唐 松,尼瑪扎西,高定國(西藏大學(xué)工學(xué)院,拉薩850000)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在青藏鐵路凍土監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用
唐松,尼瑪扎西,高定國
(西藏大學(xué)工學(xué)院,拉薩850000)
介紹了開展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在青藏鐵路凍土監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用研究的必要性,提出了青藏鐵路凍土監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要研究開發(fā)內(nèi)容、應(yīng)用場景、節(jié)點的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。指出青藏鐵路凍土監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備經(jīng)濟、高效、實時、便捷、節(jié)能的特點,能有效促進無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的凍土監(jiān)測示范系統(tǒng)的部署和建立。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò);青藏鐵路凍土監(jiān)測;節(jié)點;示范系統(tǒng)
當(dāng)前青藏鐵路凍土監(jiān)測主要采用人工巡視和電子設(shè)備監(jiān)控的方式,但這兩種方式不能同時滿足經(jīng)濟、高效、實時、便捷、節(jié)能的監(jiān)測要求。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)兼具這些特點,因此開展對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在青藏鐵路沿線凍土環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的可行性研究,并建立示范系統(tǒng)進行應(yīng)用驗證和展示具有重要意義,可為今后無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在青藏鐵路凍土監(jiān)測方面大規(guī)模的應(yīng)用積累經(jīng)驗。
青藏鐵路是世界工程建設(shè)史上的一個偉大創(chuàng)舉,但由于青藏鐵路主要路段鋪設(shè)在生態(tài)環(huán)境脆弱的青藏高原,并且其中長達632 km的路基位于多年凍土區(qū)(大片連續(xù)多年凍土區(qū)長度約550 km,島狀不連續(xù)多年凍土區(qū)長度82 km),所以由鐵路運輸帶來的人類活動對高原環(huán)境(包括對凍土層)的影響成為了全世界關(guān)注的問題,而由此引起的凍土層變化對路基穩(wěn)定性和鐵路安全性的影響也成為各方面研究的重點[1]。因此,有必要在青藏鐵路所處的高原高寒、氣候惡劣、人煙稀少、交通不便的多年凍土區(qū)建立具備數(shù)據(jù)自動采集、自動傳輸、自動分析處理功能的無人值守長期監(jiān)測系統(tǒng),對凍土狀態(tài)數(shù)據(jù)(如凍土表面和內(nèi)層的溫濕度、淺層地表溫度、活動層熱狀況、水分動態(tài)變化等)進行長期、連續(xù)地采集。只有在該類監(jiān)測系統(tǒng)支持下對凍土變化進行長期不間斷和大范圍地數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控,才能分析和評估青藏鐵路的運輸安全、環(huán)境保護問題。但在長達632 km的高原高寒多年凍土路段建立多測點、長距離、長期的自動監(jiān)測系統(tǒng)是亟待解決的重要技術(shù)難題。
青藏高原多年凍土區(qū)大多屬高溫凍土,年平均氣溫高,凍土厚度較薄,熱穩(wěn)定性差,對環(huán)境熱狀態(tài)變化的敏感性大,極易受工程的影響產(chǎn)生融化下沉[2]。隨著全球氣溫逐步上升,鐵路工程必定擾動凍土表面和路基的穩(wěn)定性,也難以消除對沿線凍土環(huán)境引起的負面作用,突出表現(xiàn)為改變凍土區(qū)域表面環(huán)境,干擾、破壞凍土層水熱狀態(tài),造成路基冷凍膨脹變形和受熱融化沉陷等現(xiàn)象,給列車安全行駛帶來嚴(yán)重威脅。凍土退化所引起的凍土環(huán)境變化不僅僅局限于凍土層內(nèi),更明顯地表現(xiàn)為對周邊環(huán)境的不利影響。凍土退化使其削弱甚至失去涵養(yǎng)水源的能力,依附于凍土層表面、提供高原植物生命源泉的凍結(jié)層地下水水位連續(xù)降低,甚至可能不復(fù)存在,因此可引發(fā)高寒草地的退化,在青藏高原劇烈的溫差環(huán)境條件下,更進一步導(dǎo)致土地荒漠化、沙漠化、鹽漬化加劇。同時,凍土退化導(dǎo)致植物數(shù)量、種類和覆蓋率下降,使田鼠等食草性動物大量繁殖,加劇了草原退化和青藏高原生態(tài)環(huán)境的惡性循環(huán)。有關(guān)專家指出,凍土退化引發(fā)的水環(huán)境變異和沼澤濕地等結(jié)構(gòu)的改變將影響到熱量平衡和輻射平衡的變化,很可能會造成青藏高原氣候惡化,同時影響到青藏鐵路的安全[3]。
