Specjalizowany model mobilności węzłów sieci

Marta Antosik, Piotr Prus, Radosław Schoeneich
Instytut Telekomunikacji
Politechnika Warszawska
Specjalizowany model mobilności węzłów sieci
niespójnych DTN dla scenariuszy zagrożeń i
ratowania życia w obszarach zamkniętych
W artykule przedstawiono specjalizowany model mobilności węzłów przeznaczony dla sieci o strukturze
niespójnej DTN dla scenariuszy zagrożenia i ratowania życia w obszarach zabudowanych. Celem
zaproponowanego modelu jest przybliżenie metod symulacji bezprzewodowych systemów działających w trybie
ad-hoc do rzeczywistych sytuacji poprzez oddanie podstawowych, naturalnych zachowań węzłów i ich nośników
– ludzi (w tym także służb ratunkowych) w obszarach zagrożeń podczas incydentów kryzysowych.
W artykule przedstawione zostały założenia i sposób realizacji zaproponowanego modelu mobilności węzłów.
1.
Wstęp
Bezprzewodowe sieci o strukturze niespójnej DTN [1] (ang. Delay and Disruptive Tollerant
Networks) są to sieci oparte na przetrzymywaniu, przenoszeniu i przenoszeniu wiadomości z
wykorzystaniem mobilnych nośników pomiędzy trwale odseparowanym od siebie podsieciom.
Idea przenoszenia wiadomości otwiera możliwości komunikacyjne w potencjalnie trudnych
scenariuszach, w tym scenariuszach wydarzeń kryzysowych. Scenariusze związane z wydarzeniami
kryzysowymi mają charakterystyczny, powtarzalny przebieg, co powoduje że mogą być
usystematyzowane i opisane. Dodatkowo, uczestnicy wydarzeń kryzysowych, a wiec węzły sieci
DTN, przemieszczają się w nieprzypadkowy, uporządkowany sposób.
Dotychczas stosowane modele mobilności węzłów (np. Random Waypoint Model lub
Reference Point Group Mobility Model) oparte są na losowym ruchu nośników na otwartej
przestrzeni, co odbiega od realnych sytuacji kryzysowych. Pomimo powszechnego użycia, są one
mało użyteczne dla symulowania rzeczywistego zastosowań sieci DTN podczas incydentów
kryzysowych. Było to motywacją do stworzenia nowego, zbliżonego do rzeczywistości modelu
przemieszczania się węzłów w sieci.
W niniejszym artykule przedstawiony został model mobilności węzłów sieci DTN podczas
wybuchu w pomieszczeniu zamkniętym. Uwzględnia on udział służb ratowniczych oraz
zachowanie osób postronnych. Zaproponowany model ruchu zaimplementowano w środowisku
symulacyjnym ns-2. Wyniki otrzymane podczas symulacji zostały przedstawione na kilku
rysunkach niniejszego referatu.
2.
Specjalizowane modele symulacji dla sytuacji zagrożeń
2.1 Założenia
W przypadku zastosowania niespójnych sieci DTN w sytuacjach zagrożeń bardzo ważne jest
założenie, że każdy człowiek będzie posiadał urządzenie pozwalające na komunikację. Stąd
możliwość taktowania ludzi jako nośników. Z uwagi na charakter zdarzenia, pewną trudnością jest
zarządzanie transportem wiadomości, ma na to wpływ sposób przemieszczania się każdego
nośnika. Przemieszczanie się nośników jest zmienne w czasie i zależy od fazy działań ratowniczych
oraz obecnej funkcji węzłów. Ogólne trendy poruszania się węzłów w poszczególnych fazach
działań ratowniczych są rozpoznawalne i zostały uwzględnione w modelu.
2.1.1 Nośniki danych
Nośnikiem danych jest każda osoba znajdująca się w badanej strefie zagrożenia. Każdy
z nośników definiowany jest przez szereg atrybutów. W celu określenia mobilności i wytrzymałości
nośnika zdefiniowane są następujące cechy: wytrzymałość – zdolność do przyjmowania obrażeń,
prędkość – maksymalna możliwą do uzyskania prędkość, położenie – obecne położenie danego
nośnika, funkcja – cywil, strażak, policjant, sanitariusz. Dzięki takiej organizacji możliwe jest
rozpoznanie danego nośnika oraz określenie jego zachowania. Zmieniając poszczególne atrybuty
można adaptować model do różnych sytuacji. Przykładowo w miejscach, gdzie przebywają głównie
ludzie starsi, należy przypisać nośnikom mniejszą prędkość oraz wytrzymałość na obrażenia.
