第16卷第3期 智能系统学报 Vol.16 No.3 2021年5月 CAAI Transactions on Intelligent Systems May 2021 D0I:10.11992/tis.202009006 利用置信规则库构建WSN节点故障检测模型 朱海龙，耿文强，韩劲松2，张广玲，冯志超 (1.哈尔滨师范大学计算机科学与信息工程学院，黑龙江哈尔滨150025：2.哈尔滨金融学院计算机系，黑龙 江哈尔滨150030：3.火箭军工程大学导弹工程学院.陕西西安710025) 摘要：在无线传感器网络(wireless sensor network,WSN)节点故障检测领域的研究过程中，故障检测准确率会 受节点数据的不确定性和专家知识模糊性的影响。针对这一问题，本文提出了一种基于置信规则库(belief rule base,BRB)的WSN节点故障检测方法。首先，根据WSN工作原理及节点工作特性描述WSN节点故障检测过 程：然后，从空间和时间2个维度对节点数据提取特征，建立基于空间和时间相关性的WSN节点故障检测模 型；最后，利用Intel Lab Data无线传感器数据集进行案例研究以验证模型的有效性。结果证明，本文方法能够 统筹利用专家知识和节点数据实现WSN节点故障检测。 关键词：无线传感器网络：故障检测：数据不确定性：专家知识模糊性：时间相关性：空间相关性：置信规则库： Intel Lab Data数据集 中图分类号：TP393 文献标志码：A文章编号：1673-4785(2021)03-0511-07 中文引用格式：朱海龙，耿文强，韩劲松，等.利用置信规则侧库构建VSN节点故障检测模型.智能系统学报，2021,16(3)： 511-517. 英文引用格式：ZHU Hailong,GENG Wenqiang,HAN Jinsong,et al.Constructing a WSN node fault detection model using the be- lief rule base[Jl.CAAI transactions on intelligent systems,2021,16(3):511-517. Constructing a WSN node fault detection model using the belief rule base ZHU Hailong',GENG Wenqiang',HAN Jinsong',ZHANG Guangling',FENG Zhichao (1.School of Computer Science and Information Engineering,Harbin Normal University,Harbin 150025,China;2.Department of Computer Science,Harbin Finance University,Harbin 150030,China;3.Missile Engineeting College,Rocket Force University of Engineering,Xi'an 710025,China) Abstract:The WSN node fault detection accuracy is affected by uncertain factors,including the uncertainty of node data and the ambiguity of expert knowledge.This paper proposes a WSN node fault detection method based on the be- lief rule base.First,the WSN node fault detection process is described according to the working principle of the WSN and the working characteristics of the node.Node data are extracted from two dimensions of space and time,and then the WSN node fault detection model is established based on space and time correlation.We use the Intel lab data wire- less sensor data set to conduct a case study to verify the effectiveness of the model.The experimental results indicate that the method proposed in this paper can coordinate the use of expert knowledge and node data to realize the fault de- tection of WSN nodes. Keywords:wireless sensor network;fault detection;data uncertainty;expert knowledge ambiguity;time correlation; spatial correlation;beliefrule base;Intel Lab Data dataset 无线传感器网络(WSN)已广泛用于大型工 节点采集数据不完整不准确，同时传感器节点工 业结构件的安全检测山、军事领域的实时信息采 作环境的复杂性和WSN的无中心特性也会增加 集回、生态环境监测)、辅助农业生产和复杂的机 人工维护和故障排查的难度，所以对WSN节点 械控制等领域。在实际应用中，传感器节点发 进行实时准确地故障检测对无线传感器网铬的应 生故障和通信信道受到干扰等因素会导致传感器 用和发展具有十分重要的意义。目前对WSN节 收稿日期：2020-09-07. 点的故障检测方法主要分为2种：1)基于数据驱 基金项目：国家自然科学基金项目(61370031,61773388)：黑龙 江省自然科学基金项目(F2018023). 动的WSN节点故障检测方法61,2)基于专家知 通信作者：韩劲松.E-mail:hanjinsong1970@163.com 识的WSN节点故障检测方法6切。DOI: 10.11992/tis.202009006 利用置信规则库构建 WSN 节点故障检测模型 朱海龙1 ，耿文强1 ，韩劲松2 ，张广玲1 ，冯志超3 （1. 