КОНЦЕПТ ИНТЕГРИСАНОГ МУЛТИСЕНЗОРСКОГ СИСТЕМА ЗА ЗАШТИТУ ОБЈЕКАТА И ПРОСТОРА

Миодраг Вујановић, ппук Павао Беговић, Драган Ђурић

Војнотехнички институт, Београд Садржај: За успешно вођење ратних операција, али и за мирнодопску заштиту и надзор државне границе или објеката и простора од посебног значаја, треба располагати у сваком тренутку поузданим подацима о свим активностима у простору (кретање људства, технике, њихове позиције, метео подаци, итд.). Такви подаци се обезбеђују поуздано савременим електронским мултисензорским системима дисперзираним у простору. У раду су изложене концепција и основне карактеристике интегрисаног мултисензорског система за заштиту објеката и простора, који је настао као резултат активности Војнотехничког института у развоју и реализацији оваквих система, као и доступних сазнања о сличним системима које користеу савремене армије. Кључне речи: заштита објеката и надгледање простора, мултисензорски електронски системи, ТВ слика, ad hoc комуникационе мреже. 1. Увод Потреба за преносним мултисензорским системима дисперзираним у простору је проистекла из многих изворних и специфичних примена мултисензорске пасивне контроле и надзирања стања и кретања у одређеном простору, коришћених од Вијетнамског рата па до савремених локалних ратних сукоба. Ови системи су коришћени, поред периметарске заштите, и за надзор простора у позадини противника (детекција логистичког саобраћаја и надзор претпостављених линија снабдевања). Међутим, наведени системи су били типично велики, скупи и ограничени у погледу осетљивости и могућности поуздане идентификације циљева. С друге стране за надзор и контролу ненасељене (Норвешка, Шведска) или проблематичне границе (Израел, САД) користе се стационарни системи засновани на врло развијеној и скупој инфраструктурној мрежи која обезбеђује напајање и комуникацију у систему. Основу система чине стационарне сензорске инсталације које се састоје од ИЦ (инфрацрвених) пасивних сензора, ИЦ активних баријера, микроталасних баријера, вибрационих кабловских сензора на огради и видео камера, а по потреби се користе фиксне ограде и фортификацијске препреке. Савремени трендови у овом домену воде ка минијатуризацији и повећању функционалности елемената који чине један мултисензорски систем, а то су сензори, са пратећом електроником за обраду сигнала, комуника-

ционом електроником, и одговарајући процесорски пријемни уређаји. Њихова основна намена је да по постављању у одређеном простору, детектују звук и покрет, а у новијим решењима генеришу ТВ слику над-зираног периметра. Поред наведеног савремена сензорска решења имају могућност обраде сигнала и преноса података о условима околине и основних метео података (падавине , ветар, температура и др.), према пријемном уређају корисника посредством RF или сателитског линка, односно бежично (сл.1).

Слика 1: Савремена сензорска мрежа за проширено војиште намењена војнику 21. века

Ове информације су неопходне свим нивоима командовања ради доношења одлука о времену и месту извођења борбених или превентивних дејстава, правцима кретања, проходности за возила и примени посебне опреме. Дисперзија сензорских мрежа дубоко у област борбеног поретка противника или на тешко приступачне терене омогућава покривање делова простора (џепова) које није могуће осматрати другим средствима. Сама дисперзија сензорске мреже на жељеној локацији врши се на различите начине како у миру тако и у рату (коришћењем специјалне артиљеријске муниције, падобранима или је један од основних задатка извиђачких јединица и/или патрола и сл.). У таквом систему елементи сензорске мреже сматрају се потрошним уређајима. Пријемници сензорских сигнала на тактичком нивоу не сматрају се потрошним уређајима и предвиђа се да их буде неколико на нивоу јединице ранга вода. Једно од могућих решења пријемног уређаја је ручни персонални рачунар (нпр. iPAQ фирме COMPAQ који за ову примену функци-онише под оперативним системом LINUX , слика 2).