Dzięki takiemu zabiegowi można uczynić model bardziej wiarygodnym bądź przeprowadzić
symulację dla warunków skrajnych.
2.2 Chronologia zdarzeń
W sytuacjach zdarzeń masowych możemy wyróżnić 3 fazy: Stabilna, Chaos, Akcja ratownicza.
Przejścia pomiędzy kolejnymi fazami są determinowane przez zdarzenia przedstawione na
rysunku 1. W przypadku wystąpienia więcej niż jednego zdarzenia wybuchu zmianę fazy
determinuje tylko pierwszy z nich.
Rysunek 1. Fazy zdarzeń masowych.
2.2.1
Faza stabilna
Faza stabilna występuje na początku symulacji, zanim nastąpi zdarzenie wybuchu. W tym
czasie ruch ludzi jest ściśle związany z miejscem. Tradycyjne systemy komunikacji można uznać za
sprawne i nie ma potrzeby korzystania z sieci DTN, dlatego faza ta nie jest interesująca z punktu
badań. Celem jej symulowania jest wygenerowanie prawdopodobnego rozkładu położenia
nośników w chwili wybuchu.
2.2.2
Eksplozja – formowanie obszaru
Eksplozja następuje w losowej chwili czasu i przerywa fazę stabilną i rozpoczyna fazę
chaosu. Można założyć, że wybuch ma charakter promienisty. Badany obszar zostaje podzielony na
3 fragmenty[2] zgodnie z rysunkiem 2.
Wszystkie nośniki znajdujące się w strefie wewnątrz okręgu wyznaczonego przez zasięg
wybuchu doznają obrażeń. Można założyć, że energia wybuchu spada proporcjonalnie do kwadratu
odległości. Jako zasięg możemy określić pewną wartość, poniżej której musi spaść energia, aby
uznać, że w dalszych obszarach brak jest wpływu wybuchu. Każdy nośnik znajdujący się wewnątrz
tej strefy otrzymuje obrażenia zależne od jego położenia. Na podstawie wytrzymałości i przyjętych
obrażeń możemy określić, czy dany węzeł jest w stanie się przemieszczać czy zostaje
unieruchomiony.
Pomiędzy zasięgiem wybuchu a horyzontem zdarzeń znajduje się strefa, w której wszystkie
obiekty reagują na zdarzenie wybuchu. Są to osoby, które dowiadują się o wydarzeniu w sposób
bezpośredni. Część osób ucieka zupełnie z miejsca wydarzeń informując przy okazji osoby
znajdujące się poza horyzontem zdarzeń. Kolejna grupa również ucieka, ale zatrzymuje się na
horyzoncie zdarzeń w roli obserwatorów.
Rysunek 2 Podział obszaru na strefy [1].
Poza horyzontem zdarzeń żaden z nośników nie reaguje na wybuch. Ich reakcja następuje
dopiero po powiadomieniu (na przykład poprzez zgłoszenie alarmowe w przypadku służb
ratowniczych). Po otrzymaniu informacji o zdarzeniu, osoby te mogą zacząć oddalać się od miejsca
wybuchu (uciekać) wraz z informatorem lub samotnie. Mogą też podążać w stronę zdarzenia i stać
się obserwatorem. Nośniki poza horyzontem zdarzeń, które są brane również pod uwagę, to służby
ratownicze. Po otrzymaniu zgłoszenia udają się one do strefy wewnątrz horyzontu zdarzeń.
2.2.3 Faza chaosu
Faza chaosu następuje zaraz po zdarzeniu wybuchu. Trwa ona do momentu przybycia
jednostek ratowniczych. W fazie tej ludzie mogący się poruszać ewakuują się. W trakcie tej
czynności ludzie łączą się w grupy poszukując wsparcia i pomocy. W fazie tej ujawniają się
również jednostki stające się nieformalnymi przywódcami. Pod ich kierownictwem reszta grupy
podejmuje określone zadania[3]. Ludzie starają się wydostać poza horyzont zdarzeń. Część z nich
pozostanie na granicy w roli obserwatorów[2].
2.2.4 Akcja ratownicza
Po przybyciu służb prowadzona jest zorganizowana akcja ratownicza. Poszczególne podmioty
ratownicze mają własne procedury przewidujące ilość jednostek wysyłanych w pierwszym rzucie
(dokładne dane dotyczące dysponowania siłami zawarte są w dokumentach [4] i [6] ).
