網(wǎng)絡(luò)分布式分級(jí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)

史偉

（中國電子科學(xué)研究院，北京 100041）

網(wǎng)絡(luò)分布式分級(jí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)

史偉

（中國電子科學(xué)研究院，北京 100041）

針對(duì)現(xiàn)代戰(zhàn)爭中多平臺(tái)多傳感器協(xié)同作戰(zhàn)的特點(diǎn)，提出了一種網(wǎng)絡(luò)分布式分級(jí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)。首先，通過網(wǎng)絡(luò)分布式技術(shù)提升了整個(gè)作戰(zhàn)系統(tǒng)的抗毀性，實(shí)現(xiàn)了指控作戰(zhàn)的無縫交接。其次，通過分級(jí)融合技術(shù)解決了傳統(tǒng)單級(jí)融合模式中由于數(shù)據(jù)回吐而造成的信息冗余問題，同時(shí)也降低了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載；最后，通過理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了分布式分級(jí)處理技術(shù)的可行性和有效性，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

數(shù)據(jù)處理，分級(jí)處理，分布式處理，數(shù)據(jù)融合，信息融合

引言

在現(xiàn)代及未來戰(zhàn)爭中，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境瞬息萬變，電磁環(huán)境異常復(fù)雜，戰(zhàn)場(chǎng)上目標(biāo)的批數(shù)、密度、種類大大增加，目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度越來越快，而且多數(shù)目標(biāo)采用隱身技術(shù)和低空/超低空突防技術(shù)［1］，用傳統(tǒng)的單一型傳感器系統(tǒng)探測(cè)目標(biāo)將會(huì)更加困難。為了贏得戰(zhàn)爭的主導(dǎo)權(quán)，需要在各參戰(zhàn)平臺(tái)上加裝多傳感器系統(tǒng)。目前我國的各指揮控制平臺(tái)、警戒平臺(tái)以及戰(zhàn)斗平臺(tái)加裝了包括雷達(dá)、敵我識(shí)別等有源探測(cè)傳感器以及電子偵察、紅外探測(cè)等無源傳感器。并且各平臺(tái)之間通過加裝數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)了各平臺(tái)之間的情報(bào)共享。

由于參戰(zhàn)平臺(tái)的日益多樣化以及情報(bào)種類的日益多元化和復(fù)雜化，傳統(tǒng)的信息處理模式已經(jīng)不再適應(yīng)現(xiàn)在戰(zhàn)爭的需要，主要表現(xiàn)在：

①許多作戰(zhàn)系統(tǒng)只有一個(gè)情報(bào)處理中心［2］，當(dāng)處理中心被毀時(shí)，整個(gè)作戰(zhàn)系統(tǒng)癱瘓，系統(tǒng)的抗毀性較差。

②當(dāng)設(shè)置多個(gè)情報(bào)綜合中心時(shí)，各情報(bào)中心共享情報(bào)的方式通常有兩種：第1種模式將每個(gè)情報(bào)源將獲取的原始情報(bào)都通過全網(wǎng)進(jìn)行廣播［3］。第2種模式是各情報(bào)中心不直接共享所獲得的原始情報(bào)，而是將處理過后的綜合情報(bào)進(jìn)行共享［4］。這兩種情報(bào)共享模式都有各自的局限性：

第1種模式的優(yōu)點(diǎn)在于由于共享的是原始情報(bào)，因此，處理后的精度較高。局限性在于雖然精度較高，但當(dāng)信源或目標(biāo)較多時(shí)很容易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞而降低整個(gè)系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能；第2種模式的優(yōu)點(diǎn)在于通過綜合降低了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，缺陷在于一旦兩個(gè)情報(bào)中心存在交疊區(qū)并且相互交互，就會(huì)導(dǎo)致所謂的數(shù)據(jù)回吐問題，即各情報(bào)中心通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出的綜合情報(bào)被其他中心綜合過后，又被當(dāng)成是新的情報(bào)發(fā)送了回來，這樣就會(huì)造成融合誤差積累而降低融合精度，并且造成不必要的帶寬浪費(fèi)。

本文提出了一種分布式分級(jí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，旨在解決上述問題。

1 網(wǎng)絡(luò)分布式分級(jí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)