Слика 2: Савремени пријемни уређај тактичког нивоа Тактички периметарски сензори су у почетним фазама практичне употребе, а испитивања указују да је десетак оваквих сензора потребно за поуздано обезбеђење периметра за основне тактичке јединице. Ове мале сензорске мреже се могу користити применом конвенционалних техника мултиплексирања. У техничком смислу најизазовнија апликација је реализација дистрибуиране и ненадзиране земаљске сензорске мреже. Како су функције сензора и мрежне активности постале компликованије, захтеви у погледу предпроцесирања података су од суштинског значаја за избегавање информативног преоптерећења носилаца одлучивања. Напредак у домену ненадзираних сензорских мрежа, лежи у примени електронских уређаја мале потрошње и технологије бежичног преноса података, што захтева улагања у пројектовање и развој оваквих система. Америчка корпорација “Sensoria” започела је 90-тих година истраживања у области сензорских ad hoc мрежа и данас представља једну од водећих компанија у овој области. Са уређајима као што су 16-то канална сензорска аквизициона платформа WINS 3.0, бежични рутер EnRoute400, бежични интелигентни приступни уређај NetGate300 и отвореним софтверским решењима, фирма Sensoria је омогућила кориснику креирање мултисензорске бежичне ad hoc мреже са минималним дорадама потребним да се задовоље специфичне потребе корисника (слика 3).

Слика 3: WINS3.0, NetGate300 и EnRoute400 уређаји фирме

“Sensoria”

2. Концепт интегрисаног мултисензорског система за заштиту објеката и простора – ИМСЗОП 2.1 Основне карактеристике ИМСЗОП

Из почетних ТТЗ, које је израдио тактички носилац, уз сарадњу са ВТИ-ом, проистиче да техничка концепција ИМСЗОП треба да задовољи следеће захтеве:

- што мање физичке димензије; - задовољење климомеханичких захтева за услове К3 према СНО 5706;

- минимална аутономија рада која је тактички прихватљива (типично 7 дана);

- мултиконтролерско управљање и обрада сензорских сигнала на нивоу мултисензорске аквизиционе платформе;

- могућност прикључења активних и пасивних сензора који раде на различитим физичким принципима (електромеханички, оптоелектро-нски, акустички, електромагнетски, итд.);

- могућност прикључивања било које видео камере, (стандардна CCD, CCD са интензифи-катором светла, термовизијска камера са композитним видео излазом), по CCIR стандарду;

- да има двосмерну радио комуникацију у зони оптичке видљивости, паричну и/или оптоелектронску између периферних уређаја и централне станице за управљање и надзор;

- меморисање и пренос дигитализоване и компримоване видео слике са што мањим временским кашњењем (пренос у реалном времену) и довољним бројем слика у секунди;

- могућност говорне комуникације са центром за надзор посредством уређаја МАП и комуникационе мреже ИМСЗОП;

Полазећи од наведених захтева ИМСЗОП је замишљен као мултисензорска ad hoc мрежа која је по техничкој концепцији, примењеним техничким решењима и технологији, на нивоу савремених техничких решења у свету и представља дугорочно перспективно решење на коме ће се у будућности заснивати системи за електронску заштиту и надзор објеката и простора. ИМСЗОП би се састојао од 16 мултисензорских акви-зиционих платформи (МАП) и њиховог одговарајућег сензорског окружења, центра за надзор и управљање ИМСЗОП, у који се сливају подаци, радио везом, каблом или оптичким каблом са свих мултисензорских аквизиционих платформи као и видео слике штићеног простора. Мултисензорска аквизициона платформа са својим сензорским окружењем, у комуникационом смислу, може бити употребљена као стационарни или као покретни (мобилни) учесник-чвор, што отвара могућност коришћења платформе која је монтирана у возило или коју носи, у одговарајућој транспортној амбалажи, војник у патроли. Центар за надзор и управљање ИМСЗОП, монтиран у возило, може такође да буде мобилни учесник. Свака ћелија, постављена на терену, је у режиму чекања, при чему су активни само неопходни модули (комуникациони и сензорски аквизициони модул). У тренутку активирања сензорског подсистема контролерски модул за процесирање сензорских сигнала процењује и одлучује о активирању предајног дела комуникационог модула и слању података о активности у зони реаговања прикључених сензора.

По добијању потврде из центра, која може да буде аутоматска или на основу одлуке оператера система, контролер активира рад ТВ камере, локално памћење и пренос дигитализоване и компримоване слике штићеног простора ка центру. Осим сигнализације стања у систему и управљања системом, у центру се меморишу сви подаци добијени од уређаја МАП као и видео сигнали штићеног простора, и омогућава прослеђивање информација другим корисницима посредством жичне или бежичне рачунарске мреже. На слици 4 приказана је основна конфигурација мултисензорске аквизиционе платформе (уређај МАП) са својим сензорским окружењем.

