Команда исследователей из СПбГМТУ, ГУАП и Научно-производственного предприятия подводных технологий «Океанос» представила революционную технологию для подводных беспроводных сетей. Новая интеллектуальная система способна самостоятельно перестраиваться и распределять энергию, что позволяет ей работать в автономном режиме в разы дольше, чем существующие аналоги. Это открытие кардинально меняет возможности долговременного мониторинга океана, экологического контроля и подводной разведки.
Разработка основана на уникальном алгоритме, который заставляет сеть из сотен подводных датчиков «думать» и адаптироваться к изменяющимся условиям. В отличие от статичных систем, новая модель в реальном времени анализирует три ключевых параметра: расстояние между датчиками, вероятность успешной отправки акустического сигнала и, что самое важное, уровень заряда батареи каждого узла.
Эту систему можно сравнить с роем подводных светлячков, которые постоянно взаимодействуют друг с другом. Когда один из них начинает «уставать» и его батарея садится, соседние узлы мгновенно перераспределяют его обязанности, чтобы не допустить сбоя во всей сети. Эта непрерывная оптимизация структуры предотвращает перегрузки и «пробки» в передаче данных.
Это «самоисцеление» сети стало возможным благодаря модифицированному Лувенскому алгоритму, который изначально использовался для анализа социальных связей. Ученые добавили в него специальный «порог кластеризации», который определяет, насколько тесно должны быть связаны датчики внутри одной группы. Это предотвращает образование слишком больших кластеров, где центральные узлы быстро разряжаются, и не позволяет сети распасться на множество мелких, неэффективных групп.
Для обеспечения сверхнадежной связи исследователи также усовершенствовали систему маршрутизации данных. Они адаптировали знаменитый алгоритм Дейкстры, который обычно ищет кратчайший путь. В подводной среде важнее не краткость, а надежность. Поэтому модифицированный алгоритм прокладывает маршруты с максимальной вероятностью доставки сообщения, обходя узлы с низким зарядом и участки с плохой связью. Чтобы полностью исключить помехи, был внедрен протокол связи TDMA, который предоставляет каждому датчику собственный «тайм-слот» для передачи, как строго расписанное по времени движение поездов.
Результаты компьютерного моделирования, проведенного на языке Python, показали ошеломляющие результаты. В сравнении с популярными алгоритмами LEACH и ICA, новая разработка демонстрирует значительно более долгий срок службы. Например, в сети из 30 датчиков первая поломка из-за разряда батареи в новой системе происходила после 1400-го рабочего цикла, в то время как конкуренты начинали «терять» узлы уже к 1000-му циклу. Использование порогового значения позволило дополнительно замедлить разряд сенсоров еще на 3%.
Гибкость и устойчивость предложенной модели делают ее идеальным фундаментом для создания интеллектуальных подводных систем будущего, способных годами работать в самых суровых условиях без какого-либо вмешательства человека, открывая новую эру в исследовании Мирового океана.
Исследование опубликовано в журнале «Информатика и автоматизация».
Создано при поддержке Минобрнауки РФ в рамках Десятилетия науки и технологий (ДНТ), объявленного Указом Президента Российской Федерации от 25 апреля 2022 г. № 231.
