavlja standardni model informacija za posmatranje podataka o
vodama, s namjerom da se dozvole razmjene takvih podataka preko informacionih sistema
[6]. Implementiran je kao aplikaciona šema prema GML pravilima, a zasniva se na
zapažanjima i mjerenjima (Observation and Meassurements). Za cilj ima osnivanje jednog
interoperabilnog formata razmjene koji se može koristiti za rješavanje niza hidroloških
zahtjeva, pri čemu se oslanja na posojeće OGC standarde. Jezgro i sadržaj ovog modela
opisani su kroz precizan opis hidroloških vremenskih serija. WaterML prilagođava
observation i meassurements specifikacije na konkretne hidrološke zahtjeve.
Osnovni element WaterML dokumenta sačinjen je iz sledećih elemenata:
Kolekcija koja ima jedan ili više WaterML mjerenih elemenata. Ovi članovi uključuju
informacije o mjerenju i lokaciji, kao i određene parametre, procese i rezultat.
Metapodaci uključuju lokaciju, informacije o vremenu prikupljanja podataka, kao i
datum mjerenja i tip monitoringa. Postoji mogućnost i dodavanja novih segmenata
definisanih od strane korisnika, a podaci se obično čuvaju u vremenskim serijama i skladište
u odgovarajuće elemente. U skladu sa tim i metapodaci su podijeljeni na odgovarajuće
vremenske serije. Ovo uključuje kvalitet čuvanja svakog od segmenta podataka pojedinačno,
a kao krajnji dio rezultata dobija se spisak vrijednosti po redoslijedu vremenskih serija.
Željko Bugarinović O1 29 |
Geoprostorne Baze Podataka 2014
-11 -
4.2 Observation and Measurements
U skladu sa OGC specifikacijom Observation and Measurements predstavlja opšti
model i XML zapisivanje posmatranja i mjerenja izvršena nekim senzorom.
Observation and measurements predstavljaju dve osnovne forme dobijenih rezultata. Prva
forma korisna je kada se radi sa malim količinama heterogenih podataka, dok je druga
pogodnija za rad sa dugotrajnim serijama. Za praćenje vodostaja više odgovara prikaz
rezultata u formi posmatranja „Observation“.
Kada se govori o samim potrebama korisnika ovih informacija one se mogu definisati kroz tri
osnovna zahtjeva:
prikaz dostupnih senzora,
prikaz informacija o konkretnom senzoru (metapodaci) i
prikaz rezultata za određenu vremensku epohu.
Može se koristiti za jednostavniji razvoj i posmatranje, kao i konektovanje na bazu podataka,
za analiziranje i grafičko predstavljanje senzorskih očitavanja.
4.3 SOS
SOS predstavlja jedan dio porodice OGC standarda koje čine OGC SWE framework.
Definiše web servis interfejs koji omogućuje pregled podataka koji se zapažaju senzorom,
kao i metapodatke o samom senzoru. Takođe, uključuje mogućnost da se registruju novi
senzori kao i uklanjanje nekih od postojećih. Pored toga postoji mogućnost definisanja
novih operacija koje će vršiti dodatna zapažanja.
Razvojem SOS-a je definisan Web servis interfejs za otkrivanje i pronalaženje mjerenja u
realnom vremenu ili sačuvanih mjerenja. Daljom nadogradnjom ovog modela i korišćenjem
drugih specifikacija moguće je formiranje modela koji utvrđuje kada dolazi do kritičnih
promjena i sprečavanja katastrofalnih posledica (poput poplava). Sastavni elementi ovakvog
sistema su server, klijenti i jedna ili više mjernih stanica. Kada se govori o mjernoj stanici ona
se sastoji od senzora, kompjuterske i komunikacione jedinice.
SOS zahteva definisanje najmanje tri obavezne operacije [15]:
GetCapabilities- informacije o dostupnim senzorima,
DescribeSensor- informacije o konkretnom senzoru,
GetObservation- rezultati merenja.
GetCapabilities - omogućava klijentima da preuzmu metapodatke o određenoj instanci
servisa. U ovoj XML šemi zapisa, nema „request“ parametara, već ime elementa specificira
posebnu operaciju. Ovaj tip baze podataka trebao bi da bude dopunjen sa svakim posebnim
servisom tako da obuhvati dodatne zahtjeve atributa servisa sa tačnim vrijednostima.
