面向無線傳感網的故障診斷和網絡重構機制

王海濤 唐笑

南京審計大學金審學院，南京 210023

0 引言

無線傳感網是由大量傳感器部署在某一特定的區域，通過無線通信連接，自組織構成的分布式網絡系統，能完成環境信息采集、數據傳輸和數據處理等任務[1]。然而，由于無線傳感網的自組織、動態拓撲、部署環境復雜及節點資源受限等特點，常會出現某些傳感節點能量耗盡或遭受攻擊破壞而導致整個網絡性能急劇下降甚至崩潰現象的出現[2]。因此，無線傳感網急需適當的技術手段來實時監測和快速定位失效/故障節點，并通過重構網絡拓撲以及時恢復網絡連通性，從而確保上層應用服務的持續穩定運行。具體而言，故障診斷用于迅速定位失效/故障節點的位置及原因，網絡重構負責自主調整節點工作狀態和重組網絡拓撲以恢復網絡通信服務[3]。網絡重構技術最早應用于配電網來確保電力傳輸在正常情況下的經濟性和異常情況下的可靠性[4]。隨后，網絡重構技術逐漸在計算機網絡和通信網絡中得到廣泛應用，目的是在網絡即將發生故障或已出現事故后迅速采取補救措施，如隔離故障網絡區域和重新調配網絡資源，使網絡不至于整體癱瘓并盡快恢復原有服務性能。為了盡可能減少因網絡故障造成的損失，希望通過故障診斷技術提前發現網絡中存在的各種隱患，或在故障出現后盡快定位故障位置并確定故障原因，然后可以通過網絡拓撲重構機制來恢復網絡連通性并維持網絡服務正常運行[5]。不難看出，故障診斷是網絡重構的重要支撐技術，通常根據網絡監控和反饋得到的節點和鏈路狀態等信息，采用相應的分析和評測方法來判斷網絡中是否發生故障以及出現故障的類型、位置及可能的原因。網絡重構是恢復網絡連通性和確保網絡平穩運行的必要措施，網絡重構機制涉及網絡參數調整、節點重部署以及拓撲重組織等多種方法，本文主要闡述基于拓撲重組的網絡重構技術。

1 故障診斷技術

1.1 基本概念

無線傳感網中的故障類型多樣，包括軟硬件故障、能耗失效故障和攻擊失效故障等。故障診斷包括故障檢測、故障定位和故障分析等內容[5]。故障檢測周期性主動或基于事件觸發被動向故障診斷系統發送檢測信息；故障診斷系統根據反饋的檢測數據通過某種算法或規則判斷系統是否出現故障。若檢測出故障，則通過故障定位功能來迅速確定故障出現的位置，并啟動故障分析模塊來分析故障的類型及可能的原因，并及時通告故障恢復模塊或管理人員進行必要的干預。

1.2 主要方法

現有的故障診斷方法大致可以分為3類：基于知識的故障分析方法、基于解析模型的故障分析方法和基于信號處理的故障分析方法[6]。

1.2.1 基于知識的故障分析方法

基于知識的故障分析方法的基本思想是在知識的概念和層次上，以知識處理技術為理論基礎，通過在概念和處理方法上的知識化實現系統的故障診斷，具體手段包括專家系統、圖論、模糊推理、神經網絡、故障樹和知識觀測器等方法。

專家系統的基本思想是根據專家的分析問題、處理問題的方法經驗，建立知識庫和推理機，設計一個程序，并以此程序為診斷依據進行故障診斷。一個完整的專家系統應包括知識庫、推理機制、知識獲取機制和解釋機制。專家系統的優點是無需完全匹配發現的問題，而是通過構建一個合理的模型來試圖完成問題的精確求解，其主要缺點是系統無法自主學習獲取知識，不能檢測出未保存在知識庫中的未知故障。

基于圖論的方法主要有基于符號有向圖（symbol directed graph，SDG）的診斷方法和基于故障傳播有向圖（faliure propagation directed graph，FPDG）的診斷方法。SDG方法將圖中的節點對應為部件狀態變量，連接兩節點的邊表示節點的關系，用“+”、“-”、“0”表示兩節點間的影響關系，若任意一節點處于非零狀態則表示系統出現了故障。由于變量間的定性邏輯關系通常保持穩定不變，假設故障只能沿一致邊傳播，基于節點之間的相關關系和檢測到的正負偏差來推測故障源節點。雖然此方法是定性的，但在實際的化工過程中，它有不可比擬的優勢，可與其他方法進行結合。FPDG方法通過把系統中的對象抽象為圖中的相應節點，把元件中的故障傳播關系作有向邊，把系統建模為有向圖，從而展開故障診斷。

神經網絡具有自組織、自學習、聯合記憶、并行處理、分布式存儲和全局作用等特點，使其在故障診斷方面有很大的優勢?；谏窠浘W絡的方法是通過專家求解問題的實例來訓練神經網絡并獲取知識，相比專家系統，它的效率更高，質量更好。神經網絡的優點是通用性較強，能夠自主學習，缺點是為保障診斷的準確性和可靠性，只能利用明確的實例，而且需要足夠多的學習實例，未能充分利用專家積累的寶貴經驗。