Слика 4: Основна ћелија ИМСЗОП са сензорским окружењем

Слика 5: Могућа конфигурација система периметарске електронске заштите

Овакво сензорско окружење даје могућност кориснику да конфигурише систем електронске периметарске заштите, који се састоји од фиксно постављених и мобилних мултисензорских платформи, на различите начине (слика 5), употребљавајући одређене или све сензоре из комплета и прилагођавајући га терену, објекту заштите, као и захтеваној вероватноћи неповредивости штићеног простора.

Са линијским распоредом сензора у основној ћелији ИМСЗОП могуће је заштити и надгледати зону дужине 250м и ширине 30м, што значи да се са комплетом ИМСЗОП, у зависности од конфигурације терена, може штитити простор дужине до 4000м и ширине 30м.

2.2 Основне карактеристике Мултисензорске аквизиционе платформе (МАП) Уређај МАП (блок шема на слици 6) је замишљен као мултиконтролерски са следећим функционалним целинама које се појединачно обављају:

- Аквизиција и обрада аналогних ускопојасних сензорских сигнала;

- Аквизиција и обрада критеријума са сензора са сопственим процесирањем сигнала ;

- Аквизиција и обрада широкопојасних сигнала (видео сигнал);

- GPS позиционирање и временска синхро-низација; - Системска комуникација ; - Контрола енергетских ресурса.

Слика 6 : Блок шема мултисензорске аквизиционе платформе

Избор контролера и потребног окружења дефинисаће се у току развоја, имајући у виду потребу за што мањом електричном потрошњом, брзином рада и количином информација које треба обрадити и пренети у центар за надзор и базираће се на готовим решењима како хардвера тако и софтвера. 2.3 Сензорски подсистем У систему ИМСЗОП, у оквиру сензорског подсистема, користиће се сви комерцијално доступни електронски сензори намењени периметарској заштити, а који задовољављју К3 услове употребе према СНО 5706:

- електромеханички претварачи – геофони, - пиезокерамички претварачи – акцелерометри, - подужни микрофонски каблови,

- ИЦ пасивни сензори кретања, - ИЦ активне баријере, - микроталасни детектори кретања, - микроталасне баријере, - пасивни детектори метала,

као и други сензори (претварачи) на било ком другом физичком принципу који поседују сопствену сигнал процесорску подршку и задовољавају захтеве потрошње и услова употребе. Електромеханички претварачи (слика 7, геофон) механичке вибрације подлоге, на коју су постављени, претварају у псеудо-периодични електрични сигнал на својој механичкој резонантној учестаности (геофони), или имају одзив сличан микрофонском сигналу (пиезокера-мички акцелерометри). У зависности од врсте тла и временских услова поуздана зона детекције кретања је радијуса од 20 м до 50 м.

Слика 7: Геосеизмички претварач-геофон ИЦ пасивни детектор кретања, приказан на слици 8 је сензор који реагује на кретање топлог извора у свом видном пољу. Максимално растојање од сензора, (видни угао је обично око 5 степени), при коме се детектује кретање човека је 30 м, а за возило је 50 м. Домет детекције се редукује у условима магле, снежних падавина и падања кише.

Слика 8: ИЦ пасивни сензор ИЦ активна баријера, на слици 9 састоји се од предајника који емитује узак сноп светлости фреквенције око 900 nm која је невидљивљива за људско око, али је видљива за пријемник који је детектује. Свако пресецање ИЦ светлосног снопа, односно одсуство светлости на месту пријема се детектује као аларм. Растојање између предајног и пријемног уређаја, при коме се поуздано детектује светлосни сноп, креће се између 30 м и 150 м и зависи од временских услова (магла, киша, снег).

Слика 9: ИЦ активна баријера Магнетни сензор (слика 10), детектује промену сопственог магнетног поља која настаје појавом феромагнетног материјала у близини сензора. Ефективна удаљеност поуздане детекције за наоружаног војника је од 1 м до 3 м, а за возила и до 30м.

Слика 10: Магнетни сензор

2.4 Подсистем за пренос видео слике Подсистем за пренос видео слике омогућава да се прецизно и поуздано идетификује и просторно лоцира узрочник активирања сензорског подсистема. Сачињавају га одговарајуће ТВ камере и обрадна електроника смештена у мултисензорској аквизиционој платформи чија је функција да видео слику дигитализује, компримује, меморише и помоћу комуникационог подсистема проследи у центар за надгледање, по могућству у реалном времену. Телевизијска CCD (видео) камера (слика 11), треба да задовољава CCIR стандард, да буде видео камера високе резолуције (више од 400 линија), светлосне осетљивости боље од 0.01 lux, у водонепропусном кућишту и што мањих физичких димензија са одговарајућим носачем за пољску монтажу. Проблем ефикасности камера у ноћним условимa решaва се употребом: камера повећане осетљивости (0.001 lux), камера високе осетљивости са интензификатором светла, термовизијских камера (са стандардним CCIR видео излазом, слика 11) или употребом рефлектора (видљиво или ИЦ осветљавање).