DescribeSensor - predstavlja metod dobijanja metapodataka koji opisuju karakteristike
jednog ili više senzora. Preuzimanje ovih informacija vrši se iz kataloga. Zbog velike količine
Željko Bugarinović O1 29 |
Geoprostorne Baze Podataka 2014
-12 -
metapodataka, SOS je specificirao opisne operacije koje podržavaju visok nivo detalja.
Detalji koji se nalaze u katalogu mogu da sadrže informacije o tipovima posmatranja,
lokacijama i kontakt informacijama.
Operacija GetObservation dizajnirana je za upit senzorskih sistema i služi za dobijanje
posmatranih podataka definisanih u specifikaciji O&M. Nakon dobijanja GetObservation
zahteva SOS ima dve opcije: uslovi kada zadovolji zahtev ili vraća izveštaj sa izuzecima.
Pored prethodno nabrojana tri osnovna zahteva SOS predviđa još neke, kao što su [17]:
o Transakcione operacije (InsertSenzor, DeleteSenzor, InsertObservation),
o Proširene operacije (GetObservationByID, GetFeatureOfInterest),
o Operacije za rad sa rezultatima (InsertResult, InsertResutlTemplate, GetResult..).
Razvoj efikasnih sistema za nadziranje kritičnih oblasti i pravovremeno reagovanje na
unaprijed definisane kritične događaje omogućilo je direktno osmatranje različitih fenomena
(u različitim geografskim regionima) i pristup prikupljenim vrijednostima sa senzora i
uređaja. U ovom sistemu, senzori koji predstavljaju izvor podataka moraju biti opremljeni
adekvatnom opremom koja će im omogućiti slanje očitanih podataka do sistema za obradu.
Za razvoj ovakvih sistema ključnu ulogu imaju Web tehnologije, a posebno tehnologije Web
servisa.
Glavni cilj OGC specifikacije SOS standarda jeste da obezbjedi pristup opažanjima i
samom sistemu senzora na način koji je isti za sve senzore. Ovaj standard definiše interfejs
Web servisa za upite nad podacima, senzorskim metapodacima, kao i predstavljanje
posmatranih objekata. Pored toga definiše kako se registruju novi senzori i uklanjaju drugi,
ubacivanje novih operacija i definisanja funkcionalnosti vezivanja na nezavisan način i SOS
interfejs [19]. Postojanje standarda pomaže pri razmjeni informacija između pojedinih
država koje dijele neke resurse kao što su rijeke.
Prednosti SOS servisa ogledaju se u sledećem [20]:
o Ne zavisi od platforme (bazirana na Javi),
o Softver otvorenog koda koji je jednostavan i može se ponovo koristiti,
o SOS implementacija je stabilna i kompletna.
Nedostaci:
o Nema apstrakcije podataka; jedini izvor podataka je relaciona baza podataka
specifične strukture,
o Kompleksan aplikacioni model (Java Web aplikacija),
o Struktura baze podataka nije optimalna (stringovi kao primarni ključevi, fale indeksi).
Željko Bugarinović O1 29 |
Geoprostorne Baze Podataka 2014
-13 -
5. Rezultati i distribucija podataka
Rezultati se dobijaju na osnovu senzorskih mjerenja koja se smještaju u odgovarajuće
tabele u bazu podataka. Podaci su prikupljani putem senzora i šalju se na server gdje se
skladište. Putem korisničkog interfejsa omogućen je pristup snimljenim podacima. U cilju što
bolje predstave dobijenih rezultata mjerenja, kao što su vrijednosti nivoa vode u različitim
vremenskim trenucima mogu se formirati različiti grafikoni i dijagrami. Time se stiče bolji
uvid i moguće je vršiti razne analize i simulacije koje su od krucijalnog značaja za pojedine
oblasti. Neke od tih analiza mogle bi biti stvaranje baffer zone za određeni nivo vode. Na taj
način moguće je uočiti najkritičnija mjesta, poput naselja te pravovremeno reagovati kako bi
se eventualne štete svele na minimum. Ovdje se prvenstveno misli na odbranu od
nadolazećih velikih voda.
Slika 5. Tri osnovna dijela za razvijanje senzorskog mreznog sistema.