故障樹的基本思想是在特定的環境條件下，從人為、設備、系統等方面進行故障分析，將所有故障和可能的原因都分析出來，并將故障與原因的關系表示出來以生成故障分析樹。

1.2.2 基于解析模型的故障診斷方法

基于解析模型的故障分析方法由來已久，主要思想是根據系統中元件之間的互相連接關系，建立一套用于診斷故障的數學模型，根據故障診斷相關的原理和數學方法對被測的故障進行針對性的診斷和分析，具體采用的手段有參數估計法和狀態估計法。

參數估計法主要是通過比較元件參數與正常值的關系來判斷系統是否出現故障以及故障的程度。具體而言，首先分析確定模型物理參數與元件參數之間的關系方程，然后求出實際的模型參數，根據關系方程解出元件參數。此方法的缺點是對于非雙射的關系方程無法求出模型參數。因此，在處理實際問題時，常與其他診斷技術相結合，以獲得更好的故障診斷效果。

狀態估計法的主要思想是重構系統中的被控設備和系統的可測狀態，將其與系統中的可測狀態變量比較起來構成一個殘差檢測序列，再通過構造適當的殘差序列模型，并用統計分析方法對相應的殘差檢測序列進行分析處理，從而將所有構成故障的信息從狀態檢測分析出來。

1.2.3 基于信號處理的故障分析方法

基于信號處理的故障分析方法的基本思想是測量系統的輸入輸出值，與正常值進行比較，若在正常范圍內則系統正常，反之則系統出現故障。目前最常用的手段是基于小波變換的故障診斷方法?；谛〔ǖ墓收显\斷方法通過對觀測數據進行小波變換，以其信號的奇異性或頻率結構變化為依據進行故障診斷，或者以系統的脈沖相應函數的小波變換直接進行故障診斷。小波變換不需要系統復雜的數學模型，小波變換抑制噪聲的能力很強，效率高，計算快，運算量較少，是一種很有應用前景的故障診斷方法。

2 網絡拓撲重構技術

2.1 基本概念

拓撲重構是指在故障發生后，采取相應的手段重組網絡拓撲，恢復網絡連通性，使網絡盡快恢復服務性能[7]。WSN中節點能量有限，大多部署在較為惡劣的環境中，并且WSN中往往存在一些關鍵節點，若關鍵節點耗盡能量或遭到攻擊，很可能導致網絡大面積癱瘓。關鍵節點通常是在網絡通信中發揮作用較大，承擔通信流量、網絡負荷較多的部分節點，關鍵節點一旦失效，可能會導致整個網絡崩潰或者癱瘓。對關鍵節點采取預先保護措施，可以很大地增強和提高網絡的抗毀性。為此，可以對一些重要的、能導致網絡快速癱瘓的關鍵節點進行備份，萬一這些節點失效，則可以迅速地重新啟動這些備用節點，快速地恢復網絡性能，增強了網絡的抗毀能力。

2.2 常用方法

網絡拓撲重構的常用方法包括：基于最短路徑樹的拓撲維護算法、基于節點功率控制的拓撲重構方法、逐次近似計算方法和基于分簇的拓撲維護方法等[8]。

基于最短路徑樹的拓撲維護算法的主要目的是在網絡發生故障后采取措施確保網絡連通，網絡能夠正常運轉，以免出現分區。當網絡出現故障時，故障節點失效，觸發鄰居節點響應，相互發送分組，根據發送的分組判斷網絡是否連通，若無法作出準確的判斷，則繼續觸發其他鄰居節點響應，直至網絡恢復連通[9]。

由于傳感器網絡節點存儲的能量有限，因此節點能量在網絡運行過程中非常重要，可以通過控制節點的發射功率來調節節點的覆蓋范圍?；诠濣c功率控制的拓撲重構方法即通過對節點功率的控制實現網絡重構的方法。具體來說，當網絡某一節點由于能量耗盡或者是遭受攻擊后失效，不一定會導致整個網絡失效，可能會出現網絡分割，部分網絡無法連通，可以通過控制調整失效節點周圍其他節點的運行功率，使它們跳過失效節點，使得至少有一條鏈路連通，從而實現網絡重構[10]。

逐次近似計算方法的基本思想是當網絡拓撲結構或傳輸環境發生變化后，拓撲控制算法隨之觸發，計算使網絡性能達到最佳的新拓撲。此方法雖然可以使重構后的網絡達到最優，但是計算開銷較大，收斂時間長，不適合移動性較強的網絡場景[11]。

