Environment aware multi-failure Network Restoration techniques using Fuzzy Logic. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF MSc_Thesis_Mohammed_Aldarwbi.pdf - Accepted Version Download (21MB) | Preview

Arabic Abstract

في شبكات الرجال الآليين والاستشعار ألاسلكية (WSRNs)، تقوم أجهزة الاستشعار بفحص محيطها وإبلاغ الرجال الآليين التي تستجيب بشكل تعاوني لتحقيق المهام المطلوبة منها.نظراً لأن هذا النوع من الشبكات يتم نشرها في مناطق بعيده أو خطره فأن احتمال فقدان الاتصال وارد بسبب حدوث أي كارثة طبيعية كالزلازل,البراكين أو فيضانات والتي قد تدمر جزء كبير من ألشبكة فتخلف عدة أجزاء منفصلة عن بعضها البعض. بما أن مهام الرجال الآليين هو انجاز مهام معينة حسب الطلب فمن الضروري الحفاظ على ألشبكة التي تربطهم ببعضهم متصله بقوه في جميع ألأوقات. أي أنه يجب أن يكون الرجال الآليين قادرين على اعادة الاتصال ببعضهم البعض في حالة انقطع الاتصال فيما بينهم بسبب تدمر عدة رجال آليين في بعض المناطق ألخطرة. كل الطرق ألموجودة لحل هذه ألمشكلة تضع في بالها فقط عدد الرجال الآليين الذين سيتحركوا لإستعادة الاتصال وكذالك كمية ألمسافة ألأزمة لحركتهم. بينما يتم تجاهل كمية ألطاقة ألباقية لديهم, أي أن هذه الطرق تأمر الرجل الآلي بالحركة حتى لو لم يكن لدية طاقة كافيه لذالك. نقترح طريقة جديده لحل ألمشكلة وهي باختيار الرجال الآليين الاعلى كفاءة بدلاً من ألأقرب مسافة. لتحديد مستوى كفاءة الرجل الآلي استخدمنا المنطق الضبابي (Fuzzy Logic) والذي بدورة يعتمد على عدة عوامل وهي المسافة وكمية الطاقة وكم عدد الرجال الآليين المجاورين. بعد ذالك نقترح طرق اخرى وهي (CoRFL, CoRFLN, CoRFL2) والتي جأت لتحل مشكلة حركة الرجال الآليين الذين يمثلون نقاط إرتكاز حرجه في ألشبكة. أي أن، إذا كان الرجل الآلي نقطة ارتكاز فحركته ستقسم ألشبكة إلى عدة أجزاء اخرى. وهذه الطرق المختلفه تحاول حل ألمشكلة بأمثلية تامّه. بعد اختيار افضل الرجال الآليين لإتمام عملية استعادة اتصال ألشبكة فإننا نسعى لجعلهم قادرين على المشي في طريق امن وقصير وخالي من التصادمات مع العوائق التي قد يصادفونها في طريقهم. لتحقيق هذا الهدف نقترح ثلاث طرق والتي تتيح للرجل الآلي القدرة على الوصول إلى هدفه في بيئة متعرجه ومتغيره وعرضه للتدمير. لنتأكد من سلامة وقوة الطرق التي اقترحناها لحل ألمشكلة, عملنا محاكاة مكثفه لكل الطرق ألمقترحة. وأظهرت نتائج ألمحاكاة قوة الطرق التي اقترحناها مقارنة إلى تلك الطرق ألمقترحة من قبل. تم استخدام رجل آلي تعليمي يدعى Khepera IV لإثبات نجاح الطرق ألمقترحة خصوصاً ما يتعلق بطرق تحديد المسار ألأقصر وألأمن والخالي من ألتصادمات.

English Abstract

Wireless Sensor and Robot Networks (WSRNs) are getting more attention in a wide range of industries. This type of networks can be deployed in harsh environments or where human intervention is risky or impossible. In these environments, WSRNs may suffer simultaneous failure of multiple nodes causing the network to be partitioned into disjoint parts which make these robot unable to communicate with each other and eventually unable to fulfil their mission. Existing approaches in the literature have mainly focused on restoring network connectivity while taking into account only the number of mobile nodes and the traveled distance cost and ignoring important factors such power-level of the robot, WSRN lifetime, and environmental conditions that constrain the robot motion. These conditions may hinder the robot travel on a direct path between two positions. In this thesis, a distributed node-repositioning algorithm based on fuzzy logic (CoRFL) is proposed to reduce the number of exchanged messages for network failure detection, restore the network connectivity, enhance the network lifetime, and optimize the selection of the recovery path in a partially known environment. To minimize the intra-segment partitioning, CoRFL excludes critical nodes for network connectivity from participation in the recovery process. Two improved versions of CoRFL are also presented, namely CoRFLN and CoRFL2. In CoRFLN, if qualified a critical node is to participate in the recovery process, it gets replaced by its nearest node. On the other hand, in CoRFL2, fuzzy logic is employed again to find the best-replacement of relacotaed critical nodes. Once, the recovery team is selected, the most suitable recovery path is to be determined. A direct travel path is not always possible; therefore, three different approaches are proposed to find the safest, shortest, and collision-free recovery path, respectively. PD* is the proposed algorithm for finding the collision-free path by exploiting the power of Artificial Potential Field in avoiding the obstacles to smoothen the path generated by a grid-based algorithm. The second algorithm is a Smoothed PD* which shortens the generated path by utilizing Dijkstra algorithm. The last one is Secure PD* which pre-prepares the secure level of passing through space and find a hazard-free path. Extensive simulation experiments have been conducted to validate the above algorithms. The simulation results demonstrate outstanding performance compared to sample competing approaches in terms of the total travel distance, average remaining energy of the recovery team, and the lifetime of WSRNs. Moreover, a proof-of-concept real experiment using Khepera IV robots has been carried out for validating the proposed algorithms.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Computer
Department:	College of Computing and Mathematics > Computer Engineering
Committee Advisor:	Baroudi, Uthman
Committee Members:	Younis, Mohamed and Abu-amara, Marwan
Depositing User:	MOHAMMED YAHYA ALDARWBI (g201304150)
Date Deposited:	29 Jan 2017 06:08
Last Modified:	01 Nov 2019 16:37
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140243