Podatke pristigle iz senzorske mreže neophodno je posredstvom interneta
prosleđivati na odrenenu TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) ili UDP/IP
(User Datagram Protocol/Internet Protocol) adresu kako bi se oni mogli čitati i smiještati u
bazu podataka sa bilo koje udaljene lokacije. Osnovna arhitektura ovakvog sistema
prikazana je na Slici 5. Na ovaj način omogućeno je povezivanje senzora koji se ne nalaze na
bliskim rastojanjima, što je od posebnog značaja imajući u vidu da se senzori na rijekama
obično postavljaju na nešto većim rastojanjima. Sa ove adrese podaci se dalje obrađuju da bi
se dobile razumljive vrednosti koje će biti smještene u bazu podataka i dalje po potrebi
obrađivane.
Željko Bugarinović O1 29 |
Geoprostorne Baze Podataka 2014
-14 -
6. GPRS U FUNKCIJI PRAĆENJA VODOSTAJA NA RIJEKAMA
Uvođenjem GPRS sistema u postojeću infrastrukturu mobilne telefonske mreže
operatori pružaju svojim korisnicima veoma efikasan pristup spoljnim mrežama baziranim
na IP protokolu. Više korisnika može da dijeli iste resurse na interfejsu s obzirom da se
resursi dodeljuju samo u trenucima slanja i prijema podataka. Operatori tarifiraju svoje
pretplatnike na bazi prenesene količine podataka. Ovakav način dodeljivanja i korišćenja
resursa omogućava pogodnost konstantnog "on line" pristupa mreži. Prenos podataka
(e_mail, file transfer, Web browsing, WAP) je mnogo efikasniji, s obzirom da više korisnika
može istovremeno da koristi iste resurse [7]. Ovdje se ne koristi klasična tehnologija, s
obzirom na to da su krajnje tačke GPRS protokola namenjene za prenos podataka u mobilnoj
telefoniji, određene mrežnim adresama, a ne telefonskim brojevima.
Upotreba GPRS protokola u GSM mreži mobilne telefonije unosi određene
specifičnosti i ograničenja. Paketni prenos podataka znači da korisnici ne moraju da za
prenos podataka koriste ugrađene modeme koji su se do sada koristili, već GPRS mobilni
aparat može "u hodu" primati i slati pakete sa informacijama, sve dok se nalazi u dometu
GPRS signala.
Maksimalna brzina prenosa podataka GPRS teorijski iznosi preko 140 [kb/s].
Međutim, da bi se ona praktično ostvarila, potrebno je da se obustavi osnovna usluga, a to
je mobilna telefonija (GSM). S obzirom da je primarna usluga kod mobilne telefonije prenos
glasa (odnosno telefoniranje), brzina prenosa podataka GPRS protokolom manja. Međutim,
prema podacima koje nudi operater komercijalnim korisnicima navodi se da GPRS nudi i do
5 puta brži prenos podataka u odnosu na GSM.
Prednosti korišćenja GPRS-a u odnosu na GSM (koji se trenutno koristi) su sledeće [8]:
Trenutno uspostavljanje konekcije - Ušteda na vremenu prilikom uspostavljanja
veze, budući da nema čekanja signala i biranja broja. Iako su korisnici sa GPRS
mrežom konstantno prijavljeni, tarifiranje se uključuje onda kada otpočne prenos
podataka.
Tarifiranje količine prenetih podataka - Obračunava se količina podataka koju ste
poslali ili primili na svoj računar.
Brži prenos podataka - U GPRS mreži prenos podataka je oko 5 puta brži od
dosadašnjeg načina prenosa podataka (GSM) kroz mobilnu mrežu. Zahvaljujući
velikoj brzini prenosa, GPRS omogućava :
• brz pristup WAP stranicama s obiljem korisnih informacija,
• povezivanje GPRS mobilnog telefona s laptopom: - potpun pristup svim
Internet uslugama (elektronskoj pošti, web stranicama, bibliotekama
softvera),
• pristup intranet mreži preduzeća sa bilo kog mjesta ako je korisnik u domenu
mrežnog signala
Željko Bugarinović O1 29 |
Geoprostorne Baze Podataka 2014
-15 -
Stalna dostupnost - Veza sa Internetom je stalno uspostavljena, a uz to je
omogućena i stalna dostupnost govornoj komunikaciji. Čak i u trenutku pregledanja
Internet ili WAP sadržaja, korisnik je dostupan i može da primi poziv. Stalna veza sa
Internetom i stalna dostupnost su velike prednosti GPRS-a u poređenju sa GSM
mrežom.