1.1 傳統(tǒng)的分布式單級(jí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)

現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中，為了解決融合中心一旦被摧毀整個(gè)指揮控制系統(tǒng)將面臨癱瘓的問題，需要采用分布式處理技術(shù)，即在網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)設(shè)置多個(gè)融合處理節(jié)點(diǎn)來提高平臺(tái)的抗毀性，進(jìn)而提高作戰(zhàn)系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。例如在一個(gè)空地組網(wǎng)聯(lián)合作戰(zhàn)系統(tǒng)中，地面指揮所可以作為一個(gè)融合節(jié)點(diǎn)，預(yù)警機(jī)也可以作為另一個(gè)融合節(jié)點(diǎn)。它們同時(shí)接收本平臺(tái)和其他參戰(zhàn)平臺(tái)各傳感器的探測(cè)情報(bào)，彼此之間互為備份。當(dāng)一個(gè)融合節(jié)點(diǎn)被敵人摧毀時(shí)，另一個(gè)融合節(jié)點(diǎn)可以馬上遞補(bǔ)發(fā)揮指揮控制和情報(bào)服務(wù)的功能，從而可以提高整個(gè)作戰(zhàn)系統(tǒng)的抗毀性。

根據(jù)第1節(jié)介紹可知，傳統(tǒng)的分布式單級(jí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)可以分為廣播式共享單級(jí)融合模式和綜合情報(bào)共享式融合模式兩種。

廣播式共享單級(jí)融合技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送所有信源的所有情報(bào)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 廣播共享式單級(jí)融合技術(shù)

這種信息融合模式在信源和目標(biāo)較少的情況下相對(duì)比較適用，一旦信源和目標(biāo)較多時(shí)，由于各信源掌握的每個(gè)目標(biāo)的情報(bào)都需要通過數(shù)據(jù)鏈傳輸，無疑會(huì)加重?cái)?shù)據(jù)鏈傳輸?shù)呢?fù)擔(dān)。因此，第2種情報(bào)融合模式出現(xiàn)：融合中心之間只共享綜合之后的情報(bào)信息，但隨之也帶來了數(shù)據(jù)回吐的問題。

如圖2所示，融合中心1接收來自信源1、信源2以及融合中心2通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送過來的綜合情報(bào)。融合中心2接收來自信源3、信源4以及融合中心1通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送來的綜合情報(bào)。可以看到，對(duì)于融合中心1，它通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送出去的綜合情報(bào)又被當(dāng)作融合中心2綜合情報(bào)中的一部分接收回來繼續(xù)綜合，這樣會(huì)造成融合誤差的累積和資源的浪費(fèi)。

圖2 綜合情報(bào)共享式單級(jí)融合模式中

1.2 分布式分級(jí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)

為了解決上述問題，本文提出了網(wǎng)絡(luò)分布式分級(jí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，通過分布式、分級(jí)融合處理，解決了上述存在的問題，如圖3所示：

圖3 分布式分級(jí)融合技術(shù)

處理步驟：

首先采用網(wǎng)絡(luò)分布式處理技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置多個(gè)融合處理中心，這些融合中心的級(jí)別可以平級(jí)，也可以分屬上下級(jí)。當(dāng)一個(gè)處理節(jié)點(diǎn)被毀時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)可以馬上遞補(bǔ)實(shí)現(xiàn)無縫交接的情報(bào)服務(wù)的功能。

其次，各數(shù)據(jù)處理中心內(nèi)部采用分級(jí)處理技術(shù)，整個(gè)處理過程可以分為兩個(gè)步驟：

①一級(jí)處理（本地綜合）

各融合中心的一級(jí)數(shù)據(jù)處理模塊接收本地多傳感器的探測(cè)情報(bào)并進(jìn)行綜合處理，形成本地綜合航跡。本地綜合情報(bào)一方面發(fā)送給數(shù)據(jù)鏈用于情報(bào)共享，一方面發(fā)送給二級(jí)融合模塊用于二級(jí)綜合。

②二級(jí)處理（系統(tǒng)綜合）

各融合中心的二級(jí)數(shù)據(jù)處理模塊接收本地綜合處理后的本機(jī)綜合航跡和其他融合中心通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送過來的本地綜合航跡進(jìn)行二級(jí)融合處理，形成系統(tǒng)綜合航跡。