青藏鐵路的成功建設(shè)標(biāo)志著中國是繼俄羅斯之后世界上第2個掌握凍土工程施工的國家。但高原凍土狀態(tài)的穩(wěn)定性易受氣候和鐵路運營影響[4],出于鐵路運輸安全考慮,必須實時、精確、全方位監(jiān)控青藏鐵路凍土區(qū)域。長期積累的觀測數(shù)據(jù)有利于正確評估青藏鐵路對生態(tài)環(huán)境的影響,并能有針對性地設(shè)計與實施環(huán)境保護方案和措施。此外,若WSN監(jiān)控中心收到報警信息或從監(jiān)控數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)凍土區(qū)存在險情,青藏鐵路管理中心可及時應(yīng)對,通知現(xiàn)場工作人員或最近的值班人員做出應(yīng)急處理,確保西藏運輸動脈——青藏鐵路的安全運營。
目前,使用無線化、智能化、數(shù)字化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可對青藏鐵路沿線的某些凍土區(qū)域進行長期、連續(xù)的環(huán)境數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測。凍土狀態(tài)數(shù)據(jù)通過WSN進行采集和預(yù)處理,當(dāng)溫度或濕度數(shù)值超過報警閾值時,節(jié)點自主發(fā)送報警信息給監(jiān)控中心和值班人員,數(shù)據(jù)通過無線中繼和有線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)千公里外的數(shù)據(jù)中心進行分類存儲和研究分析?;谒杉降拈L期觀測數(shù)據(jù),可研究和分析凍土退化與鐵路運輸活動以及季節(jié)變化等因素之間的相互作用關(guān)系[5],同時通過互聯(lián)網(wǎng),全世界對凍土問題感興趣的研究人員均可以共享這些數(shù)據(jù)和成果。因此,青藏鐵路凍土監(jiān)控的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主要研究開發(fā)內(nèi)容包括:①青藏鐵路凍土監(jiān)控的WSN的適用性調(diào)研和合理方案規(guī)劃;②基于WSN的青藏鐵路凍土監(jiān)控示范系統(tǒng)的部署和創(chuàng)建;③凍土監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的軟件設(shè)計和研發(fā)。
圖1是構(gòu)建青藏鐵路凍土監(jiān)控的WSN應(yīng)用場景。在青藏鐵路沿線凍土區(qū)域部署大量隨網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)改變而動態(tài)調(diào)整區(qū)域監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的WSN節(jié)點。根據(jù)這種結(jié)構(gòu),一個WSN由數(shù)個簇(cluster)組成,簇由一定數(shù)量的節(jié)點組成。簇內(nèi)的節(jié)點分為多個普通節(jié)點和一個簇首(cluster header)。分布于凍土層表面的普通節(jié)點自動采集地表溫濕度、光照強度等信息,分布于凍土層內(nèi)層的普通節(jié)點自動采集凍土層內(nèi)層不同深度的溫濕度信息。信息通過無線信道發(fā)送到簇首。類似于網(wǎng)關(guān)作用的簇首運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方式計算出相應(yīng)的數(shù)據(jù)索引(data index),并傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(sink node)。匯聚節(jié)點將WSN連接到鐵路沿線已有的廣域網(wǎng)絡(luò)上,并最終通過廣域網(wǎng)實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)接和通信。數(shù)據(jù)中心通過互聯(lián)網(wǎng)接收或查詢來自凍土區(qū)的WSN監(jiān)測數(shù)據(jù)。最后在數(shù)據(jù)中心,使用專家系統(tǒng)對所采集的數(shù)據(jù)進行處理,分析凍土變化規(guī)律,評估、預(yù)測凍土狀態(tài)的發(fā)展趨勢。
圖1 青藏鐵路凍土監(jiān)測的WSN應(yīng)用場景
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分成3類:匯聚節(jié)點、簇頭節(jié)點和傳感器節(jié)點。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點、簇頭節(jié)點主要完成數(shù)據(jù)發(fā)送、接收功能,所以WSN節(jié)點包含無線通信模塊和微處理模塊等器件。傳感器節(jié)點主要采集青藏鐵路凍土區(qū)域表面信息(光照強度、溫濕度)和內(nèi)層中的信息(溫濕度),經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換和處理器處理后,通過射頻模塊傳輸至鄰接點。此鄰接點將收到的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā),即把鄰接點傳輸?shù)男畔鬏斨辆啻厥坠?jié)點更近的節(jié)點或簇首節(jié)點[6],再把數(shù)據(jù)傳輸至匯聚節(jié)點。節(jié)點系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分成4個模塊(如圖2所示),其中:供電模塊保證節(jié)點有效使用期限長、集成化程度高,所以電池具備容量大、體積小的特點;無線傳輸模塊確保相隔很近的節(jié)點間維持通信且耗能少;數(shù)據(jù)采集模塊負責(zé)采集凍土層表面溫濕度和光照強度以及凍土層內(nèi)層中的溫濕度信息;數(shù)據(jù)處理模塊分析、處理和存儲通過I2C方式傳輸?shù)膫鞲衅鞑杉畔?。?jié)點硬件設(shè)計要點是采用低功耗的單片機MSP430F1611和微型傳感器,它們可實時地采集、處理凍土區(qū)域表層的溫濕度、光照強度參數(shù),以及凍土內(nèi)層的溫濕度參數(shù)。
