CN111404758A - 一种快速的时变图信号分布式修复方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术邻域
本发明涉及时变图信号处理技术邻域,具体涉及一种快速的时变图信号分布式修复方法。
背景技术
在许多应用中,传感器网络在时间上连续不断地采集数据,该数据建模为时变图信号X={xt,t=0,…,T-1},其中T为时序数,xt为t时刻的图信号。由于传感器网络受环境扰动影响甚至失灵,导致采集的时变图信号不可避免地出现部分破坏甚至丢失,故时变图信号的修复具有十分重要的意义。
对时变图信号进行修复可以分为集中式修复和分布式修复两类。由于时变图信号的数据量十分庞大,因此集中式修复方法在求解时需要涉及高维矩阵求逆,从而使得算法变得复杂,计算量大,效率低。而目前出现的分布式修复采用梯度下降法求解,被损坏的网络节点也具有计算能力,存在收敛速度慢的问题。
发明内容
本发明针对现有时变图信号修复方法存在收敛速度慢的问题,提供一种快速的时变图信号分布式修复方法,其能够在保证修复性能的前提下提高算法收敛速度。
为解决上述问题,本发明是通过以下技术方案实现的:
一种快速的时变图信号分布式修复方法,包括步骤如下:
步骤2、计算传感器网络优化目标函数的海森矩阵DM:
步骤3、对于传感器网络中的每个未被破坏的传感器节点,从传感器网络中划分出该未被破坏的传感器节点所对应的传感器子网络,其中每个未被破坏的传感器节点所对应的传感器子网络包含该未被破坏的传感器节点及其2r阶邻域传感器节点,由此得到|M|个传感器子网络;
步骤4、针对每个传感器子网络,计算该传感器子网络对应目标函数的海森矩阵求逆的局部近似矩阵;其中第k个传感器子网络的局部近似矩阵Jk为:
步骤5、初始化:令初始的第k个传感器子网络的局部残差向量令初始的第i个传感器节点的残差值其中为迭代残差向量的第i个元素;令初始的第i个传感器节点的修复值令初始的迭代次数m=0;同时,给定迭代终止阈值e;
步骤7、对于传感器网络中的每个传感器节点,将第m次迭代下该传感器节点所在的传感器子网络的局部修复增量值进行合并,得到在第m次迭代下该传感器节点的修复增量值;其中第m次迭代下第i个传感器节点的修复增量值
步骤8、对传感器网络中的每个传感器节点的残差值和修复值进行更新;其中第i个传感器节点的修复值的更新公式为:
其中第i个传感器节点的残差值的更新公式为:
上述:i,j∈V,V为传感器网络中传感器节点集合;k∈M,M为传感器网络中未被破坏的传感器节点集合;t为当前时刻,t=1,2,…T-1;r为给定的邻域半径;I|M|为|M|×|M|维的单位矩阵,其元素值|M|传感器网络中未被破坏的传感器节点的数量;b为第t时刻时变信号的观测向量;为第t-l时刻时变信号的修复向量;Ct-l为第t-l时刻时变信号的权系数向量;β为第二加权因子;H1为高通滤波器向量;I为|V|×|V|维的单位矩阵;|V|为传感器网络中传感器节点的数量;α为第一加权因子;为|V|×|V|维的对角矩阵,其元素值B(k,r)为未被破坏的传感器节点k及其r阶邻域节点的集合;为第m次迭代下第k个传感器子网络的局部残差向量;B(i,r)为传感器节点i及其r阶邻域节点的集合;为第m次迭代下第k个传感器子网络的局部修复增量向量的第i个元素;为第m次迭代下第i个传感器节点的修复值;为第m+1次迭代下第i个传感器节点的修复值;为第m次迭代下第i个传感器节点的残差值;为第m+1次迭代下第i个传感器节点的残差值;DM(i,j)为海森矩阵DM的第i行第j列的元素;为m次迭代下第j个传感器节点的修复增量值;B(i,2r)为传感器节点i及其2r阶邻域节点的集合。
上述方案中,给定的邻域半径r需要保证传感器网络中的任何一个传感器节点至少归属于2个传感器子网络中。
与现有技术相比,本发明将修复问题归结为一个无约束的优化问题,最小化数据保真度、空域非平滑惩罚项和时域非平滑惩罚项的加权和。在牛顿迭代法的基础上,将海森矩阵用J代替。求解J时,采取“分解-合并”思想。在保证修复性能的前提下,该方法具有快的收敛速度,同时被损坏的网络节点不具有计算能力。
附图说明
图1是海平面温度图信号。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。