哈尔滨师范大学 计算机科学与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨 150025; 2. 哈尔滨金融学院 计算机系，黑龙 江 哈尔滨 150030; 3. 火箭军工程大学 导弹工程学院，陕西 西安 710025） 摘 要：在无线传感器网络 (wireless sensor network, WSN) 节点故障检测领域的研究过程中，故障检测准确率会 受节点数据的不确定性和专家知识模糊性的影响。针对这一问题，本文提出了一种基于置信规则库 (belief rule base, BRB) 的 WSN 节点故障检测方法。首先，根据 WSN 工作原理及节点工作特性描述 WSN 节点故障检测过 程；然后，从空间和时间 2 个维度对节点数据提取特征，建立基于空间和时间相关性的 WSN 节点故障检测模 型；最后，利用 Intel Lab Data 无线传感器数据集进行案例研究以验证模型的有效性。结果证明，本文方法能够 统筹利用专家知识和节点数据实现 WSN 节点故障检测。 关键词：无线传感器网络；故障检测；数据不确定性；专家知识模糊性；时间相关性；空间相关性；置信规则库； Intel Lab Data 数据集 中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：1673−4785(2021)03−0511−07 中文引用格式：朱海龙, 耿文强, 韩劲松, 等. 利用置信规则库构建 WSN 节点故障检测模型 [J]. 智能系统学报, 2021, 16(3): 511–517. 英文引用格式：ZHU Hailong, GENG Wenqiang, HAN Jinsong, et al. Constructing a WSN node fault detection model using the be￾lief rule base[J]. CAAI transactions on intelligent systems, 2021, 16(3): 511–517. Constructing a WSN node fault detection model using the belief rule base ZHU Hailong1 ，GENG Wenqiang1 ，HAN Jinsong2 ，ZHANG Guangling1 ，FENG Zhichao3 (1. School of Computer Science and Information Engineering, Harbin Normal University, Harbin 150025, China; 2. Department of Computer Science, Harbin Finance University, Harbin 150030, China; 3. Missile Engineeting College, Rocket Force University of Engineering, Xi’an 710025, China) Abstract: The WSN node fault detection accuracy is affected by uncertain factors, including the uncertainty of node data and the ambiguity of expert knowledge. This paper proposes a WSN node fault detection method based on the be￾lief rule base. First, the WSN node fault detection process is described according to the working principle of the WSN and the working characteristics of the node. Node data are extracted from two dimensions of space and time, and then the WSN node fault detection model is established based on space and time correlation. We use the Intel lab data wire￾less sensor data set to conduct a case study to verify the effectiveness of the model. The experimental results indicate that the method proposed in this paper can coordinate the use of expert knowledge and node data to realize the fault de￾tection of WSN nodes. Keywords: wireless sensor network; fault detection; data uncertainty; expert knowledge ambiguity; time correlation; spatial correlation; belief rule base; Intel Lab Data dataset 无线传感器网络 (WSN) 已广泛用于大型工 业结构件的安全检测[1] 、军事领域的实时信息采 集 [2] 、生态环境监测[3] 、辅助农业生产和复杂的机 械控制等领域[4-5]。在实际应用中，传感器节点发 生故障和通信信道受到干扰等因素会导致传感器 节点采集数据不完整不准确，同时传感器节点工 作环境的复杂性和 WSN 的无中心特性也会增加 人工维护和故障排查的难度，所以对 WSN 节点 进行实时准确地故障检测对无线传感器网络的应 用和发展具有十分重要的意义。目前对 WSN 节 点的故障检测方法主要分为 2 种：1) 基于数据驱 动的 WSN 节点故障检测方法[6-15] ；2) 基于专家知 识的 WSN 节点故障检测方法[16-17]。 收稿日期：2020−09−07. 基金项目：国家自然科学基金项目 (61370031，61773388)；黑龙 江省自然科学基金项目 (F2018023). 通信作者：韩劲松. E-mail：hanjinsong1970@163.com. 第 16 卷第 3 期 智 能 系 统 学 报 Vol.16 No.3 2021 年 5 月 CAAI Transactions on Intelligent Systems May 2021