Nedostaci postojećeg rešenja ogledaju se u sledećem:
vrijeme prenosa podataka je dosta veliko,
smanjena tačnost prenijetih podataka,
smanjena tačnost izmjerenih podataka (starost uređaja, ručno očitavanje).
Željko Bugarinović O1 29 |
Geoprostorne Baze Podataka 2014
-16 -
7. Praćenje stanja voda u Srbiji
Prva sistematska hidrološka osmatranja na teritoriji Srbije otpočela su u prvoj
polovini XIX veka. Prva vodomjerna stanica na našim prostorima osnovana je 1812. godine
kod vojnog utvrđenja Petrovaradin - Novi Sad, na desnoj obali Dunava. Nakon toga slijedi
osnivanje čitavog niza vodomjernih stanica kao što su: Novi Bečej (1855.), Bezdan (1856.
god.), Zemun (1859.), Senta (1860.), Slankamen (1888.) i druga mjesta.
Ocjenjivanje kvaliteta rječne vode do sada je bilo uglavnom bazirano na diskretnim
kampanjama monitoringa, sa vremenskim intervalima od više dana, nedelja, mjeseci ili čak
godina. Na teritoriji Srbije RHMZS prati fizičko-hemijske promjenljive kvaliteta površinskih
voda na oko 150 lokacija jednom mjesečno ili češće [5]. Na svim lokacijama prati se osnovni
set parametara, kao što su: temperatura vode, pH vrijednost, provodljivost, rastvoreni
kiseonik, hemijska potrošnja kiseonika (HPK), amonijum, nitriti, ukupni fosfor i hloridi.
Takođe se određuju biološka potrošnja kiseonika (BPK), sulfati, ukupna tvrdoća,
suspendovane čvrste materije i teški metali (As, Cd, Cu, Hg, Pb, Ni, Zn).
Za proučavanje vrlo dinamičnih procesa takva šema uzorkovanja često nije dovoljna
za pouzdanu analizu statusa rijeke. Prema okvirnoj direktivi o vodama (WFD) 2000/60/EC u
svim zemljama članicama treba do kraja 2015. god. dostići dobar ekološki status svih vodnih
tijela, za šta je neophodna produbljena analiza sadašnjeg i budućeg stanja voda.
Kvalitet površinskih voda u stalnom je padu i smatra se da nije zadovoljavajući. Od
1994. godine kvalitet voda u većini gradova u Srbiji pogoršao se i sa druge pao je na treću
klasu kvaliteta vode (III klasa - vode koje se mogu upotrebljavati za navodnjavanje, a posle
uobičajenih metoda obrade (kondicioniranje) i u industriji osim prehrambene).
Vode su uglavnom zagađene nutrijentima, derivatima nafte, teškim metalima i
organskim jedinjenjima. Površinske vode naročito su ugrožene u reonima velikih gradova i
industrijskih postrojenja koje se bave proizvodnjom hrane (šećerane, fabrike voća i povrća,
farme i slično). U skladu s tim, bilo bi poželjno obezbijediti mrežu senzora koji će pored
mjerenja nivoa vode biti u mogućnosti da daju odgovore na prethodno nabrojane elemente
zagađenja. Kada bi se koristeći mrežu senzora utvrdila približna mjesta zagađenja bilo bi
jednostavnije utvrditi i samog uzročnika. Treba napomenuti da Srbija ima dobro razvijenu
mrežu za monitoring voda, ali veliki problem predstavlja nedostatak stručnog kadra i
opreme.
Na sledećoj slici prikazana su neka mjesa sa vodomjernim stanicama za daljinski
prenos podataka o vodostaju.
Željko Bugarinović O1 29 |
Geoprostorne Baze Podataka 2014
-17 -
Slika 6. Lokacije automatskih mernih stanica na Tisi i Dunavu
Vodomjerna stanica Novi Kneževac nalazi se u mreži hidroloških stanica i opremljena je
uređajem za daljinski prenos podataka o vodostajima (Slika 6). U malovodnom periodu na
režim vodostaja na ovoj stanici utiče i uspor od brane u Novom Bečeju. Prosječni proticaj
rijeke Tise do profila Novi Bečej iznosi 766 [m3/s]. Vodomjerna stanica Zemun takođe spada
u jednu od izvještajnih mreža hidroloških stanica službe prognoze voda Zavoda, i ona je
opremljena uređajem za daljinski prenos podataka o vodostajima. Prosječni proticaj rijeke
Dunava do profila Zemun iznosi 3700 [m3/s].
