自由搜索的BPNN在WSNs數(shù)據(jù)融合中的應(yīng)用

謝佳華++劉軍

摘 要：為了進(jìn)一步提高無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）的能量利用效率、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和收集數(shù)據(jù)精度，需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。針對(duì)現(xiàn)有BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BPNN）解決該問(wèn)題存在容易陷入局部最優(yōu)值的問(wèn)題。文中把自由搜索（FS）算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來(lái)，充分發(fā)揮自由搜索算法的全局收斂性、自適應(yīng)性、本質(zhì)并行性?xún)?yōu)點(diǎn)。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)并與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比較，該算法能有效減少通信量、提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，從而證明了該算法的有效性。

關(guān)鍵詞：WSNs；數(shù)據(jù)融合；自由搜索算法；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）11-00-03

0 引 言

無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、微電子技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展和成熟，促成了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks ， WSNs）的產(chǎn)生[1，2]。WSNs廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍事、工業(yè)生產(chǎn)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、醫(yī)療健康、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[3]。

Nakamura E.F.等[4]對(duì)WSNs數(shù)據(jù)融合的模型、方法以及分類(lèi)進(jìn)行了研究；陳斌等[5]把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和證據(jù)理論結(jié)合起來(lái)，建立了管道泄漏診斷模型；李志宇等[6]人提出的基于網(wǎng)格和移動(dòng)代理的WSNs數(shù)據(jù)融合算法有較小的網(wǎng)絡(luò)能耗和延時(shí)。但這些算法存在收斂速度慢，易陷入局部最優(yōu)等缺點(diǎn)，所以本文提出一種自由搜索（Free Search，F(xiàn)S）和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Back Propagation Neural Network ， BPNN）相結(jié)合的算法（FS-BF），優(yōu)化數(shù)據(jù)融合性能，降低網(wǎng)絡(luò)能量消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。

1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和自由搜索算法

為實(shí)現(xiàn)BPNN和自由搜索算法的結(jié)合，建立切實(shí)可行的WSNs數(shù)據(jù)融合優(yōu)化模型，本節(jié)介紹了兩個(gè)算法的優(yōu)化過(guò)程。

1.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

BPNN是一種單向傳播的多層前饋網(wǎng)絡(luò)，圖1所示為一個(gè)三層BPNN示意圖，包括輸入層、隱層和輸出層[7]。

圖1 三層BPNN模型

設(shè)BPNN的輸入n維向量X∈Rn，X=[x1，x2，…，xn]T，輸出為m維向量Y∈Rm，Y=[y1，y2，…，ym]，隱層共有l(wèi)個(gè)神經(jīng)元，則隱層輸出為l維的向量Z∈Rl，Z=[z1，z2，…，zl]，網(wǎng)絡(luò)的輸出為：

（1）

式（1）中，wij（0）和wij（1）分別為由輸入層到隱層和隱層到輸出層的連接權(quán)值，θi和φj分別為隱層和輸出層的閾值。

一般情況下把Sigmoid函數(shù)作為傳遞函數(shù)。

（2）

輸出層和前面各層的誤差值可以通過(guò)如下公式計(jì)算：

（3）

（4）

對(duì)于隱含層和輸出層神經(jīng)元個(gè)數(shù)，可以參考下式確定：

隱含層： （5）

輸出層：h=log2m （6）

其中，m為輸入神經(jīng)元個(gè)數(shù)，n為輸出神經(jīng)元個(gè)數(shù)，a為1-10之間的任意數(shù)。

1.2 自由搜索算法

FS算法的尋優(yōu)過(guò)程包括初始化、搜索過(guò)程和終止三個(gè)步驟來(lái)確定目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值[8]。