Pośród jednostek specjalnych możemy określić 3 grupy. Należą do nich policjanci, strażacy i
służby medyczne. Każda z jednostek ma własne procedury dotyczące zachowań w konkretnych
sytuacjach zagrożenia i zakres obowiązków. Akcja ratownicza przeprowadzana jest w dwóch
etapach[4].
W etapie działań wstępnych zasadą nadrzędną jest rozpoczęcie działań koordynacyjnych.
Dowodzenie akcją ratunkową przejmują służby ratownicze. W fazie tej przeprowadzana jest
ewakuacja poszkodowanych oraz ocena skutków zdarzenia. Ustala się liczbę i stan
poszkodowanych oraz określana jest ilość potrzebnej pomocy (dodatkowe ambulanse, transport).
Określane są również priorytety ewakuacji rannych. W związku z tym przeprowadza się segregację
zgodną z algorytmem START. Celem jest podział poszkodowanych na kategorie:
• natychmiastową – ewakuowani jako pierwsi, wymagają niezwłocznej pomocy medycznej.
• pilną – poszkodowaniu z ciężkimi obrażeniami, ale bez bezpośredniego zagrożenia życia.
• odroczoną – wszyscy pozostali, którzy doznali lekkich obrażeń.
• martwi – nie są ewakuowaniu w czasie trwania akcji ratowniczej.
Przebieg akcji jest również zależny od kolejności przybycia służb ratunkowych, których kolejność
jak i czas przybycia są losowe. Wszystkie podmioty będą starały się zabezpieczyć teren katastrofy.
Jednak ze względu na wyposażenie poszczególnych służb będą one realizowały różne zadania.
Przykładowo policja odpowiedzialna jest za zabezpieczenie miejsca zdarzenia, służby medyczne za
pomoc medyczną rannym, a straż pożarna za ewakuację ludzi i usunięcie skutków katastrofy.
Następnie rozpoczynany jest etap konsolidacji. Do tego czasu zakończony jest proces
segregacji i rozpoczęto wykonywanie czynności medycznych. W tej fazie następuje transport
rannych zgodnie z przyjętą segregacją oraz szereg działań takich jak zapewnianie schronienia
poszkodowanym.
3.
Przykładowy model symulacyjny
Na potrzeby badań przygotowano model lokalizacji. Przedstawia on biuro, w którym
zatrudnieni są pracownicy. W budynku znajdują się pomieszczenia pracownicze, toaleta, korytarz,
oraz dwa wyjścia ewakuacyjne. Na model składają się dwa wielokąty. Ważne jest, aby węzły
poruszające się po zamodelowanej lokalizacji potrafiły odnaleźć ścieżkę pomiędzy dwoma
punktami. Na bazie przeszkód budowany jest graf zgodnie z algorytmem przedstawionym na
schemacie 1. Na tak utworzonym grafie wykonywany jest algorytm Dijkstry [7].
START
i=0
i <liczba
wierzchołków
przeszkód
TAK
i=i+1
NIE
k=i+1
i=0
NIE
k <liczba
wierzchołków
przeszkód
TAK
i=i+1
TAK
k=k+1
TAK
Wierzchołek k
bezpośrednio
widoczny z
wierzchołka i
i.distance[k]=odległość wierzchołków;
k.distance[i]=odległość wierzchołków;
i <liczba
wierzchołków
przeszkód
NIE
NIE
STOP
i.distance[k]=nieskończoność;
k.distance[i]=nieskończoność;
TAK
i.distance[source/end]=odległość punktów;
source/end.distance[i]=odległość punktów;
Wierzchołek
i
bezpośrednio
widoczny z
source/end
NIE
i.distance[source/end]=nieskończoność;
source/end.distance[i]=nieskończoność;
Schemat 1. Algorytm tworzenia grafu (source – punkt początkowy, end – punkt końcowy).
3.1 Faza stabilna
W przypadku przedstawionego scenariusza zdarzeń w czasie fazy stabilnej zastosowano
prawdopodobny ruch pracowników biura podczas pracy. Obszar budynku podzielony został na
sektory – pokoje i wydzielone strefy poza budynkiem. W momencie inicjalizacji w biurze znajduje
się określona liczba rozmieszczonych losowo pracowników i kierownik przebywający w swoim
biurze. Pracownicy pozostają określony czas w biurze, po czym przemieszczają się do losowego
pokoju, bądź wychodzą przed budynek. Kierownik nie opuszcza swojego pokoju. Przykładowy
rozkład nośników w fazie stabilnej przedstawiono na rysunku 3.
Rysunek 3. Przykładowy rozkład nośników w fazie stabilnej.