7.1 Koncept automatske stanice za utvrđivanje stanja voda
Pumpa uronjena u riječnu vodu kontinualno doprema vodu do stanice. Na ulazu se
mjeri mutnoća, a nakon filtracije voda protiče kroz mjerni bazen gde su postavljeni senzori
za mjerenje temperature, pH vrijednosti, provodljivosti, rastvorenog kiseonika, amonijum-
jona, nitrata, hlorofila-a i slične analize. Takodje se mjeri nivo vode senzorom koji može biti
potopljen ili se nalazi iznad vode. Sve izmjerene vrijednosti sakupljaju se u centralnom data-
logeru sa kapacitetom skladištenja do mjesec dana zavisno od učestalosti uzorkovanja ili je
omogućeno direktno slanje do centralnog računara putem GSM mreže, što predstavlja
savremeniji način i mogućnost skladištenja veće količine podataka.
Željko Bugarinović O1 29 |
Geoprostorne Baze Podataka 2014
-18 -
7.2 Hidrološki sistem WISKI
U RHMZ-u je od 2009. godine započeta implementacija, a od 2011. godine uveden je
u operativnu upotrebu hidrološki informacioni sistem WISKI od strane njemačkog
proizvođača KISTERS iz Ahena. Ovaj sistem omogućava sveobuhvatno skladištenje državnog
fonda zvaničnih hidroloških podataka i podataka o vodnim resursima sa teritorije Republike
Srbije. Riječ je o sistemu za prikupljanje, obradu, arhiviranje, analizu istorijskih hidroloških
podataka i informacija, podataka u realnom vremenu (real-time data), hidroloških prognoza
i upozorenja.
Osnovne karakteristike WISKI sistema [3]:
Pouzdan, skalabilan i adaptabilan server – klijent sistem,
Obezbeđuje okruženje za upravljanje vremenskim serijama za sve tipove parametara
u hidrologiji i meteorologiji,
Obezbeđuje zahteve akvizicije, skladištenja, validacije, analize, integracije i
diseminacije podataka,
Ispunjava uslove Okvirne direktive o vodama Evropske unije,
Omogućava import i upravljanje podacima u realnom vremenu (real-time data),
Obezbeđuje funkcionalnosti za kontrolu i obradu podataka,
Omogućava eksport podataka u željenom formatu,
Pruža mogućnost pripreme različitih tipova izveštaja, grafika i slično,
Na raspolaganju su alati za naprednu statističku obradu i analize u hidrologiji.
Slika 7. Izgled portala WISKI za praćenje riječnog sliva Dunav
Željko Bugarinović O1 29 |
Geoprostorne Baze Podataka 2014
-19 -
Slika 8. Hidrološki podaci sliva Dunav
Slika 9. Grafički prikazi visine vodostaja i datum i vrijeme uzorkovanja
Željko Bugarinović O1 29 |
Geoprostorne Baze Podataka 2014
-20 -
Korišćenjem prikazanog sistema i njegovom komunikacijom sa mjernom stanicom sa koje se
preuzimaju promjene nivoa vode, omogućeno je praćenje promjena vodostaja u blisko
realnom vremenu. Obezbijeđeno je praćenje promjena nivoa voda kojim se redukuju
tehnološke barijere, a dobijanje relevantnih informacija je lakše i jeftinije (Slika 8).
Monitoring u ovom obliku je dostupan velikom broju korisnika i ima višestruku primjenu.
Prednosti korišćenja ovog modela se ogledaju u efikasnoj integraciji sistema za upravljanje
vodnim resursima i jednostavnom pristupu informacija prikupljenih na terenu.
Pored numeričkih vrijednosti sistem pruža i grafički prikaz rezultata, vrijeme uzorkovanja i
druge mogućnosti i analize, što omogućuje bolji i lakši rad od strane korisnika (Slika 9).