设传感器网络的图模型为G={V,E}。其中V={1,2,…,N}为顶点集,每个顶点对应一个传感器节点;E为边集,每条边代表两个传感器节点之间的连接关系。上述传感器网络中所有传感器节点所采集到的时变图信号为X={xt,t=0,…,T-1},其中T为时序数,xt为t时刻的图信号。按时序依次对传感器网络的时变图信号进行修复,即先修复初始时刻的时变图信号x0,再修复第一时刻的时变图信号x1,依次进行下去,最后第T-1时变图信号修复xT-1。下面以修复当前时刻的时变图信号x=[x(1),x(2),…,x(N)]T为例进行说明:
将传感器网络的所有N个传感器节点分成两类:一类是未被破坏的传感器节点,用集合M表示;一类是被破坏的传感器节点,用集合μ表示。传感器网络中所有节点的观测值b由式(1)表示:
式中,bM为未被破坏的传感器节点采集到的观测信号,bμ为被破坏的传感器节点采集到的观测信号。x为当前时刻所有传感器节点对应的实际时变图信号(即最终需要修复的时变图信号),ε为加性噪声。xM为未被破坏的传感器节点对应的实际时变图信号,εM为未被破坏的传感器节点采集图信号时引入的噪声。xμ为被破坏的传感器节点对应的实际时变图信号,εμ为被破坏的传感器节点采集图信号时引入的噪声。
通过最小化数据保真度、空域非平滑惩罚项和时域非平滑惩罚项的加权和,将时变图信号的修复问题归结为一个无约束的优化问题:
为了实现对式(2)的优化问题的简化,对于每个未被破坏的传感器节点k,k∈M,从传感器网络的图模型G={V,E}中划分得到一个传感器子网络的图模型Gk,2r={B(k,2r),E(k,2r)},由此得到|M|个传感器子网络的图模型。
B(k,2r)为子图Gk,2r的顶点集,B(k,2r)中包含顶点k的所有2r阶邻域,即B(k,2r)={j∈V:ρ(k,j)≤2r},ρ(k,j)为顶点(k,j)之间的距离。E(k,2r)为子图Gk,2r的边集;选择半径r时,应足够大,以保证感器网络的图模型中任何一个顶点至少归属于两个子图中。
局部修复:将优化问题(2)分解成|M|个优化子问题,每个优化子问题对应于一个子图Gk,2r
更新修复值:
基于上述分析,本发明所设计的一种快速的时变图信号分布式修复方法,其具体包括步骤如下:
式中,I|M|为|M|×|M|维的单位矩阵,其元素值M为传感器网络中未被破坏的传感器节点集合,|M|传感器网络中未被破坏的传感器节点的数量,b为第t时刻时变信号的观测向量,为第t-l时刻时变信号的修复向量,Ct-l为第t-l时刻时变信号的权系数向量,β为第二加权因子;
步骤2、计算传感器网络优化目标函数的海森矩阵DM:
式中,H1为高通滤波器向量,I为|V|×|V|维的单位矩阵,|V|为传感器网络中传感器节点的数量,α为第一加权因子;
步骤3、对于传感器网络中的每个未被破坏的传感器节点,从传感器网络中划分出该未被破坏的传感器节点所对应的传感器子网络,其中每个未被破坏的传感器节点所对应的传感器子网络包含该未被破坏的传感器节点及其2r阶邻域传感器节点,由此得到|M|个传感器子网络;
步骤4、针对每个传感器子网络,计算该传感器子网络对应目标函数的海森矩阵求逆的局部近似矩阵;其中第k个传感器子网络的局部近似矩阵Jk为:
步骤5、初始化:
令初始的迭代次数m=0;同时,给定迭代终止阈值e;
步骤7、对于传感器网络中的每个传感器节点,将第m次迭代下该传感器节点所在的传感器子网络的局部修复增量值进行合并,得到在第m次迭代下该传感器节点的修复增量值;其中第m次迭代下第i个传感器节点的修复增量值
步骤8、对传感器网络中的每个传感器节点的残差值和修复值进行更新;
其中第i个传感器节点的修复值的更新公式为:
其中第i个传感器节点的残差值的更新公式为:
其中,为第m次迭代下第i个传感器节点的残差值,为第m+1次迭代下第i个传感器节点的残差值,DM(i,j)为海森矩阵DM的第i行第j列的元素,为m次迭代下第j个传感器节点的修复增量值,B(i,2r)为传感器节点i及其2r阶邻域节点的集合;
上述i,j∈V,V为传感器网络中传感器节点集合;k∈M,M为传感器网络中未被破坏的传感器节点集合;t为当前时刻,t=1,2,…T-1;r为给定的邻域半径,给定的邻域半径r需要保证传感器网络G中的任何一个传感器节点至少归属于2个传感器子网络中。
