劉志光

摘要：隨著無(wú)線傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，無(wú)線傳感器故障檢測(cè)成為重中之重。現(xiàn)有無(wú)線傳感故障診斷基于無(wú)線傳感器傳感數(shù)據(jù)的時(shí)空相關(guān)性進(jìn)行，當(dāng)無(wú)線傳感器分布密集且故障較少時(shí)，能達(dá)到很好的診斷精度。提出一種基于距離加權(quán)的算法，將鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)加權(quán)平均后與待檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行比較，提高了故障診斷的精度，且能對(duì)具有正常診斷的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行擴(kuò)散，減少能量消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器；故障診斷；時(shí)空相關(guān)性；距離加權(quán)

DOIDOI：10.11907/rjdk.181168

中圖分類號(hào)：TP312

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2018）009010604

英文標(biāo)題Fault Diagnosis in Wireless Network Sensor Fault Based on Distance Weighting Algorithm

--副標(biāo)題

英文作者LIU Zhiguang1，2

英文作者單位（1.Fujian Institute of Scientific and Technological Information；2.Key Laboratory of Fujian Information Network，F(xiàn)uzhou 350003，China）

英文摘要Abstract：With the extensive application of wireless sensors in environmental monitoring，medical treatment and military，fault detection in wireless sensor becomes more and more important.The existing wireless sensor fault diagnosis is based on spatiotemporal correlation of wireless sensor sensing data，and when the wireless sensor is densely distributed and the number of faults is small，good diagnostic accuracy can be achieved.In this paper，a distanceweighted algorithm is proposed.The data of neighboring nodes are weighted averagely and compared with the test points for diagnosis.The diagnostic accuracy of the fault is improved，and the state of the node with normal diagnosis is diffused to reduce the energy consumption and extend network life.

英文關(guān)鍵詞Key Words：wireless sensor networks； fault detection； spatiotemporal correlation； distance weighted

0引言

無(wú)線傳感器因其低成本、低功耗、小體積、短距離通信且能通過(guò)自組織形成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到軍事、交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、衛(wèi)生保健等各個(gè)領(lǐng)域，備受關(guān)注[1]。無(wú)線傳感器一般被部署在環(huán)境惡劣、人跡稀少的環(huán)境中，通過(guò)多跳將傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸給基站，基站人員對(duì)接收到的傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并作出正確決策。但由于無(wú)線傳感器極易發(fā)生故障，致使基站接收到錯(cuò)誤的傳感數(shù)據(jù)而作出錯(cuò)誤決策，會(huì)導(dǎo)致一系列無(wú)法估計(jì)的連鎖反應(yīng)。因此，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中對(duì)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行故障診斷至關(guān)重要。

現(xiàn)有的無(wú)線傳感器故障診斷算法主要分為集中式故障診斷算法和分布式故障診斷算法。在集中式故障診斷算法中，網(wǎng)絡(luò)存在一個(gè)具有較強(qiáng)計(jì)算能力和通信能力的節(jié)點(diǎn)，且該節(jié)點(diǎn)有足夠大的能量供應(yīng)。待檢測(cè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)多跳鄰居將待檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)交荆就ㄟ^(guò)對(duì)傳感數(shù)據(jù)分析得出待檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。文獻(xiàn)[1]中心節(jié)點(diǎn)通過(guò)對(duì)接收節(jié)點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)堆積從而對(duì)下一時(shí)刻傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)比預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之間的相似性以診斷節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。該算法中，節(jié)點(diǎn)要將傳感數(shù)據(jù)通過(guò)多跳發(fā)送給基站，消耗大量能量，降低了網(wǎng)絡(luò)壽命。分布式檢測(cè)算法中，所有傳感器都具有相同的能量和傳輸半徑，每個(gè)節(jié)點(diǎn)處于平等地位，都具有采集、計(jì)算能力，節(jié)點(diǎn)之間利用時(shí)空相關(guān)性，對(duì)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行判斷。文獻(xiàn)[2-3]中提出分布式無(wú)線傳感器故障檢測(cè)算法，基于節(jié)點(diǎn)的時(shí)空相關(guān)性，通過(guò)計(jì)算節(jié)點(diǎn)與其鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的相似性進(jìn)行故障診斷。

