Как организовать бесперебойную связь в условиях ЧС

В журнале Future Generation Computer Systems (FGCS) опубликована статья  российско-американского коллектива ученых, в которой представлены расчеты по организации передачи данных в условиях чрезвычайных ситуаций и катастроф, подобных недавнему урагану “Ирма” - самому мощному в Атлантике за последнее десятилетие. Предложенный учеными математический метод превосходит все существующие на данный момент мировые аналоги.  

 

Ученые Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева, университета Миссури (Колумбия, США) и университета Сент-Луиса (США) представили теоретические выкладки с описанием организации бесперебойной передачи данных в условиях отсутствия мобильной связи. Эта технология востребована в чрезвычайных ситуациях, техногенных и природных катастрофах. В качестве передатчиков ученые предлагают использовать смартфоны и другие мобильные устройства (планшеты, гугл-очки, блютуз-маячки). Они самостоятельно объединяются в самоорганизующуюся сеть и позволяют передавать данные - от текстовых сообщений до потокового видео - на любые расстояния. При этом авторы исследования уточняют, что во время катастроф на пути сигнала традиционно появляются “препятствия” – разрушенные здания или естественные географические «пустоты» (озера, овраги, труднодоступная гористая местность), где отсутствуют люди, а значит и мобильные устройства. Для таких случаев российско-американский коллектив ученых предложил рассчитать маршрут сигналов, используя элементарные законы физики, такие как закон разности потенциалов и закон Кулона.

На практике это выглядит так: на карте с такого общедоступного ресурса, как, например, google maps, отмечаются потенциальные «пустоты» - своего рода «черные дыры», в которых не может быть людей с мобильными устройствами - это значит, что попав в такую зону, сигнал рассеется. Центр такой «черной дыры» обозначается “маячком”, вокруг которого по математическому алгоритму рассчитывается радиус «пустоты». Этим занимается несложная нейронная сеть. Получившаяся карта с разметками зон «вне доступа» рассылается широковещательным оповещением по всем близлежащим мобильным устройствам. И когда приходит пакет с данными, мобильное устройство, сверившись с картой, рассчитывает дальнейшее движение сигнала по математической формуле: то есть сопоставляет параметры «пустоты», свои географические координаты и координаты близлежащих мобильных устройств, с которыми обменивается данными. В результате пакет данных отправляется к следующему ретранслятору. 

«Получилось решение простое и элегантное, - говорит профессор Самарского университета Андрей Сухов. – Фактически, решение задачи из компьютерных наук сводится к известному решению теоретической физики, на основе которого мы разрабатываем алгоритм, а программист пишет мобильное приложение. То есть мы предлагаем метод на стыке физики, сетевых технологий и машинного обучения».

«Мы теоретически доказали, что путь «в обход» ненамного длиннее, чем если бы сигнал шел «напрямую» через «пустоты», - добавляет один из авторов проекта, выпускник СГАУ Дмитрий Чемоданов, ныне работающий в команде профессора Прасада Каляма в университете Миссури (Колумбия, США).

Чтобы подтвердить теоретические выкладки, ученые группы профессора Прасада Каляма смоделировали на симуляторе распространение сигнала в условиях природной катастрофы. «В качестве вводных условий мы взяли реальные события - торнадо в городе Джоплин штата Миссури в 2011 году,  которому была присвоена 5-я категория опасности. Он разрушил здание регионального медицинского центра и школы, было более сотни погибших, около тысячи пострадавших, - рассказал Дмитрий Чемоданов. – Карты, содержащие информацию о последствиях таких разрушений, в том числе и о торнадо в Миссури, хранятся на национальном сайте центра катастроф США”. 

Ученые проанализировали, где могли располагаться пострадавшие, как бы двигались парамедики, которые ведут первичный осмотр пострадавших и определяют степень тяжести травм, отметили локальные препятствия. Они изучали, как будет распространяться сигнал в этих условиях, оценили, насколько эффективен алгоритм. “В результате работа на симуляторе подтвердила, что наше решение верное, - отметил Дмитрий Чемоданов. - Мы описали размеры данных, структуру их хранения, то есть фактически разработали протокол. И этот протокол в симуляциях работает лучше существующих на данный момент аналогов и позволяет в условиях катастроф поддерживать стабильную связь, и передавать информацию, в том числе, и в формате видео. А в условиях ограниченных ресурсов - людей, больниц, связи - крайне важно вовремя доставить пострадавшего к нужным специалистам: тяжелых - к хирургам, с легкими травмами - в перевалочный госпиталь. Именно в таких ЧС мы предлагаем использовать нашу технологию, организовывать трансляцию видео и аудиоконтента в штаб, где идет координация работы спасателей, пожарных, парамедиков, полицейских”. 

 

Для справки
Данные исследования поддержаны Министерством образования и науки РФ и Национальным научным фондом США (NSF).