为了验证本发明的有效性,进行了仿真实验并于现有方法进行比较。时变图信号为海平面温度数据,该数据从位于太平洋以西170°到90°、以南60°到以北10°的100个站点获得,温度数值从-1.32℃到30.72℃。每月记录一次,每个站点记录从1870年1月到2014年5月共1733个温度数据。利用5-邻域算法构造图模型,顶点数为100。仿真中,将损坏的那部分信号值置为0,均匀分布噪声区间为[-0.01,0.01]。信号被损坏的比例分别取80%、50%和20%,对应的子图半径分别为r=7,4,2。优化问题中权值α=0.005,β=0.001。评价修复算法的两个指标为:(1)和(2)平均迭代次数,其中,N为图的顶点数,x0和分别为图信号的真实值和修复值。图1是2014年5月的海平面温度图信号。表1给出了两种方法的性能对比,表中取1733个RMSE的平均值。
表1海平面温度数据的修复性能
从仿真结果可以看出,本发明方法与现有方法具有相同的修复性能。但是,本发明方法收敛速度更快。
需要说明的是,尽管以上本发明所述的实施例是说明性的,但这并非是对本发明的限制,因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下,凡是本邻域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式,均视为在本发明的保护之内。
Claims (2)
1.一种快速的时变图信号分布式修复方法,其特征是,包括步骤如下:
步骤2、计算传感器网络优化目标函数的海森矩阵DM:
步骤3、对于传感器网络中的每个未被破坏的传感器节点,从传感器网络中划分出该未被破坏的传感器节点所对应的传感器子网络,其中每个未被破坏的传感器节点所对应的传感器子网络包含该未被破坏的传感器节点及其2r阶邻域传感器节点,由此得到|M|个传感器子网络;
步骤4、针对每个传感器子网络,计算该传感器子网络对应目标函数的海森矩阵求逆的局部近似矩阵;其中第k个传感器子网络的局部近似矩阵Jk为:
步骤5、初始化:令初始的第k个传感器子网络的局部残差向量令初始的第i个传感器节点的残差值其中为迭代残差向量的第i个元素;令初始的第i个传感器节点的修复值令初始的迭代次数m=0;同时,给定迭代终止阈值e;
步骤7、对于传感器网络中的每个传感器节点,将第m次迭代下该传感器节点所在的传感器子网络的局部修复增量值进行合并,得到在第m次迭代下该传感器节点的修复增量值;其中第m次迭代下第i个传感器节点的修复增量值
步骤8、对传感器网络中的每个传感器节点的残差值和修复值进行更新;其中第i个传感器节点的修复值的更新公式为:
其中第i个传感器节点的残差值的更新公式为:
上述:i,j∈V,V为传感器网络中传感器节点集合;k∈M,M为传感器网络中未被破坏的传感器节点集合;t为当前时刻,t=1,2,…T-1;r为给定的邻域半径;I|M|为|M|×|M|维的单位矩阵,其元素值|M|传感器网络中未被破坏的传感器节点的数量;b为第t时刻时变信号的观测向量;为第t-l时刻时变信号的修复向量;Ct-l为第t-l时刻时变信号的权系数向量;β为第二加权因子;H1为高通滤波器向量;I为|V|×|V|维的单位矩阵;|V|为传感器网络中传感器节点的数量;a为第一加权因子;为|V|×|V|维的对角矩阵,其元素值B(k,r)为未被破坏的传感器节点k及其r阶邻域节点的集合;为第m次迭代下第k个传感器子网络的局部残差向量;B(i,r)为传感器节点i及其r阶邻域节点的集合;为第m次迭代下第k个传感器子网络的局部修复增量向量的第i个元素;为第m次迭代下第i个传感器节点的修复值;为第m+1次迭代下第i个传感器节点的修复值;为第m次迭代下第i个传感器节点的残差值;为第m+1次迭代下第i个传感器节点的残差值;DM(i,j)为海森矩阵DM的第i行第j列的元素;为m次迭代下第j个传感器节点的修复增量值;B(i,2r)为传感器节点i及其2r阶邻域节点的集合。
2.根据权利要求1所述的一种快速的时变图信号分布式修复方法,其特征是,给定的邻域半径r需要保证传感器网络G中的任何一个传感器节点至少归属于2个传感器子网络中。
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