圖2 節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)
3.1數(shù)據(jù)采集模塊
數(shù)據(jù)采集模塊通過溫濕度傳感器采集青藏鐵路凍土區(qū)域表面和內(nèi)層的溫濕度信息,通過光照強度傳感器采集青藏鐵路凍土區(qū)域表面的光照強度信息,通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,然后傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊進行處理。
3.1.1節(jié)點溫濕度傳感器
青藏鐵路凍土區(qū)域表面和內(nèi)層的溫濕度測量采用數(shù)字式顯示傳感器SHTll,它具有I2C總線接口,且單片全校準(zhǔn)功能的實現(xiàn)是基于二線串行接口結(jié)構(gòu),一體化集成濕度和溫度測量。圖3為SHTll和微處理器的引腳連線。時鐘線(SCK)和數(shù)據(jù)線(DATA)通過引出兩條I/O端口線實現(xiàn),GND和VDD端連接1只去耦電容的兩極,DATA端口連接1只上拉電阻的一端。通過相關(guān)軟件設(shè)計可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳送。
圖3 SHT11和微處理器的引腳連線
3.1.2節(jié)點光照強度傳感器
選用TSL230B光照強度傳感器測量青藏鐵路凍土區(qū)域表面的光照輻射強度。此傳感器主要組成部分為LinCMOS電流頻率集成轉(zhuǎn)換器,可以轉(zhuǎn)換高分辨率的光照頻率,且無需借助任何外接器件。光照強度是TSL230B方波或三角波的頻率輸出的唯一決定因子。TSL230B具有與微處理器直接相連(圖4為它們的連線方式)和分辨率高的特點。此光強傳感器的靈敏度控制端是S1、S0端口,分頻系數(shù)選擇端為S3、S2端口,信號輸出端是OUT端口。單片機獲得輸入信號時,通過計數(shù)算出兩次獲得的信號數(shù)值差,由此可算出頻率輸出值,并根據(jù)頻率輸出值-光照強度關(guān)系轉(zhuǎn)換表最終得出計量單位為W/cm2的光照強度。
圖4 TSL230B和微處理器引腳連線
3.2節(jié)點微控制器模塊
節(jié)點的控制中心是微控制器,其性能對整個節(jié)點的性能起到?jīng)Q定性作用。系統(tǒng)選用16bitRISC混合信號處理器MSP430F1611。此芯片具有精度高、集成度高、功耗非常低的特點,在1.5~3.5 V都能正常工作[7-8],活動模式工作電流為325μA,休眠模式電流為1.1μA,關(guān)閉狀態(tài)電流為0.2 μA。該芯片外設(shè)具有2路12 bit的數(shù)模轉(zhuǎn)換器和8路12bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,使得系統(tǒng)的硬件設(shè)計得到簡化,性價比獲得很大提升。系統(tǒng)包含3個時鐘信號:DCO、低頻時鐘和高頻時鐘各1個。時鐘可以根據(jù)具體需要靈活選擇,保證整個系統(tǒng)工作于最合理的時鐘頻率。該芯片外圍接口包括I2C接口、SPI接口和標(biāo)準(zhǔn)串口,便于多種設(shè)備連接。MSP430F1611內(nèi)部存儲空間充足,包括容量為50 kB的Flash和容量為10 kB的RAM,為軟件協(xié)議的正?;\行、便捷設(shè)計和實現(xiàn)提供了保障。系統(tǒng)還具備中斷激活特性,通過中斷可使單片機從Sleep模式喚醒為Active模式,極大節(jié)約了節(jié)點的能耗,對青藏鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計具有很強的適應(yīng)性。
3.3節(jié)點射頻通信模塊
本系統(tǒng)基于節(jié)點節(jié)能和延長有效壽命的原則,選擇CC2420射頻芯片。青藏鐵路凍土監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,MSP430F1611工作模式為主機模式,CC2420工作模式為從機模式,緩沖器內(nèi)的信息讀寫和CC2420寄存器參數(shù)設(shè)置均通過SPI接口實現(xiàn)。圖5是具體的引腳連線。CC2420特點如下:采用有源RF發(fā)送、接收信息;工作頻段是2.4 GHz;支持IEEE802.15.4協(xié)議;可實時監(jiān)控電池電量;采用直接序列擴頻技術(shù);發(fā)送、接收信息的速率都可達250 kb/s;具有128字節(jié)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū);發(fā)射功率可編程調(diào)節(jié)[9-11];發(fā)送、接收信息的工作電流各低至17.5 mA和18.5 mA,能耗少;可選擇外部或內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器,兩者調(diào)節(jié)的電壓分別為1.5~2.0 V和2.0~3.5 V,電源電壓低;通過四線SPI總線(CSn、SCLK、SO和SI)實現(xiàn)狀態(tài)寄存器和緩存信息的讀/寫;可進行CC2420的工作模式設(shè)定等。