文獻(xiàn)[4]是基于多數(shù)投票策略的算法，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)先根據(jù)自身數(shù)據(jù)對(duì)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行判斷，再根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)的決策判斷自身決策是否正確，進(jìn)而判斷節(jié)點(diǎn)的真實(shí)狀態(tài)。該算法具有復(fù)雜度低、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，但故障診斷精度一般，尤其當(dāng)故障節(jié)點(diǎn)數(shù)較高時(shí)，故障診斷精度會(huì)迅速降低。文獻(xiàn)[5-8]使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障診斷，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類找到故障節(jié)點(diǎn)。文獻(xiàn)[9-11]基于聚類中值的方法對(duì)文獻(xiàn)傳感器進(jìn)行故障檢測(cè)，通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聚類，再選取中值，比較節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)間的相似度，判斷節(jié)點(diǎn)的最終狀態(tài)。文獻(xiàn)[12-13]利用無(wú)線傳感器中數(shù)據(jù)的相關(guān)性對(duì)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行狀態(tài)診斷。文獻(xiàn)[14]基于圖論知識(shí)，構(gòu)造故障診斷定位集確定節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。

本文通過(guò)改進(jìn)分布式故障診斷算法，在計(jì)算鄰居節(jié)點(diǎn)相似性時(shí)，不再只簡(jiǎn)單計(jì)算兩節(jié)點(diǎn)間的歐幾里得距離，通過(guò)判斷歐幾里得距離判斷節(jié)點(diǎn)的相似性，而是對(duì)其鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行距離加權(quán)處理之后再計(jì)算兩節(jié)點(diǎn)間的相似性。在基于距離的基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)一步提升無(wú)線傳感器故障診斷精度，并將診斷正常的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行擴(kuò)散，減少節(jié)點(diǎn)間的通信，降低能量消耗。

1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由若干個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織方式組成（見(jiàn)圖1），無(wú)線傳感器包含傳感器、CPU、無(wú)線通信和電源等4個(gè)模塊。節(jié)點(diǎn)間在一定通信范圍內(nèi)能夠通信，相互之間能進(jìn)行信息的傳輸與交換，傳感器還具有簡(jiǎn)單的計(jì)算功能。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)分為正常和故障兩種，正常傳感器能夠監(jiān)測(cè)到正常的傳感數(shù)據(jù)且能傳輸給基站，而故障傳感器則無(wú)法進(jìn)行上述過(guò)程。無(wú)線傳感器故障可分為硬故障和軟故障。硬故障指無(wú)線傳感器因電量不足或其它原因無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集或無(wú)法與其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。軟故障是指?jìng)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)和通信功能正常，但采集到的數(shù)據(jù)與真實(shí)值之間有一定誤差。

在本文中，無(wú)線傳感器具有如下性質(zhì)：①所有節(jié)點(diǎn)都是靜態(tài)的，即節(jié)點(diǎn)位置是固定的；②所有節(jié)點(diǎn)具有相同的通信范圍；③每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有唯一的標(biāo)識(shí)；④傳感器節(jié)點(diǎn)都是同種性質(zhì)的；⑤匯聚節(jié)點(diǎn)比一般節(jié)點(diǎn)具有更多的初始能量和更大的通信范圍。

1.1硬故障檢測(cè)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)間的通信都使用多信道時(shí)分多址（TDMA）作為MAC協(xié)議共享數(shù)據(jù)，能夠使發(fā)送的數(shù)據(jù)包最小化，減少數(shù)據(jù)發(fā)送沖突。時(shí)分多址（TDMA）是一種為實(shí)現(xiàn)共享傳輸介質(zhì)或者網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)，允許多個(gè)傳感器在不同時(shí)隙使用相同的傳輸信道。它把時(shí)間分割成周期性的幀，每一個(gè)幀再分割成若干個(gè)時(shí)隙向基站發(fā)送信號(hào)，在滿足定時(shí)和同步的條件下，基站可以分別在各時(shí)隙中接收到各無(wú)線傳感器的信號(hào)而不混擾。

TDMA調(diào)度的MAC協(xié)議包括兩個(gè)階段：控制階段和數(shù)據(jù)階段。圖2顯示了通信信道及其不同的階段。控制階段用于保留源與目的地之間的數(shù)據(jù)通信時(shí)間表。數(shù)據(jù)階段用于數(shù)據(jù)通信，然后是控制時(shí)段時(shí)間表?？刂茣r(shí)段被分成許多小時(shí)隙{C1，C2，…，Cn}，其中時(shí)隙大小取決于RTS / CTS分組大小。數(shù)據(jù)階段被分成一些時(shí)隙{D1，D2，…，Dm}，時(shí)隙大小取決于數(shù)據(jù)包的大小。RTS / CTS分組尺寸比數(shù)據(jù)分組的尺寸小，RTS / CTS分組在交換階段進(jìn)行。RTS分組包含接收者節(jié)點(diǎn)ID和數(shù)據(jù)階段的所選數(shù)據(jù)時(shí)隙號(hào)。具有數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)將RTS分組發(fā)送到其相應(yīng)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，并且目標(biāo)節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)送包含源ID和選擇數(shù)據(jù)槽號(hào)的CTS分組。