基于分簇的拓撲維護方法是先將網絡分簇，將節點按照功能的不同分為簇頭、中繼及普通節點。當簇頭自測出即將失效時，會向所在簇的普通節點發出廣播消息，以便尋找新的可替代的簇頭；中繼節點失效必須反饋給簇頭節點，由簇頭節點尋找新的節點進行代替[12]。網絡中大多數為普通節點，當少數普通節點失效時并不會對網絡產生影響，所以一般不采取措施。

3 一種基于故障診斷的網絡重構方案

基于故障診斷的網絡重構方案的基本思想是首先利用故障診斷技術發現故障，確定故障點和故障原因，進而觸發網絡拓撲重構技術，恢復網絡連通性以維持網絡服務性能[13]。因此，網絡拓撲重構可分為重構觸發和重構實現兩個階段，如圖1所示。為實現重構觸發，需要基于應用場景利用上述某種適當的故障診斷方法來及時發現故障，明確故障類型并建立故障推理模型，對故障進行分析來確定故障發生點。為實現網絡重構，在網絡剛發生故障但還未出現分區時，可以利用路由協議自身的恢復機制恢復路由通路；而當出現的故障造成了網絡分區時，僅依靠路由恢復無法實現網絡重構，則需要采取包括節點參數調整、節點主動移動和增補節點在內的其他手段來恢復網絡連通性，進而維持網絡服務正常運行。此外，有時還可采取額外的網絡拓撲優化措施來提高網絡性能。

鑒于在網絡發生故障后，通常只是網絡中部分節點遭受破壞或發生故障，因而網絡重構無需對整個網絡進行全局調整恢復，而是盡可能通過局部網絡重構來恢復整個網絡的連通性，從而顯著降低網絡恢復時間和節省控制開銷。

為了盡可能減少網絡重構涉及的節點數量和引入的控制開銷，應該首先只觸發故障節點的一跳節點予以響應，如果一跳節點響應后不足以恢復網絡通信，則依次觸發更多的兩跳節點，直到觸發所有其他網絡節點?；谏鲜霾呗缘木W絡重構的基本工作流程如圖2所示?；静僮鞑襟E簡要說明如下：首先，通過逐漸增強故障節點的一跳鄰居節點的發送功率使其彌補故障節點造成的網絡空洞來消除網絡分區，如果通過調整一跳鄰居節點的功率至最大仍無法恢復網絡鏈接，則需要調整故障節點的兩跳鄰居節點的功率來實現網絡恢復，重復上述操作直至網絡連通性恢復。但是，如果網絡中部分節點以最大功率運行則容易耗盡能量而失效，進而大幅影響網絡性能。因此，為提高網絡生存性和優化網絡性能，需要在確保網絡連通的基礎上進一步優化網絡拓撲，如通過逐漸降低節點發送功率甚至允許少數冗余節點進入休眠狀態以節省能量，目的是在保持網絡連通的前提下盡量均衡網絡節點的能耗。

對于未引入拓撲重構的無線傳感網來說，當部分節點發生故障時容易出現網絡分割現象，導致網絡不連通，造成網絡性能大幅下降甚至癱瘓，而當引入上述拓撲重構方案后，可以通過調整部分節點傳輸功率有效防止出現網絡分割，從而提高了網絡服務性能。但是，由于該方案利用鄰接關聯矩陣來建立故障模型，當網絡節點拓撲變化較快時，故障診斷正確率會隨之下降，進而影響方案的使用效能。

基于圖論，當前傳感網G的網絡拓撲定義為G=(V,E)，其中V是所有節點的集合，E是所有節點之間鏈路（邊）的集合。令Ni[v]是G中任意節點v的第i跳鄰居節點的集合，并假設節點v最小功率和最大功率分別為Pmin(v)和Pmax(v)，并且初始時節點v的發射功率為Pmin(v)。上述拓撲重構算法實現的偽代碼如下：

為了說明本方案的大致工作方式，圖3給出了一個基于有向圖的拓撲重構示例。首先，故障診斷算法定位出失效節點3，為了恢復網絡連通性，首先通過調整節點3的一跳鄰居節點1、2和4的發送功率，使得節點1、2和4可以相互通信，從而實現了局部網絡連通的恢復；若是調整一跳節點仍不能使網絡恢復，則繼續觸發兩跳甚至于k(k＞2)跳將鄰居節點功率調至最大，直到恢復網絡的連通。

4 小結

近年來，隨著物聯網和智慧城市的蓬勃興起，作為支撐技術之一的無線傳感網的穩健可靠運行至關重要。本文針對無線傳感網的特點研究了故障診斷和網絡重構技術的應用方法，重點解決WSN中的臨界故障發現和拓撲重構問題，即根據實時感知的WSN情景信息及時發現網絡可能存在的瓶頸節點和故障節點，合理調整網絡節點工作狀態來恢復網絡通信。論文對現有的故障診斷方法和網絡拓撲重構技術進行了歸納總結，并設計了一種適合于無線傳感網的網絡拓撲重構方案，旨在增強無線傳感網的整體生存性。今后將進一步對設計的方案進行針對性的仿真實驗以驗證其實際效果。