3.2 Eksplozja i faza chaosu
Ze względu na charakter lokalizacji, jaką jest biuro, należy założyć, że w momencie wybuchu
wszyscy pracownicy informowani są o zagrożeniu bezpośrednio lub poprzez sygnały alarmowe,
bądź odgłos wybuchu. Osoby, które nie uległy poważniejszym obrażeniom, uciekają i pozostają na
horyzoncie zdarzeń w roli obserwatorów, ponieważ nadal trwa czas ich pracy i czekają na wytyczne
od przełożonych. Przykładowy rozkład nośników w fazie chaosu- podczas ewakuacji
przedstawiono na rysunku 5.
Rysunek 5. Rozkład nośników w fazie ewakuacji.
3.3 Akcja ratownicza
Zgodnie z założeniami modelu po przybyciu służb prowadzona jest zorganizowana akcja
ratownicza. Jednostki te dzielą się na policjantów, strażaków i służby medyczne.
Policjanci odpowiedzialni są za zabezpieczenie miejsca zdarzenia i niedopuszczanie osób
postronnych do strefy zagrożenia, dlatego poruszają się na granicy horyzontu zdarzeń. Strażacy
zmierzają do środka strefy, w której nastąpił wybuch i pozostają w niej przeprowadzając akcję
ratowniczą. Zadaniem strażaków jest zbadanie miejsca katastrofy, segregacja, ewakuacja rannych,
oraz usuwanie skutków zdarzenia. Zadaniem służb medycznych jest opatrywanie i opieka
medyczna nad rannymi w punkcie medycznym poza horyzontem zdarzeń[2].
Ważnym elementem działań jest przeprowadzenie ewakuacji poszkodowanych i ocena skutków
zdarzenia. Niegroźnie ranni są w stanie sami opuścić budynek, co uczynili jeszcze w fazie chaosu.
Służby ratunkowe przeprowadzają ewakuację w określonej kolejności po uprzedniej segregacji.
Zgodnie z omówionym w rozdziale drugim algorytmie najpierw ewakuowani są ranni wymagający
szybkiej pomocy, a następnie osoby mniej poszkodowane. Martwi nie są ewakuowani w czasie
akcji ratowniczej.
Przykładowy rozkład nośników w tej fazie przedstawiono na rysunku 6. Grupa pięciu węzłów,
które pozostają w pewnej odległości od budynku stanowi 4 sanitariuszy, oraz dowódca zastępu
strażackiego, który wkroczył do budynku. Początkowo strażacy będą przeszukiwać sekwencyjnie
pomieszczenia, po czym przejdą do ewakuacji rannych, oraz gaszenia pożaru.
Rysunek 6. Rozkład nośników w fazie działań ratowniczych
Etap konsolidacji czyli transportu rannych i zapewnienia schronienia poszkodowanych potrafi
trwać długo po ustaniu działań ratowniczych. Jednak ze względu na specyfikę badań symulacja
zostanie zakończona chwilę po odtransportowaniu ostatniego poszkodowanego do punktu opieki
medycznej.
4.
Podsumowanie
W niniejszym artykule przedstawiono scenariusz opisujący przebieg zdarzeń podczas wybuchu
w biurze. Model ten można łatwo rozszerzyć na dowolny rodzaj zagrożenia masowego. Jest on na
tyle złożony, że ustawiając odpowiednie parametry można dokładnie odwzorować przebieg
wydarzeń w modelowanej sytuacji. Może być on punktem wyjścia do badania skuteczności
algorytmów routingu w sieciach DTN w sytuacjach zagrożenia.
Literatura:
1. K. Fall, Messaging in Difficult Enviroments, Raport Techniczny IRB-TR-04-019 Intel Corp.
2004.
2. Samuel C. Nelson, Albert F. Harris III, and Robin Kravets, Event–driven, Role–based Mobility
in Disaster Recovery Networks
3. J. Bednarek, P. Bielicki, Podstawy psychologii, pedagogiki i metodyki kształcenia
pożarniczego, Warszawa 1997.
4. Zasady dysponowania sił Komendy Miejskiej Państwowej Straży Pożarnej m.st. Warszawy.
5. P. Gula, Postępowanie ratownicze w wypadku masowym i katastrofach, Kraków 2009
6. Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 29 grudnia 1999 r. w
sprawie szczegółowych zasad organizacji krajowego systemu ratowniczo-gaśniczego
(Dz.U.99.111.1311).
7. E. W. Dijkstra „A note on Two Problems in Connexion with Graphs”, Numerische Mathematic,
vol1, 1959