Παρακολούθηση ανοιχτού χώρου με ασύρματο δίκτυο αισθητηρίων σε εφαρμογές ασφαλείας

Abstract

Lately, the sense of insecurity in modern cities has been increased. A number of terrorist attacks in the centers of several European capitals are forcing traditional security systems to be immediately modernized and improved. Thus, the need to address security becomes a growth lever for innovative intruder detection and early warning systems. One of the most effective technological solutions is provided by the technology of Wireless Sensor Networks - WSNs. In this scope, a number of solutions have already been adopted by supercomputers and other sophisticated electronic resource systems for processing huge volumes of data. As an alternative to this approach, efforts are being made to use simpler and more easily applicable solutions. In this context, this thesis focuses on the theoretical and real case evaluation of a WSN method, named the WSNmod method.Specifically, the WSNmod method introduces the concept of primary and secondary parameters to fuse and process WSN measurements. The primary parameters are the measurements of the sensors which draw the conclusion concerning the presence or absence of a potential intruder. The secondary parameters are derived from a set of sensors, the measurements of which determine the confidence level of the prima-ry ones. Thus, the secondary parameters have no direct role in the final decision on the existence of a possible intruder in the monitoring area. Briefly, the WSNmod algorithm is analyzed as follows: initially, all the measurements are quantized by the three-level logic. Then the level of trust of the primary parameters is determined. In the next step, the primary parameters are fused and the sequence of indications concerning the presence or absence of an intruder is extracted. In the final stage, these indicators are filtered in an ap-propriate-time window. Thus, the final result of the method is obtained, in terms of the existence or not of a potential intruder in an open real-time monitoring area.To evaluate the method initially, simulations were performed on a range of environmental conditions as well as on a number of test invasion scenarios. Then, and after the significantly positive results from the simulations, a set of sensor nodes was developed in a closed environmentally controlled space. A number of repeated, yet alternate, invasion scenarios were tested in this area. Scenario measurements were processed according to the WSNmod method. The analysis of the experiments and measurements indicates that the method presents both a high level of detection as well as a number of promising applications in open space security systems.Along with the WSNmod evaluation, another related area of research has emerged. Specifically, this is the selection of the appropriate primary and secondary sensors of applications. Thus, through the literature review and the experimental process, the selection of the appropriate sensors seems to be of utmost importance and it is a necessary factor in order to ensure a high level of successful intruder detection. A set of measurable parameters, which can determine the level of trust in decision-making metrics, play a very important role in this process. Therefore, the following safe conclusion is drawn: the decision-making of the respective method can no longer depend strictly on a number of sensors monitoring the phenomenon, but must be accompanied by additional measurements in the field, especially in the case of open space applications.Both the decision-making method and the other areas analyzed in the present work are an integral part of the required research. The whole theoretical approach and the conclusions drawn from the evaluation of the method are presented in the individual chapters of the issue but are also briefly mentioned at the end of it, so that they can be retrieved or integrated in some other work more easily.