在初始狀態(tài)下，控制階段的所有節(jié)點(diǎn)都處于蘇醒狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)選擇任意通道的隨機(jī)時(shí)隙并設(shè)置一個(gè)定時(shí)器。當(dāng)定時(shí)器值為零時(shí)，節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS數(shù)據(jù)包，接收器接收到RTS數(shù)據(jù)包后，在超時(shí)周期內(nèi)重新發(fā)送一個(gè)CTS。RTS / CTS分組的成功將影響到其它節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)調(diào)度。如果接收器接收到RTS分組并且知道所選擇的數(shù)據(jù)時(shí)隙被另一個(gè)節(jié)點(diǎn)占用，則它發(fā)送否定的CTS以通知源節(jié)點(diǎn)，并且在數(shù)據(jù)階段中選擇另一個(gè)時(shí)隙。

發(fā)生硬故障的節(jié)點(diǎn)無(wú)法與其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，所以在硬故障診斷過(guò)程中，匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，等待其通信范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)回復(fù)，若在時(shí)間t內(nèi)收到回復(fù)，則說(shuō)明節(jié)點(diǎn)能夠進(jìn)行正常通信，沒(méi)有發(fā)生硬故障。若在時(shí)間t內(nèi)匯聚節(jié)點(diǎn)沒(méi)有收到回復(fù)，則說(shuō)明節(jié)點(diǎn)發(fā)生了硬故障（見(jiàn)圖3）。

其中等候時(shí)間t=Rc， R為匯聚節(jié)點(diǎn)的通信半徑，c為數(shù)據(jù)包的傳輸速度。

1.2軟故障檢測(cè)

無(wú)線傳感器軟故障指無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)所感知的數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)有偏差，使管理者接收到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)而得出錯(cuò)誤結(jié)論。無(wú)線傳感器軟故障根據(jù)數(shù)據(jù)故障類型可分為如下4種：①永久性故障。節(jié)點(diǎn)所感知數(shù)據(jù)不會(huì)隨時(shí)間變化而變化，所感知數(shù)據(jù)為一個(gè)固定值；②暫時(shí)性故障。節(jié)點(diǎn)在某段時(shí)間內(nèi)感知數(shù)據(jù)異常，但在其它時(shí)間內(nèi)感知數(shù)據(jù)正常；③瞬時(shí)故障。在某一個(gè)時(shí)刻節(jié)點(diǎn)感知有誤，其它時(shí)間感知數(shù)據(jù)正常；④偏移故障。感知數(shù)據(jù)在每個(gè)時(shí)刻都比真實(shí)數(shù)據(jù)大或小于一個(gè)固定值。

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟故障診斷中，網(wǎng)絡(luò)中相鄰范圍內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)同一時(shí)刻采集到的數(shù)據(jù)應(yīng)該是相同或者相似的。因此為了判斷節(jié)點(diǎn)是否處于正常狀態(tài)，需要對(duì)采集到的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

假設(shè)將n個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在設(shè)定的檢測(cè)范圍內(nèi)，這些傳感器節(jié)點(diǎn)均為自身攜帶GPS定位設(shè)備的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)[15]。用（x0，y0）表示檢測(cè)節(jié)點(diǎn)s0坐標(biāo)，用（x1，y1），（x2，y2），…表示周圍鄰近節(jié)點(diǎn)si（1≤i≤n-1）的坐標(biāo)，定義有效臨近節(jié)點(diǎn)的距離范圍，記為R，且僅當(dāng)節(jié)點(diǎn)i、j間的距離dij=（xi-xj）2+（yi-yj）2小于通信半徑R時(shí)，兩節(jié)點(diǎn)互為鄰居節(jié)點(diǎn)。在不同檢測(cè)節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)用N表示臨近節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

反距離加權(quán)插值法[16]基于相近相似原理（即兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)離得越近，其數(shù)值就越接近，反之離得越遠(yuǎn)則相似性越小），以測(cè)量節(jié)點(diǎn)與鄰近節(jié)點(diǎn)間的距離為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均。同一時(shí)刻，在檢測(cè)節(jié)點(diǎn)s0的R范圍內(nèi)，利用鄰近節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)值，運(yùn)用距離加權(quán)對(duì)s0進(jìn)行預(yù)測(cè)，則：

Z*（s0）=∑Ni=1λiZ（si）（1）

其中，Z*（s0）為檢測(cè)點(diǎn)s0處的預(yù)測(cè)值，λi為預(yù)測(cè)計(jì)算過(guò)程中各鄰近節(jié)點(diǎn)的權(quán)重，該值隨著鄰近節(jié)點(diǎn)與檢測(cè)節(jié)點(diǎn)之間距離的增加而減少，Z（si）是在鄰近節(jié)點(diǎn)si處獲得的測(cè)量值。關(guān)于權(quán)重的計(jì)算：