Слика 11: CCIR мини B/W видео камере и термовизијска камера у IP65 кућишту

2.5 Батеријско напајање Батеријско напајање је спаковано у засебно кућиште, које се на одговарајући начин механички везује уз кутију мултисензорске аквизиционе платформе и са њом чини механички чврсту целину. Капацитет батерије, радни напон, као и технологија батеријских елемената уграђених у кућиште биће дефинисани у току развоја, а у складу са неопходним радним напоном, условима употребе и захтеваном аутономијом рада система, не мањом од 7 дана. 2.6 Центар за надзор и управљање ИМСЗОП Конфигурација центра за надзор и управљање ИМСЗОП, (смештеног у објекту, шатору или возилу) приказана је на слици 12 и заснива се на примени PC рачунара и одговарајућих софтверских пакета који треба да омогуће:

- непрекидну радио, жичну или посредством оптичког кабла, комуникацију са уређајима МАП на периметру;

- комуникацију центра за надзор са било којим покретним корисником који је укључен у комуникациону мрежу коју формира ИМСЗОП;

- комуникацију са вишим хијарархијским (команднм) нивоом посредством стационарних комуникационих мрежа;

- управљање у систему, контролу исправности и оштећења уређаја ИМСЗОП;

- аудио визуелну сигнализацију и памћење свих података о активностима система као и памћење видео слике периметра у за то припремљеним базама података.

Слика 12: Блок шема центра за надзор и управљање ИМСЗОП

2.7 Комуникациони подсистем ИМСЗОП ИМСЗОП, као и сви командно информациони системи, ослања се на коришћење радио комуникација и развијену комуникациону мрежну инфраструктуру. У новије време, напретком нових комуникационих и информационих технологија појављују се нови концепти комуникационих структура које су робусније, поузданије и флексибилније (самоорганизујуће), међу којима посебно место добијају бежичне ad hoc комуникационе мреже које не захевају постојање фиксне инфраструктуре за рад, те су погодне за

организацију и успоставу мрежне комуникације и у условима када је инфраструкура фиксне комуникационе мреже оштећена или уништена (земљотреси, поплаве, ратна дејстава). Систем заштите објеката и простора/периметра, захтева умрежавање сензора бежичним путем, уз посебну бригу за обезбеђивање повољног биланса енергије напајања, са стационарним или покретним центрима за надзор и управљање, који се по дубини организују хијерархијски, и покретним учесницима (извиђачи, патроле пешака, моторизоване патроле, роботи, итд.). Ова мрежа треба да на захтев (ad hoc) обезбеди пренос података, говора, звука и слике у оба смера, и из тог разлога треба да буде заснована на модерној TCP/IP технологији и на отвореној платформи оперативног система Linux. Ad hoc бежичне мреже су по дефиницији мреже динамичких аутономних мрежних чворова који комуницирају једни с другима формирајући "multihop" радио мрежу и одржавајући конективност у децентра-лизованој структури управљања. Чворови се могу лако и брзо прикључити или искључити из мреже, мрежа је мобилна а преносни медијум је јавни. Чворови комуницирају преко бежичног линка, у амбијенту радио везе уз присуство шума, фединга и интерференције сигнала. Поред тога линкови имају обично ужи пропусни опсег него у фиксним мрежама. Сваки чвор у бежичној ad hoc мрежи функционише и као „host“ и као “rоuter“, а управљање мрежом је дистрибуирано на мрежне чворове. Мрежна технологија је динамична зато што повезаност чворова у мрежу може да се мења са временом – тако што неки чворови могу испасти из мреже због квара, губитка енергије или уништења, а у мрежу се у току рада могу повезати нови чворови, стационарни или мобилни. Мобилне ad hoc мреже (МАnet) представљају бежичну комуникациону мрежу независних аутономних мобилних корисника који обављају међусобну комуникацију преко бежичних линкова. Пошто су чворови мобилни, мрежна топологија се мења врло брзо током времена и може бити потпуно непредвидљива. Мрежно управљање је децентрализовано, све активности чворова, укључујући "откривање" топологије мреже и испорука порука морају се одвијати у самим чворовима – што значи да је функција рутирања инкорпорирана у мобилне чворове. Начин примене за МAnет је веома разнолик, почев од малих, статичких мрежа које су ограничене и у погледу ресурса напајања, до великих, мобилних врло динамичких мрежа. Да би овако дефинисана, некоегзистентна мрежа функционисала потребни су врло сложени дистрибутивни алгоритми који поред осталог морају да остваре детерминисање мрежне организације, доступност линкова и шеме рутирања. Није могуће једнозначно унапред детерминисати проблем и могуће релације па је неопходно да мрежа има могућност самоорганизовања и прилагођа-вања тренутној ситуацији. Сваки чвор у мрежи логички се састоји из рутера, процесорског модула и модула за