分布式分級(jí)融合處理的優(yōu)點(diǎn)如下：

①當(dāng)信源較多時(shí)，使用分布式分級(jí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，各融合節(jié)點(diǎn)的綜合模塊既保持了采用廣播式單級(jí)融合技術(shù)時(shí)的目標(biāo)跟蹤精度，又減少了數(shù)據(jù)鏈的傳輸負(fù)擔(dān)。

證明：設(shè)有N個(gè)信源對(duì)單個(gè)目標(biāo)進(jìn)行量測(cè)，各信源對(duì)目標(biāo)的原始量測(cè)向量為z1，z2，…，zN，其中，zi∈Rmi，

觀測(cè)方程為

其中，被估計(jì)量x∈Rn，Hi∈Rmi×n為量測(cè)矩陣，vi為量測(cè)誤差，且

根據(jù)信息論原理，定義信息的信息量I為信息方差的逆，即

因此，方差越小，信息量越大。

由于量測(cè)量的信息維數(shù)與被估計(jì)量的維數(shù)不等，因此，量測(cè)信息不能直接使用，定義當(dāng)量信息量：

若I［z］=W且z=Hx，則。

其中I［z|x］被稱作當(dāng)量信息量。

為了證明結(jié)論首先給出信息量滿足的兩條定理［5］：

定理1：最優(yōu)估計(jì)的信息量等于所有量測(cè)信息關(guān)于被估計(jì)量的信息之和。

定理2：最優(yōu)融合估計(jì)與其信息量的積等于各當(dāng)量信息與其信息量的積之和。

若采用廣播共享式單級(jí)融合技術(shù)，根據(jù)定理1可得N個(gè)量測(cè)信息的全部當(dāng)量信息量等于最有估計(jì)值的信息量，因此有

根據(jù)定理2，可得N的量測(cè)信息的最優(yōu)融合解為

若采用分布式分級(jí)融合技術(shù)，設(shè)融合中心1的本地綜合模塊接收來自傳感器序號(hào)為1～N1的探測(cè)情報(bào)，融合中心2的本地綜合模塊接收來自傳感器序號(hào)為N1+1～N的探測(cè)情報(bào)。設(shè)融合中心1的本地綜合估計(jì)為?1，融合中心2的本地綜合估計(jì)為?2，根據(jù)式（4），可得以下結(jié)論：

對(duì)于融合中心1和融合中心2的二級(jí)融合（系統(tǒng)融合）模塊，將?1和?2看做是x的量測(cè)信息，得出信息的表達(dá)式：

式中：w1，w2是零均值，協(xié)方差分別為I-1［?1］和I-1［2］的白噪聲。

因此，融合中心1和融合中心2的二級(jí)融合模塊得到的總信息量為

根據(jù)定理2，有

將式（5）、式（6）帶入式（7）可得二級(jí)融合模塊關(guān)于目標(biāo)的最優(yōu)估計(jì)：

對(duì)比式（4）和式（8）可以發(fā)現(xiàn)，采用分布式分級(jí)融合技術(shù)的融合精度和采用廣播共享式單級(jí)融合技術(shù)的融合精度是相同的。

下面分析數(shù)據(jù)鏈傳輸信息的冗余度：

假設(shè)有m個(gè)信源（傳感器），n個(gè)目標(biāo)，k個(gè)融合中心，假設(shè)信源較多（m〉〉k），且每個(gè)信源都探測(cè)到了所有目標(biāo)。

對(duì)于廣播共享式單級(jí)融合技術(shù)而言，由于每個(gè)信源需要向數(shù)據(jù)鏈發(fā)送的航跡數(shù)目為：n×（k-1），因此，m個(gè)信源共需要向數(shù)據(jù)鏈發(fā)送m×n×（k-1）條航跡。

對(duì)于分布式分級(jí)融合技術(shù)而言，在關(guān)聯(lián)成功率理想的情況下，每個(gè)融合中心需要向數(shù)據(jù)鏈發(fā)送的航跡條數(shù)為n×（k-1），k個(gè)融合中心共需向數(shù)據(jù)鏈發(fā)送k×n×（k-1）條航跡。由于m〉〉k，所以得出結(jié)論：通過分布式分級(jí)融合技術(shù)，可以減少信源較多情況下數(shù)據(jù)鏈的傳輸負(fù)擔(dān)。