圖5 CC2420和MCU引腳連線
3.4節(jié)點供電模塊
結(jié)合青藏鐵路沿線環(huán)境極端、某些路段或某些時間段無人值守,以及節(jié)點沿鐵軌分布的實際情況,需要盡量減少網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)調(diào)整次數(shù),同時為利用西藏日照時間長且強度大的太陽能資源,凍土層表面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點采用太陽能和電池雙供電系統(tǒng)。在挑選電子原件時,系統(tǒng)從盡量減少能耗的角度出發(fā),將各模塊的工作電壓控制在2.5~3.5 V的低水平范圍內(nèi)。所以,凍土層表面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點白天啟用太陽能供電系統(tǒng),夜間切換至電池供電系統(tǒng),如果是兩節(jié)5AA的電池,電池容量為1.5 A/h,夜間每隔1 min測量1次溫濕度和光照強度,再考慮少量的能量損耗,可計算出凍土層表面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點供電時限最短為1年。
3.5節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計核心
青藏鐵路無線傳感器凍土監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的高原環(huán)境要求節(jié)點體積盡量小,所以選擇的電子元件在同類型中是最小的。然而在電路板布線設(shè)計時,若節(jié)點體積超過限度,太近的線路可能導(dǎo)致干擾產(chǎn)生,因此節(jié)點設(shè)計的關(guān)鍵在于抗干擾設(shè)計。節(jié)點電路板可設(shè)計成4層結(jié)構(gòu),CC2420底部接地層通過多個過孔實現(xiàn),沒有布線之處敷銅且接地,與器件近距離地放置濾波電容。與此同時,出于盡量降低電磁干擾的目的,最好隔離模擬電源和數(shù)字電源,一般可采用0Ω磁珠或者電阻來進行隔離。應(yīng)盡量避開樹木和隧道墻壁進行節(jié)點布設(shè),以減少樹木和隧道墻壁對電磁波的吸收,提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
基于OSI(open system interconnection model)模型設(shè)計了通信協(xié)議,從監(jiān)控節(jié)點易于設(shè)計、開發(fā)的角度出發(fā),選用ZigBee協(xié)議棧(Z-Stack)的通用型結(jié)構(gòu)。ZigBee聯(lián)盟制定的ZigBee協(xié)議主要應(yīng)用于低成本、低能耗設(shè)備的短距離、低速的無線互連通信,其優(yōu)點與青藏鐵路凍土監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求相符。ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用程序接口的架構(gòu)設(shè)計,其中應(yīng)用程序接口的框架包括了ZigBee設(shè)備對象、應(yīng)用支持子層等。IEEE802.15.4適用于OSI模型倒數(shù)第二層的媒質(zhì)訪問控制(MAC:Medium Access Control)子層和底層的物理層(PHY:Physical Layer)。圖6為Z-Stack模型結(jié)構(gòu),含有管理服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)的服務(wù)接入點以便讓相鄰層級之間連通。通過對應(yīng)的服務(wù)原語,每個層級能夠服務(wù)于其鄰接層。
圖6 節(jié)點ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)
圖7為節(jié)點工作流程。Z-Stack采用事件輪循機制極大地減少了系統(tǒng)的能耗,延長了節(jié)點有效壽命。各模塊初始化后,系統(tǒng)進入低能耗掃描隧道的休眠模式,信號在事件發(fā)生時產(chǎn)生并通過信道傳播。系統(tǒng)掃描到信號后被喚醒,I/O中斷進行事件的響應(yīng)處理,處理結(jié)束后重返初始的休眠模式[12-15]。假如若干事件同時發(fā)生,先進行優(yōu)先級判斷,按照優(yōu)先級等級對事件進行排序和響應(yīng)處理?;诔绦虼a的可移植性、可讀性、運行穩(wěn)定性和高效性的設(shè)計原則,以IAR Workbench V4.30作為軟件開發(fā)平臺,選用C語言編程。
圖7 節(jié)點工作流程