бежичну комуникацију. Пример примене МAnet мрежа у војним тактичким комуникацијама дат је на слици 13.

Слика 13: Мобилни host и мобилни ruter у МAnет мрежи

У ad hoc мрежама користе се протоколи на захтев (on demand protocol). Уместо периодичног оглашавања рута, рута се открива само када је потребна, тј. на захтев што смањује саобраћај кроз мрежу. На слици 14. дат је преглед најчешће коришћених алгоритама рутирања у ad hoc мрежама, међу којима су и следећи протоколи на захтев:

Слика 14: Алгоритми ad hoc рутирања

- AODV – Ad hoc рутирање на захтев са вектором растојања (Ad Hoc On-Demand Vector Routing),

- DSR – Динамичко рутирање са прикупљањем адреса (Dynamic Source Routing),

- LMR – Једноставно мобилно рутирање (Lightweight Mobile Routing),

- TORA – Временски уређени алгоритам за рутирање (Temporally Ordered Routing Algorithm),

- ABR – Асоцијативно рутирање (Associativity Based Routing),

- SSR – Рутирање са стабилним сигналом (Signal Stability Routing).

2.8 Идејно решење системског и

апликативног софтвера Предлаже се да систем ИМСЗОП ради под оперативним системом LINUX који омогућава структуирање операти-

вног система према задатој апликацији што за последицу има смањење потребних меморијских ресурса, већу брзину рада, већу поузданост и безбедност креираног софтвера. Апликативни софтвер који се извршава на мултисензорској аквизиционој платформи развија се у ANSI C ++ језику. Део апликативног софтвера који се извршава на PC рачунару у центру за надзор развија се такође у C++ језику. У току израде пројекта дефинисаће се верзија LINUX оперативног система под којим ће се извршавати апликација као и верзија C++ развојног окружења која ће се користити у току развоја апликативног софтвера.

3. ЗАКЉУЧАК На основу анализе трендова у домену развоја савремених електронских система намењених периметраској заштити, било стационарних било преносних, може се закључити да у погледу концепције система не заостајемо за светским решењима. Евидентно техничко-технолошко заостајање делимично је могуће надокнадити применом квалитетних комерцијалних сензора, комуникационих уређаја и софтверске подршке, који уз одговарајуће дораде у потпуности могу да задовоље постављене тактичко-техничке захтеве и за ИМСЗОП.

4. ЛИТЕРАТУРА [1] Koenig A. J., Taylor L. (1997.) PERIMETER SECURITY SENSOR TECHNOLOGIES HANDBOOK, DARPA, NISE East 1997. [2] Srour N., (1999.) ARMY ACOUSTICS NEEDS, US Army Research Laboratory 1999. [3] Riley R., (2000.) PADS ALGORITHMS, USC Information Sciences Institute 2000. [4] Parker R., (2000) DISTRIBUTED SENSORS GROUP GOALS, METRICS AND CHALLENGES, USC Information Sciences Institute 2000. Abstract - For successful warfare operations management, but also for peaceful purposes of state border or special purpose civilian or military installations security protection and surveillance, it is necessary to manage valid data about all activities of significance (humans moving, moving of armor vehicles, artilleries and theirs positions, meteorological data, etc.). That kind of data is successfully obtainед by passive multi-sensor acquisition systems disperse in space of expected battle. In this paper we will introduce you about conception of modern systems that are in use in NATO armies, and activity of Military Technical Institute in realization of such a system, code name PRESEK, and developing of new Passive Multi-sensors Acquisition System with CCTV. INTEGRATED MULTISENSOR SECURITY SYSTEM CONCEPTION Miodrag Vujanović, Pavao Begović, Dragan Đurić