Tα τελευταία χρόνια το αίσθημα ασφάλειας του μέσου πολίτη του αναπτυγμένου κόσμου δοκιμάζεται ο-λοένα και περισσότερο. Πλήθος τρομοκρατικών επιθέσεων στο κέντρο των ευρωπαϊκών πρωτευουσών αναγκάζει τα παραδοσιακά συστήματα ασφαλείας σε άμεσο εκσυγχρονισμό και βελτίωση. Έτσι, η ίδια η ανάγκη αντιμετώπισης της ανησυχίας σχετικά με θέματα ασφάλειας, γίνεται μοχλός ανάπτυξης καινοτόμων συστη-μάτων ανίχνευσης εισβολέων και έγκαιρης προειδοποίησης. Μία από τις πιο αποτελεσματικές τεχνολογικές λύσεις παρέχεται από την τεχνολογία των Ασύρματων Δικτύων Αισθητηρίων - ΑΔΑ. Σε αυτήν την προσπάθεια, οι περισσότερες λύσεις έχουν ήδη υιοθετήσει υπερυπολογιστές και άλλα πολύπλοκα συστήματα ηλεκτρονικών πόρων για την επεξεργασία τεράστιου όγκου δεδομένων. Εναλλακτικά με αυτήν την προσέγγιση, γίνονται προσπάθειες και χρησιμοποιούνται ήδη απλούστερες και πιο εύκολα εφαρμόσιμες λύσεις. Στο πλαίσιο αυτό, η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στην θεωρητική ανάπτυξη και πρακτική αξιολόγηση της μεθόδου WSNmod. Συγκεκριμένα, η μέθοδος WSNmod εισάγει στη λογική σύντηξης και επεξεργασίας των μετρήσεων ΑΔΑ, την έννοια των πρωτευόντων και δευτερευόντων παραμέτρων. Οι πρωτεύουσες παράμετροι, είναι οι μετρήσεις των αισθητηρίων τα οποία εξάγουν το συμπέρασμα της παρουσίας ή μη ενός ενδεχόμενου εισβολέα. Οι δευτερεύουσες παράμετροι προκύπτουν από ένα σύνολο αισθητηρίων, οι μετρήσεις των οποίων προσδιορίζουν το επίπεδο εμπιστοσύνης των πρωτευόντων παραμέτρων. έτσι, οι δευτερεύουσες παράμετροι, δεν έχουν κανένα άμεσο ρόλο στην τελική απόφαση περί ύπαρξης πιθανού εισβολέα στο χώρο παρακολούθησης ή μη. Συνοπτικά, ο αλγόριθμός της WSNmod αναλύεται ως εξής: αρχικά, το σύνολο των μετρήσεων κβαντίζονται με τη λογική των τριών επιπέδων. Ακολούθως προσδιορίζεται το επίπεδο εμπιστοσύνης των πρωτευόντων παραμέτρων. Στο επόμενο βήμα γίνεται η σύντηξη των πρωτευόντων παραμέτρων και εξάγεται η ακολουθία των ενδείξεων ύπαρξης ή μη εισβολέα. Στο τελικό στάδιο, οι ενδείξεις αυτές, φιλτράρονται σε κάποιο κατάλ-ληλο χρονικό παράθυρο. Έτσι, προκύπτει το τελικό αποτέλεσμα της μεθόδου, το οποίο είναι η ύπαρξη ή όχι, πιθανού εισβολέα στον ανοιχτό χώρο παρακολούθησης σε πραγματικό χρόνο.Για την αξιολόγηση της μεθόδου αρχικά, έγιναν προσομοιώσεις σε ένα εύρος περιβαλλοντικών συνθηκών καθώς και με ένα πλήθος δοκιμαστικών σεναρίων εισβολής. Έπειτα, και μετά τα άκρως θετικά αποτελέσματα που ανέκυψαν από τις προσομοιώσεις, αναπτύχθηκε ένα σύνολο κόμβων αισθητηρίων σε κλειστό ελεγχόμενο περιβαλλοντικά χώρο. Στο χώρο αυτό δοκιμάστηκαν επαναλαμβανόμενα, διαφορετικά, σενάρια εισβολής. Οι μετρήσεις των σεναρίων, υπέστησαν επεξεργασία σύμφωνα με τη μέθοδο WSNmod. Από την ανάλυση των πειραμάτων και των μετρήσεων προκύπτει ότι, η μέθοδος παρουσιάζει αφενός ένα υψηλό επί-πεδο ανίχνευσης και αφετέρου έναν αριθμό από υποσχόμενες εφαρμογές σε συστήματα ασφαλείας ανοιχτού χώρου. Παράλληλα με την αξιολόγηση της WSNmod, αναφάνηκε ένας ακόμη συγγενής τομέας διερεύνησης. Συ-γκεκριμένα, αυτός, της επιλογής των κατάλληλων πρωτευόντων και δευτερευόντων αισθητηρίων των εφαρμογών. Έτσι λοιπόν, μέσα από τη βιβλιογραφική επισκόπηση αλλά και την πειραματική διεργασία, η επιλογή των κατάλληλων αισθητηρίων, φαίνεται να είναι υψίστης σημασίας και να διασφαλίζει ένα υψηλό επίπεδο επιτυχούς ανίχνευσης εισβολέα. Σημαντικότατο ρόλο σε αυτό αποδεικνύεται ότι παίζουν το σύνολο των με-τρήσιμων παραμέτρων, οι οποίες μπορούν να προσδιορίσουν το επίπεδο εμπιστοσύνης των μετρήσεων της λήψης αποφάσεων. Ως εκ τούτου, εξάγεται το ασφαλές συμπέρασμα ότι η λήψη αποφάσεων της εκάστοτε μεθόδου δεν μπορεί πια, να εξαρτάται αυστηρώς και μόνο από ένα πλήθος αισθητηρίων παρακολούθησης του φαινομένου, αλλά πρέπει να συνοδεύεται από επιπλέον μετρήσεις στο πεδίο, ειδικά δε στην περίπτωση των εφαρμογών ανοιχτού χώρου. Τόσο η μέθοδος λήψης απόφασης όσο και τα λοιπά πεδία που αναλύθηκαν στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας αποτελούν αναπόσπαστο κομμάτι της έρευνας που απαιτήθηκε. Το σύνολο της θεωρητικής προσέγγισης αλλά και των συμπερασμάτων της αξιολόγησής της μεθόδου, παρατίθενται στα επιμέρους κεφάλαια του τεύχους αλλά και συνοπτικά στο τέλος αυτού, για την εύκολη ανάκτηση και ενσωμάτωσή τους σε επόμενη εργασία.