[发明专利]一种无线传感器网络故障节点检测方法

权利要求书

1.一种无线传感器网络故障节点检测方法，其特征在于，所述无线传感器网络故障节点检测方法应用在存在事件读数的节点集中，存在故障节点，故障节点被误判为事件节点；根据模拟退火算法原理，通过不断变换拟合节点集，对节点集中节点读数进行最小二乘拟合；在事件节点中，寻找出一组拟合效果较优的节点集；通过其他事件节点的读数与其对应的拟合值进行比较，判断出这些节点是否存在故障读数；

所述无线传感器网络故障节点检测方法包括以下步骤：

步骤一，在网络中，被判定为事件读数节点看作为一个簇，簇内全部的N个成员推举其中一个节点为簇头，并把感测事件读数发给簇头；

步骤二，在簇头中，执行故障检测算法，初始温度T，终止温度T₀和用于拟合的节点数目n≤N/2，随机抽取n个节点，形成拟合节点集Ω(0)，其所收集的读数为z(0)，对数据的I个维度属性与节点的位置坐标进行最小二乘拟合，计算各个拟合结果R²的平均值并记为初始目标函数值f(z(0))，即f(z(0))等于此时的

步骤三，变换用于拟合的节点集，随机抽一个没在集合里的节点的数据，替换掉随机一个拟合节点集Ω(k-1)的节点的数据，得到新拟合节点集Ω(k)，集合里所有节点的读数组成z(k)，并计算目标函数值f(z(k))，即此时的

步骤四，计算目标函数与前一次的差值Δf＝f(z(k))-f(z(k-1))；

步骤五，决定是否接受新的拟合节点集，若接受，则把新拟合节点集Ω(k)替换前一次的拟合节点集Ω(k-1)，否则当前拟合节点集继续为前一次的拟合节点集；

步骤六，降温，令T＝αT，α为降温比例，反映着降温速度；

步骤七，重复步骤三～步骤六，若温度T低于终止温度T₀，或M连续个温度下，目标函数值f(z(k))都没有发生变化，则退火结束，其最终拟合节点集Ω(k)为最优解，此时的目标函数值f(z(k))为极小值；

步骤八，利用最优拟合函数G(x,y)，估计各个节点的读数通过与实际感测数据X进行比较，若这两个数的马氏距离超过阈值θ，即则判断节点为故障节点；x和y为节点所在的横纵坐标。

2.如权利要求1所述的无线传感器网络故障节点检测方法，其特征在于，所述步骤二中利用最小二乘法的进行拟合的步骤以及拟合效果具体如下：

建立适合的拟合模型，令其中为第i个维度属性的估计值，x和y为节点所在的横纵坐标，a_t是待定系数；拟合效果好坏取决于是否使实际值X_i(j),j＝1,2,...,n与估计值的误差δ_j的平方和最小；

记

让对各个待定系数的偏导为0，即这时达到最小，得到一个线性方程组：

即：

记：

A₁＝[a₁,…,a_k]^T,X_i＝(X_i(1),…,X_i(n))^T；

则有：

此时得到一个拟合函数，记为原始数据的总变异平方和，为拟合后的变异平方和；则可由下式来判断最小二乘法的拟合程度：

计算每组节点拟合结果R²的均值，令

3.如权利要求1所述的无线传感器网络故障节点检测方法，其特征在于，所述步骤五中决定是否接受新的拟合节点集z(k)的公式为：

4.如权利要求1所述的无线传感器网络故障节点检测方法，其特征在于，所述步骤八中利用最优拟合结果来估计读数，进而判断是否故障的具体做法如下：

最优拟合函数可由下式表示：

G(x,y)＝[g₁(x,y),...,g_I(x,y)]；

把节点的坐标代入可得估计值

马氏距离的计算公式为Σ表示节点不出现故障时，读数中多种属性的协方差矩阵，可在网络开始时的一段时间计算获得，作为固定值用于以后的计算；阈值θ为读数所容忍的误差程度，可根据传感器节点上各维度属性的容忍误差值来计算确定，由于拟合后与实际值有所偏差，可在计算结果再乘上一个倍数来确定阈值θ。