7.3 Pravovremeno upozorenje od poplava
Na osnovu raspoloživih podataka vrše se razne statističke i determinističke analize,
zatim različite vrste proračuna i određuju osnovni pokazatelji vodnog režima: prosječni
protoci, male i velike vode. Poslednji pokazatelj vodnog režima koji se odnosi na velike vode
od krucijalnog je značaja za praćenje tokom vremena. Naročito kada se uzme u obzir i velik
broj stradalih osoba u poplavama.
Pravovremenom upozorenju od poplava predhode informacije dobijene iz mjernih
stanica drugih država koje se nalaze uzvodno. Ako se za primjer uzmu mjerne stanice iz
Budimpeste (Mađarska) koje šalju podatke trenutnog vodostaja u hidrometeroloski zavod,
taj vodostaj će približno (na osnovu brzine proticaja) biti u Srbiji za 8 dana.
Vanredna odbrana od poplava se proglašava kada vodostaj dostigne propisanu
granicu i ima tendenciju daljeg porasta, ili kada to zahtijevaju drugi razlozi (dugo trajanje
vodostaja iznad granice redovne odbrane, stanje nasipa i objekata, nastupanje opasnosti od
nagomilavanja leda i dr.). Ključnu ulogu ima praćenje nivoa vode u određenjim vremenskim
razmacima koristeći senzorske sisteme. Rad sa podacima dobijenim u realnom vremenu je
od ogromnog značaja za sprječavanje ili ublažavanje posledica katastrofalnih događaja.
Na kraju, neophodno je napomenuti da su u okviru elementarnih nepogoda poplave
najzastupljenije. Naime, računa se da 9/10 elementarnih nepogoda čine ustvari četiri
osnovne grupe [21]:
poplave 40 %
tropski cikloni 20 %
zemljotresi 15 %
suše 15 %
Željko Bugarinović O1 29 |
Geoprostorne Baze Podataka 2014
-21 -
8. ZAKLJUČAK
Upotrebom senzora za kontinualno mjerenje parametara kvaliteta vode moguće je
sagledavanje dugotrajnog ponašanja, kao i vanrednih događaja. Koristeći ove informacije
jasno se mogu identifikovati pojedinačna ispuštanja zagađujućih materija u vodni resurs.
Upotrebom odgovarajućih senzora mogu se dobiti validni podaci ako se izvrši odgovarajuća
kalibracija i održavanje. Poželjno je imati "Pametan" sistem zato što može smanjiti potrebu
za ljudskim radom tako da se više pažnje može posvetiti specijalnim zadacima i rješavanju
problema.
Rad sa podacima koji se dobiju u realnom vremenu od ogromnog je značaja za
sprječavanje ili ublažavanje posledica katastrofalnih događaja, omogućuje prije svega da se
nadređeni osposobe i pripreme za pravovremeno reagovanje.
Zahvaljujući brzom razvoju tehnologija, danas je moguće razviti efikasne sisteme za
praćenje pojava, kao i kontrolisanje kritičnih i njihovo sprječavanje. Sensor Web je postao
standard u ovoj oblasti i predstavlja koncept fokusiran na probleme okruženja i načine za
njihovo rješavanje. Primjena ovih sistema je višestruka. Omogućavaju prije svega mjerenje
vodostaja na rijekama, kanalima, zatim upravljanje rizicima i davanje prognoze i upozorenja.
Srbija ima dobro razvijenu mrežu za monitoring voda, ali veliki problem predstavlja
nedostatak stručnog kadra i opreme.
Na kraju se može zaključiti da je poznavanje nivoa voda od velikog značaja. Ako se o
osnovnim parametrima vodi računa mogu se lako spriječiti nesreće do kojih dolazi izlivanjem
rijeka, kanala i slično. Predloženo rješenje prikupljanja i prenosa podataka o vodostaju je
samo jedan od doprinosa budućih smanjenja nesreća nastalih izlivanjem rijeka i
neblagovremenog prenosa informacija.
Pored praćenja stanja nivoa voda što je bila primarna tema ovog rada, bilo bi poželjno da
senzori daju i neke druge podatke kao što su trenutni stepen zagađenosti vode. U tom
slučaju bilo bi poželjno imati nešto gušću senzorsku mrežu kako bi se stekao što bolji uvid o
potencijalnom mjestu zagađena. Zbog održavanja biološkog minimuma neophodno je imati i
senzore prije i poslije brane, kako bi se omogućio nesmetan biljni i životinjski ciklus u vodi.