λi=d-Ri0/∑Ni=1d-Ri0，∑Ni=1λi=1（2）

其中，R為指數(shù)值，即有效距離范圍；di0是檢測(cè)點(diǎn)s0與各個(gè)鄰近點(diǎn)si之間的距離，通過(guò)距離公式計(jì)算。

di0=（xi-x0）2+（yi-y0）2（3）

檢測(cè)點(diǎn)預(yù)測(cè)值計(jì)算過(guò)程中，鄰近點(diǎn)所占權(quán)重的大小受到參數(shù)R影響，說(shuō)明檢測(cè)點(diǎn)與鄰近點(diǎn)的距離越大，鄰近點(diǎn)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果影響的權(quán)重越呈指數(shù)規(guī)律減少。在預(yù)測(cè)檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)過(guò)程中，各個(gè)鄰近點(diǎn)對(duì)預(yù)測(cè)值作用的權(quán)重大小是呈比例的，這些權(quán)重值的總和是1。

將得到檢測(cè)節(jié)點(diǎn)s0的預(yù)測(cè)值Z*（s0）與其測(cè)量值Z（s0）進(jìn)行比較，設(shè)定閾值為θ，滿足：

|Z*（s0）-Z（s0）|<θ（4）

閾值θ為節(jié)點(diǎn)測(cè)量值的正常波動(dòng)范圍。如果節(jié)點(diǎn)未發(fā)生故障，則式（4）成立。如果差值絕對(duì)值大于設(shè)定的閾值，就可判斷所測(cè)量的節(jié)點(diǎn)為故障節(jié)點(diǎn)。

2仿真與分析

使用Python軟件對(duì)所提算法進(jìn)行仿真，并分析結(jié)果。在仿真實(shí)驗(yàn)中，將300個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在100m×100m的待檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，且所有節(jié)點(diǎn)都具有相同的傳輸半徑與性質(zhì)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中模擬節(jié)點(diǎn)故障率分別為0.1、0.2、03、0.4、0.5時(shí)，再虛擬算法的節(jié)點(diǎn)故障檢測(cè)情況。

2.1算法節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確性

目前衡量無(wú)線傳感器故障檢測(cè)算法好壞的標(biāo)準(zhǔn)是計(jì)算節(jié)點(diǎn)故障檢測(cè)率與節(jié)點(diǎn)故障虛警率。其中：節(jié)點(diǎn)故障檢測(cè)率能準(zhǔn)確診斷出故障節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)占總節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的比重；節(jié)點(diǎn)故障虛警率是正常狀態(tài)節(jié)點(diǎn)被診斷為故障的個(gè)數(shù)與實(shí)際正常節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)之比。

部署在待監(jiān)測(cè)區(qū)域的無(wú)線傳感器自己形成的網(wǎng)絡(luò)可簡(jiǎn)化為一個(gè)無(wú)向圖G（v，e），其中G（v）為傳感器節(jié)點(diǎn)，G（e）為網(wǎng)絡(luò)中的邊。若節(jié)點(diǎn)i、j為鄰居節(jié)點(diǎn)，則邊eij∈G（e）。

將基于距離加權(quán)的無(wú)線傳感器算法與傳統(tǒng)分布式故障診斷算法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。

由圖4可知，基于距離加權(quán)的無(wú)線傳感器故障檢測(cè)算法在節(jié)點(diǎn)故障率較高時(shí)，仍有較高的故障診斷率；當(dāng)節(jié)點(diǎn)故障率超過(guò)40%時(shí)，DFD算法故障診斷精度急劇下降，而基于距離的無(wú)線傳感器故障診斷算法診斷精度仍高達(dá)90%以上。

2.2能量消耗

無(wú)線傳感器被部署在環(huán)境惡劣的監(jiān)測(cè)區(qū)域，且無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的能量有限，盡可能減少無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量消耗至關(guān)重要。傳統(tǒng)的分布式無(wú)線傳感器故障診斷算法中，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都需要與其鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一次通信才能確定節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確狀態(tài)。在基于距離加權(quán)的無(wú)線傳感器故障檢測(cè)算法中，將已經(jīng)確定狀態(tài)正常的節(jié)點(diǎn)向鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)散，只需與一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一次通信，就能準(zhǔn)確判斷鄰居節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，減少節(jié)點(diǎn)間的通信，尤其是對(duì)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)故障率較低的網(wǎng)絡(luò)，能更多地減少能量消耗，從而延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。

3結(jié)語(yǔ)

基于距離加權(quán)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障檢測(cè)算法，運(yùn)用無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)間的空間相關(guān)性，將鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)后與待測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而判斷出鄰居節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確狀態(tài)，并將正常的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)向鄰居節(jié)點(diǎn)傳遞。仿真結(jié)果表明，該算法在故障檢測(cè)上有較好的準(zhǔn)確度，且當(dāng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障率較低時(shí)能有效減少能量消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。

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