1.2.1 初始化

通過(guò)隨機(jī)值產(chǎn)生初始種群，并生成初始信息素Pk。

x0ji=ximin+（ximax-ximin）·random （7）

式（7）中，j=1，2，…，m，表示第j只個(gè)體，i表示變量的第i維，i=1，2，…，n， x0ji為動(dòng)物個(gè)體j的初始位置，ximax和ximin為搜索空間的邊界，即個(gè)體j在第i維上的最大值和最小值。random為（0，1）之間的隨機(jī)數(shù)。

1.2.2 搜索過(guò)程

（1）計(jì)算靈敏度，靈敏度定義如下：

Si=Smin+ΔSj （8）

ΔSj=（Smax-Smin）·randomj （9）

Smax和Smin為靈敏度的最大值和最小值。

（2）確定初始點(diǎn)，選擇新一輪搜索起始點(diǎn)。

（10）

k是標(biāo)記信息素的坐標(biāo)點(diǎn)。

（3）更新個(gè)體位置。

xtji =x0ji-Δxtji +2Δxtji randomtji （11）

xtji為更新后個(gè)體的位置分量，t為當(dāng)前步伐數(shù)，t=1，2，…，T，T為每次行走的最大步伐數(shù)；randomtji為介于（0，1）的隨機(jī)數(shù)；修改策略Δxtji 按下式確定：

Δxtji =Rji （xmaxi-xmini）randomtji （12）

式（12）中，Rji 表示領(lǐng)域距離，Rji∈（Rmin，Rmax）。領(lǐng)域距離體現(xiàn)著個(gè)體的靈活性，受整個(gè)搜索空間的約束。

可按如下兩式定義個(gè)體的行為：

ftj=f（xtij） （13）

fj=maxf（xtj） （14）

其中，f（xtij） 是一個(gè)個(gè)體完成搜索步以后作標(biāo)記的位置。

（4）釋放信息素，信息素定義如下：

（15）

max（fi） 表示第j個(gè)個(gè)體的最佳值。并且規(guī)定：Smin=Pmin，Smax=Pmax。

新一輪的搜索起始點(diǎn)由如下公式確定：

（16）

1.2.3 終止條件

可以有以下三種方式終止算法：

（1）尋優(yōu)方式 fmax≥f0

fmax為搜索的最優(yōu)值，f0為可接受的期望值。

（2）迭代方式 g≥G

g為當(dāng)前的迭代數(shù)，G為限制的最大迭代數(shù)。

（3）復(fù)合方式，即滿(mǎn)足（1）和（2）中的一種終止算法。

BPNN主要存在三個(gè)缺陷：一是局部極小點(diǎn)問(wèn)題，二是收斂速度慢的問(wèn)題，三是隱含層神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)難以確定的問(wèn)題。而自由搜索算法具有全局搜索特性以及比其他算法收斂速度快的優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了BPNN前兩個(gè)不足，故本文嘗試把自由搜索算法和BPNN結(jié)合起來(lái)，優(yōu)化WSNs數(shù)據(jù)融合的效果。

2 FS-BP在WSNs數(shù)據(jù)融合中的應(yīng)用

2.1 WSN數(shù)據(jù)融合模型

本節(jié)主要是建立以BPNN為主體的匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)融合模型，其數(shù)據(jù)融合的過(guò)程如圖2所示。該模型系統(tǒng)包括無(wú)線(xiàn)傳感器子系統(tǒng)和匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)融合處理子系統(tǒng)兩大部分。前者主要是由傳感器節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以有一個(gè)或者多個(gè)傳感器采集相關(guān)數(shù)據(jù)，后者包括數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)融合兩個(gè)步驟，其中預(yù)處理的作用是把有用數(shù)據(jù)分離出來(lái)，而數(shù)據(jù)融合是接收預(yù)處理后的數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)輸入到已訓(xùn)練好的BPNN中進(jìn)行融合并得出融合結(jié)果。另外，匯聚節(jié)點(diǎn)把原始數(shù)據(jù)信息和融合結(jié)果存儲(chǔ)起來(lái)，便于對(duì)比分析融合結(jié)果和原始信息，方便進(jìn)行必要的反饋調(diào)節(jié)。