②解決了單級(jí)綜合情報(bào)共享模式中的數(shù)據(jù)回吐問題。通過分布式分級(jí)融合數(shù)據(jù)處理技術(shù)，各融合節(jié)點(diǎn)的一級(jí)融合模塊首先對(duì)本地多傳感器情報(bào)進(jìn)行綜合，形成本地綜合航跡后，發(fā)送給本地融合中心的二級(jí)融合模塊，并通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送給其他融合中心的二級(jí)融合模塊。通過上面證明可知，對(duì)各融合節(jié)點(diǎn)而言，它們接收的情報(bào)信息等價(jià)于所有傳感器的情報(bào)信息，是沒有冗余的，很好地解決了綜合情報(bào)共享融合模式中綜合情報(bào)你中有我，我中有你的數(shù)據(jù)回吐問題。

2 實(shí)驗(yàn)分析

不失一般性，假設(shè)有2個(gè)融合中心：融合中心1和融合中心2；假設(shè)融合中心1有4個(gè)傳感器，融合中心2有4個(gè)傳感器；通過蒙特卡洛法共產(chǎn)生100批目標(biāo)。

方式1：采用廣播共享式單級(jí)融合方式，即2個(gè)融合中心同時(shí)接收8個(gè)傳感器發(fā)送過來的情報(bào)信息。融合中心采用序貫卡爾曼濾波融合算法。

方式2：采用分布式分級(jí)融合方式，即各融合節(jié)點(diǎn)首先對(duì)本地的4個(gè)傳感器的情報(bào)進(jìn)行綜合，形成本地綜合航跡后，發(fā)送給本地以及對(duì)方融合節(jié)點(diǎn)的二級(jí)融合模塊進(jìn)行系統(tǒng)綜合，形成系統(tǒng)航跡。本地綜合和系統(tǒng)綜合都采用序貫卡爾曼濾波融合算法。

通過500次蒙特卡洛仿真實(shí)驗(yàn)來比較兩種方式的融合精度和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，如圖4，圖5所示：

圖4 兩種融合方式融合精度對(duì)比

通過對(duì)比圖4和圖5可以看出，分布式分級(jí)融合的融合精度和廣播共享式單級(jí)融合的融合精度大致相同，但明顯降低了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

圖5 兩種融合方式網(wǎng)絡(luò)負(fù)載對(duì)比

3 總結(jié)

本文提出了分布式分級(jí)融合技術(shù)，通過設(shè)置多個(gè)分布式融合節(jié)點(diǎn)提高了系統(tǒng)的抗毀性；通過分級(jí)融合技術(shù)解決了單級(jí)綜合情報(bào)共享模式中由于數(shù)據(jù)回吐而造成的融合誤差積累和資源浪費(fèi)問題。通過理論和實(shí)驗(yàn)證明，分布式分級(jí)融合技術(shù)在保持與廣播共享式單級(jí)融合方式相同的融合精度的同時(shí)，降低了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，增強(qiáng)了系統(tǒng)的健壯性，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

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［2］韓崇昭，朱洪艷，段戰(zhàn)勝，等.多源信息融合［M］.（第二版）.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

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Study on Network-Distributed Data Processing Technology Based on Multi-Level Architecture

SHI Wei
（China Academy of Electroics and Information Technology，Beijing 100041，China）

Due to the complexity of sensors and platforms in a war，a network-distributed fusion system based on multi-level fusion architecture is proposed in this paper.Firstly，it improves the robustness of the system by means of network distributed architecture.Secondly，it is able solve problems of information redundancy in single-level fusion model and reduce the network load by means of hierarchy.It is proved to be effective and feasible by theory and experiment.

data processing，distributed processing，multi-level processing，data fusion，multi-source fusion

TP274

A

1002-0640（2014）10-0135-04

2013-07-10

2013-09-22

史 偉（1981- ），男，山西太原人，博士，高級(jí)工程師。研究方向：信息融合與目標(biāo)跟蹤技術(shù)。