Fuzzy models of wireless components sensor networks

Abstract

The article addresses the problem of modeling wireless sensor networkcomponents operating under uncertainty and the influence of external factors. The relevance of the research stems from the growing need for reliable and autonomous monitoring and control systems in industrial environments, especially under conditions where wired communication is not feasible or consistent. Classical models with strictly defined input parameters fail to adequately reflect the dynamics and unpredictability of sensor node behavior and communication links, which limits the accuracy of performance assessment and complicates the design of robust systems. The aim of this study is to develop a formalized approach for describing wireless sensor networkbehavior under uncertainty using fuzzy logic and semantic representation. The proposed solution isbased on a generalized modeling framework that utilizes the theory of fuzzy sets and supports both crisp and fuzzy input/output variables. Two universal formulations are introduced: one that models relationships solely between fuzzy variables, and anotherthat links crisp parameters with fuzzy outputs. These models serve as a flexible basis for representing typical processes in wireless sensor networks,where parameters are often only partially known, qualitatively estimated, or described in linguistic terms. Variables are mapped into an orthogonal semantic space, allowing the use of membership functions for further reasoning and integration into ontological structures. Although detailed structural models of sensor nodes and communication channels are not included in this version and will be presented in a separate follow-up study, the current work lays the methodological groundwork for their development. The scientific novelty lies in the creation of a unified fuzzymodeling framework that supports both abstract and data-driven representations of uncertainty in wireless sensor networks. The practical significance is seen in the applicability of the proposed approach to designing adaptive, context-aware sensor networks capable of operating reliably in challenging and resource-constrained environments. The introduced models provide enhanced flexibility, semantic interpretability, and accuracy in representing real-world operational conditions.

У статті розглядається проблема моделювання компонентів бездротових сенсорних мереж, що функціонують в умовах невизначеності та впливу зовнішніх факторів. Актуальність дослідження зумовлена зростаючою потребою у надійних та автономних системах моніторингу й керування в промисловому середовищі, особливо за умов, коли дротовий зв’язок є неможливим або нестабільним. Класичні моделі зі строго визначеними вхідними параметрами не здатні адекватно відображати динаміку та непередбачуваність поведінки сенсорних вузлів і каналів зв’язку, що обмежує точність оцінки їх працездатності та ускладнює проєктування надійних систем. Метою цього дослідження є розробка формалізованого підходу до опису поведінки бездротових сенсорних мереж в умовах невизначеності з використанням апарату нечіткої логіки та семантичного представлення. Запропоноване рішення ґрунтується на узагальненій моделювальній схемі, що базується на теорії нечітких множин і дозволяє опрацьовувати як чіткі, так і нечіткі вхідні та вихідні змінні. Представлено двауніверсальні варіанти формулювання моделей: один описує взаємозв’язки виключно між нечіткими параметрами, інший –пов’язує чіткі вхідні значення з нечіткими виходами. Такі моделі слугують гнучкою основою для представлення типових процесів у бездротових сенсорних мереж, де параметри часто є лише частково відомими, якісно оціненими або описаними лінгвістично. Змінні відображаються в ортогональному семантичному просторі, що дозволяє використовувати функції належності для подальшого логічного виведення та інтеграції в онтологічні структури. Попри те, що детальні структурні моделі сенсорних вузлів та каналів зв’язку не включено до цієї версії роботи та будуть представлені в окремому подальшому дослідженні, представлена методологія створює концептуальну основу для їх розробки. Наукова новизна полягає у створенні уніфікованого підходу до нечіткого моделювання, який підтримує як абстрактне, так і даноорієнтоване представлення невизначеності в бездротових сенсорних мережах. Практична цінність полягає в можливості застосування запропонованого підходу під час проєктування адаптивних, контекстно-орієнтованих сенсорних мереж, здатних надійно функціонувати в умовах підвищеної складності та обмежених ресурсів. Запропоновані моделі забезпечують підвищену гнучкість, семантичну інтерпретованість і точність у відображенні реальних умов експлуатації.