圖2 數(shù)據(jù)融合模型

2.2 FS-BP算法

算法構(gòu)建的主要思想是：針對(duì)BPNN初始值敏感、收斂速度慢以及易陷入局部最優(yōu)解的缺點(diǎn)，利用FS代替BPNN中的梯度修正，搜索符合既定條件的權(quán)值，提高算法性能。具體方法描述如下：

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初值權(quán)重按照傳統(tǒng)的常規(guī)辦法生成，用wi（i=1，2，…，m）表示任意一組完整的wi。一個(gè)動(dòng)物個(gè)體，則有m個(gè)這樣的個(gè)體，所以m為種群的大小。優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為均方誤差函數(shù)：

（17）

上式中，E為均方誤差，N為樣本個(gè)數(shù)，yid為第i個(gè)預(yù)期輸出值，yi為第i個(gè)實(shí)際輸出值。

FS搜索的任務(wù)是通過(guò)對(duì)公式（17）的優(yōu)化，得到該函數(shù)的最小值，找出均方誤差最小的網(wǎng)絡(luò)權(quán)重， 再輸入到BPNN各層中。該算法的主要流程如圖3所示。

利用FS算法對(duì)初始權(quán)值進(jìn)行優(yōu)化處理后，把輸出的權(quán)值輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。本文采用三層BPNN模型，結(jié)合BPNN理論和所建立的數(shù)據(jù)融合模型，F(xiàn)S-BPNN算法的具體步驟如下：

①初始化參數(shù)，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、初始權(quán)值、迭代次數(shù)上限、誤差閾值、學(xué)習(xí)速率、學(xué)習(xí)樣本以及FS的種群大小，步伐數(shù)和小步數(shù)以及鄰居距離。

②隨機(jī)選取訓(xùn)練一對(duì)數(shù)據(jù)，將輸入向量加到輸入層。

③利用關(guān)系式（1）輸出每一層和輸出層的輸出值。

④采用公式（3）（4）輸出層和前面各層的實(shí)際輸出和要求的目標(biāo)值的誤差。得到的誤差值若小于閾值，則轉(zhuǎn)⑥，否則轉(zhuǎn)步驟 ⑤。

⑤利用FS算法優(yōu)化公式（17），搜索符合條件的權(quán)值，并返回③。

⑥ 結(jié)束。

圖3 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)優(yōu)化流程圖

3 算法仿真

采用三層BPNN模型，輸入神經(jīng)元個(gè)數(shù)與傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)相同，隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)按公式（6）確定，輸出層神經(jīng)元個(gè)數(shù)按公式（7）確定。仿真環(huán)境為Matlab，版本為R2008a。

3.1 參數(shù)設(shè)置

相關(guān)的參數(shù)設(shè)置如表1所列。

表1 參數(shù)設(shè)置表參數(shù) 取值 參數(shù) 取值

區(qū)域大小 50 m×50 m 種群規(guī)模 120

傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù) 120 終止代數(shù)G 500

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?隨機(jī)部署 搜索小步數(shù)T 120

節(jié)點(diǎn)通信半徑 20 m 搜索半徑Rji 0.01，0.5，1

節(jié)點(diǎn)感知半徑 10 m 誤差閾值 10-3

節(jié)點(diǎn)初始能量 0.7 J 訓(xùn)練速率系數(shù) 0.3

數(shù)據(jù)傳輸能耗 20 nJ/bit 數(shù)據(jù)接收能耗 12 nJ/bit

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)

為了盡可能全面驗(yàn)證算法的有效性和可行性，本文從以下三個(gè)角度設(shè)置仿真實(shí)驗(yàn)。

3.2.1 仿真實(shí)驗(yàn)1——網(wǎng)絡(luò)的收斂性

把120個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)拋撒在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，在相同的數(shù)據(jù)采集環(huán)境中，對(duì)比BPNN算法和FS-BPNN算法的收斂性。仿真結(jié)果如圖4所示。