Smatram da je mogućnost primjene ovakve vrste senzora kao što je bežični prenos
podataka od višestrukog značaja u raznim oblastima, a između ostalog i kod stanja praćenja
voda. Konačno, zavisno od aplikacije, nije neophodno imati kontinualno mjerenje svih
senzora, već je bolje imati nekoliko promjenljivih koje su tačno i pouzdano mjerene nego
puno promjenljivih koje su netačne.
Željko Bugarinović O1 29 |
Geoprostorne Baze Podataka 2014
-22 -
REFERENCE
[1] Hidrometrija
http://www.rgf.bg.ac.rs/predmet/GO/II%20semestar/Opsta%20hidrologija/Predavanja/Hidr
ologija%204%20cas.pdf
[2] Hidrološka merenja
http://www.agfbl.org/sajt/doc/file/so/1/07/00659_200904
[3] Републички хидрометеоролошки завод Србије Сектор за хидролошки осматрачки
систем и анализе
http://www.hidmet.gov.rs/podaci/dokumenti_ciril/delatnost_hid_hidro_analiza_odsek.pdf
[4] Hidrometrija
http://www.gradst.hr/Portals/9/docs/katedre/Hidrologija/HIDROMETRIJA%20NASTAVA%20
%281.%20dio%29.pdf
[5] Svetomir Mijović, Bojan Palmar, Slavimir Stevanović, AUTOMATSKE STANICE ZA
KONTINUALNI MONITORING PARAMETARA KVALITETA VODA NA GLAVNIM VODOTOCIMA
SRBIJE; Svetomir Mijović, Bojan Palmar, Slavimir Stevanović
[6] GEOWOW Consortium, OGC Sensor Observation Service 2.0 Hydrology Profile
https://www.google.rs/?gws_rd=cr&ei=DFjqUvWLBcWktAbHpIDoAQ#q=OGC%2C+Sensor+O
bservation+Service+1.0.0%2C+OGC+Document%2C+2007.
[7] ANALIZA GPRS SERVISA ZA PRENOS PODATAKA U GSM-u
[8] GPRS U FUNKCIJI PRAĆENJAVODOSTAJA NA REKAMA
[9] Božo Dalmacija, RESURSI VODE ZA VODOSNABDEVANJE
[10] Gavrilo Bjeković, Jedna realizacija bežične senzorske mreže, / Srbija, Beograd,
novembar 25.-27., 2008.
[11] Milica D. Jovanović, VIŠEKANALNI MAC PROTOKOLI ZA BEŽIČNE SENZORSKE MREŽE,
magistarska teza
[12] Kussul N., Shelestov A. & Skakun, S. (2009). SENSOR WEB MODELLING FOR FLOOD
APPLICATIONS.
[13] Botts M., Percivall G., Reed C., & Davidson J. (2008). OGC® sensor web enablement:
Overview and high level architecture. In GeoSensor networks (pp. 175-190). Springer Berlin
Heidelberg.
[14] Simonis I. (2008). OGC sensor web enablement architecture. Open Geospatial
Consortium.
[15] Preuzimanje podataka iz SOS
Željko Bugarinović O1 29 |
Geoprostorne Baze Podataka 2014
-23 -
http://www.ogcnetwork.net/sos_2_0/tutorial/core
[16] G. Zhou, C. Huang, T. Yan, T. He, J. Stankovic and T. Abdelzaher, “MMSN: Multi-
Frequency Media Access Control for Wireless Sensor Networks”, In IEEE Infocom, April 2006.
[17] Na A., & Priest M. (2006). OpenGIS sensor observation service implementation
specification. Open Geospatial Consortium Implementation Specification, 91.
[18] Holger Karl and Andreas Willig, “Protocols and Architectures for Wireles Sensor
Networks“, Wiley, 2005
[19] Open Geospatial Consortium. (2007). OGC sensor web enablement: overview and high
level architecture.
[20] Bröring A., Jürrens E. H., Jirka S., & Stasch C. (2009, June). Development of sensor web
applications with open source software. In First Open Source GIS UK Conference (OSGIS
2009) (Vol. 22).
[21] Žarko Vukmirović, RANO UPOZORAVANJE OD POPLAVA U SRBIJI; Diplomski rad, Trg
Dositeja Obradoica 6, 21000 Novi Sad