通過在凍土地帶所建立的自動數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng),將能夠進行實時不間斷的數(shù)據(jù)采集和處理,分析凍土隨溫度變化而發(fā)生的變化,從而減少這種變化對青藏鐵路帶來的危害以及全球氣候變暖對青藏高原環(huán)境的進一步影響,同時對凍土變化引起的鐵軌變形等危情做出預(yù)警。這樣,對于因交通流量和工程活動引起的凍土和地表環(huán)境的變化,以及由于凍土層的變化而引起的鐵路路基和軌道的變化[16-17],無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將提供一種全新的監(jiān)控手段,對青藏鐵路的安全運行提供強有力的保障。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在青藏鐵路上的成功應(yīng)用將對我國各高寒地區(qū)凍土監(jiān)測起到重要的示范作用和影響。進一步地,如果在面向特定環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上建立環(huán)境監(jiān)測評估體系,將具有信息準(zhǔn)確而全面、反饋周期短、時效性強、精度高的特點,可在我國環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的推動作用,其經(jīng)濟和社會效益不可估量。現(xiàn)階段無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還未形成大規(guī)模的市場應(yīng)用,仍處于實驗室階段。青藏鐵路凍土監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為開展這一領(lǐng)域的應(yīng)用研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供了良好的試驗環(huán)境和機遇,有利于西藏在該領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位。
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(責(zé)任編輯楊黎麗)
Application Research of W ireless Sensor Networks in A rea of Qinghai-Tibet Railway Perm afrost M onitoring
TANG Song,NIMA Zha-xi,GAO Ding-guo
(Institute of Technology,Tibet University,Lhasa 850000,China)
The necessity to carry out the applied research of wireless sensor networks in permafrost monitoring areas of Qinghai-Tibet railway was discussed,and the primary research and development content,application scenarios,the node hardware design and software design of Qinghai-Tibet railway permafrostmonitoringwireless sensor networkswere proposed.Qinghai-Tibet railway permafrostmonitoringwireless sensor networks have the features of economic,efficient,real-time,convenientand energy-saving,which can effectively promote the deployment and establishment of the demonstration systems ofwireless sensor networks permafrostmonitoring.
wireless sensor networks;Qinghai-Tibet railway permafrostmonitoring;node;demonstration systems
TP212
A
1674-8425(2015)05-0112-07
10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.05.020
2014-12-25
國家自然科學(xué)基金資助項目(61331013);計算機及藏文信息技術(shù)國家級教學(xué)團隊項目
唐松(1985—),男,安徽安慶人,碩士研究生,主要從事網(wǎng)絡(luò)與信息安全研究;尼瑪扎西(1964—),男(藏族),西藏山南人,教授,主要從事網(wǎng)絡(luò)與信息安全、藏文信息處理技術(shù)研究。
唐松,尼瑪扎西,高定國.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在青藏鐵路凍土監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2015(5):112-118.
format:TANG Song,NIMA Zha-xi,GAO Ding-guo.Application Research ofWireless Sensor Networks in Area of Qinghai-Tibet Railway Permafrost Monitoring[J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science,2015(5):112-118.