3.2.2 仿真實(shí)驗(yàn)2——網(wǎng)絡(luò)存活節(jié)點(diǎn)數(shù)和時(shí)間的關(guān)系

在監(jiān)控區(qū)域中隨機(jī)拋撒120個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，并按表1設(shè)置各個(gè)相關(guān)參數(shù)，比較BPNN和FS-BP算法優(yōu)化下隨著時(shí)間（秒/s）的增加節(jié)點(diǎn)存活的個(gè)數(shù)。存活節(jié)點(diǎn)數(shù)和時(shí)間的關(guān)系如圖5所示。

圖4 收斂性比較

圖5 存活節(jié)點(diǎn)數(shù)和時(shí)間的關(guān)系

3.2.3 仿真實(shí)驗(yàn)3——節(jié)點(diǎn)平均耗能情況

在50 m×50 m的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)分別隨機(jī)拋撒90，100，110，120，130，150個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，比較兩種算法的平均耗能情況，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 節(jié)點(diǎn)平均耗能對(duì)比

3.3 仿真分析

由仿真實(shí)驗(yàn)1可知，如圖4所示，在相同條件下，BPNN算法在迭代次數(shù)達(dá)到100時(shí)基本收斂，而FS-BP在迭代次數(shù)達(dá)到75時(shí)就基本趨于收斂，所以，本文提出的FS-BP算法在迭代次數(shù)較少的情況下，就能達(dá)到收斂要求。對(duì)于能量有限的WSNs網(wǎng)絡(luò)，算法收斂快慢也決定著能量的利用效率高低。

由仿真實(shí)驗(yàn)2可知，如圖5所示，BPNN算法下的 WSNs數(shù)據(jù)融合中，在300 s時(shí)開(kāi)始有節(jié)點(diǎn)死亡，在650 s時(shí)，只有一半節(jié)點(diǎn)存活，當(dāng)時(shí)間達(dá)到740 s時(shí)，全部節(jié)點(diǎn)死亡；而在FS-BP算法下，在720 s時(shí)節(jié)點(diǎn)才開(kāi)始有死亡的情況出現(xiàn)，在810 s時(shí)，死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)接近一半，節(jié)點(diǎn)最長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間接近900 s時(shí)，節(jié)點(diǎn)完全死亡。從仿真結(jié)果可以看出，F(xiàn)S-BP算法比BPNN算法更能延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間，特別是網(wǎng)絡(luò)的正常工作時(shí)間。

由仿真實(shí)驗(yàn)3可知，BPNN算法隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，平均每個(gè)節(jié)點(diǎn)的耗能也隨著增加，而FS-BP算法卻隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而減少，且兩者之間的差距逐漸加大，這從另一個(gè)方面體現(xiàn)了FS-BP算法性能的優(yōu)越性和有效性。

綜上所述，在WSNs數(shù)據(jù)融合中，F(xiàn)S-BP算法比BPNN算法的性能更好，不僅提高了收斂速度和能量利用效率，還有效延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。

4 結(jié) 語(yǔ)

數(shù)據(jù)融合作為延長(zhǎng)WSNs生存時(shí)間的一種重要方法，是WSNs研究的重要領(lǐng)域之一。本文提出把FS算法與BPNN算法相結(jié)合，解決BPNN算法收斂速度慢的問(wèn)題，通過(guò)建立模型，并從多個(gè)角度設(shè)置仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證算法的有效性，結(jié)果表明，F(xiàn)S-BP算法能夠像預(yù)期的一樣加快收斂速度，降低節(jié)點(diǎn)能量消耗，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。下一步的研究應(yīng)該進(jìn)一步結(jié)合具體應(yīng)用背景的特點(diǎn)，改進(jìn)算法，提高WSNs數(shù)據(jù)融合的實(shí)際應(yīng)用效果。

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