一種多傳感器信息融合系統(tǒng)性能評價方法

宋 佳，柯 濤，張 恒

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

作為一種無人操作的水面艦船平臺，水面無人艇配備了先進(jìn)的控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、自主航行系統(tǒng)、武器系統(tǒng)，可執(zhí)行多種戰(zhàn)爭和非戰(zhàn)爭軍事任務(wù)，比如反水雷、反潛作戰(zhàn)、海上安全(島礁防衛(wèi))、水面作戰(zhàn),支持特種部隊作戰(zhàn)、電子戰(zhàn)、支持海上攔截封鎖作戰(zhàn)等任務(wù)。根據(jù)無人艇的任務(wù)使命使命要求，其感知系統(tǒng)通常是一個由雷達(dá)、光電、偵察、聲納等多種傳感器組成，且包含通信、GPS數(shù)據(jù)和電子海圖數(shù)據(jù)等多種信息的多傳感器信息融合系統(tǒng)。本文在對多傳感器信息融合系統(tǒng)進(jìn)行全面分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)其特點建立了一個較為完善的指標(biāo)評價體系，提出了基于層次分析賦權(quán)法和模糊綜合評判法的一套性能評估模型和算法。

模糊綜合評判方法針對與評估相關(guān)的因素進(jìn)行研究，利用最大隸屬度原則以及模糊變換原理，對影響信息融合系統(tǒng)評估結(jié)果的各個因素及其之間的關(guān)系進(jìn)行充分研究和綜合考慮，從而做出科學(xué)的評估，而層次分析法則用于確定各評估因素的權(quán)重，本文建立了基于層次分析法和模糊綜合評判法相結(jié)合的效能評估模型，并通過仿真驗證了評價方法的有效性[1-2]。

1 效能評估指標(biāo)體系

多傳感器信息融合系統(tǒng)性能評估所得到的應(yīng)該是一個綜合指標(biāo)，該指標(biāo)能夠?qū)σ粋€復(fù)雜的、多學(xué)科綜合集成信息融合系統(tǒng)進(jìn)行定量的描述，使人們能夠?qū)υ撊诤舷到y(tǒng)在輔助完成某種任務(wù)過程中所發(fā)揮的作用程度直觀認(rèn)識,并便于在同時有多個系統(tǒng)的情況進(jìn)行性能比較。建立系統(tǒng)效能評價體系作為進(jìn)行系統(tǒng)效能評估的基礎(chǔ)和前提，應(yīng)充分考慮系統(tǒng)應(yīng)用背景、各傳感器間協(xié)同工作關(guān)系以及系統(tǒng)采用的融合算法等因素。一般情況下，建立信息融合系統(tǒng)效能指標(biāo)體系應(yīng)遵循如下原則[3]:

(1) 面向應(yīng)用場景：指標(biāo)體系應(yīng)根據(jù)應(yīng)用場景的特點制定。

(2) 可測性：指標(biāo)應(yīng)可通過計算或?qū)嶒灉y試等方法獲得，指標(biāo)應(yīng)可定量表述，能夠轉(zhuǎn)換為具體數(shù)據(jù)或大小排序給出。

(3) 完備性：指標(biāo)體系應(yīng)能完整地表述應(yīng)用場景關(guān)注的全部指標(biāo)，且各指標(biāo)具有唯一性，不能重復(fù)出現(xiàn)。

(4) 獨立性：指標(biāo)體系中各指標(biāo)應(yīng)相互獨立，不存在相關(guān)關(guān)系。

(5) 客觀性：所選的指標(biāo)應(yīng)是系統(tǒng)性能的客觀、真實的反映，不應(yīng)因評價實施者不同而產(chǎn)生不同。

(6) 敏感性：當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時，所選擇的系統(tǒng)效能評價指標(biāo)應(yīng)能相應(yīng)地發(fā)生變化。

以某多傳感器信息融合系統(tǒng)為例，建立評價指標(biāo)體系，如圖1所示。該信息融合性能指標(biāo)體系由4個一級指標(biāo)和14個二級指標(biāo)構(gòu)成。其中，“相關(guān)性能”主要反映同類型傳感器本身以及不同類型傳感器之間航跡信息的關(guān)聯(lián)性；“探測性能”主要反映系統(tǒng)的探測能力，包括探測距離、方位和距離誤差、方位和距離分辨力、抗干擾能力和虛警率；“識別性能”主要針對系統(tǒng)探測目標(biāo)，包括目標(biāo)類型、屬性和任務(wù)的識別能力；“情報處理性能”主要反映系統(tǒng)處理能力，包括處理容量和處理時效。

圖1 信息融合系統(tǒng)指標(biāo)評價體系

2 效能評估模型

2.1 層次分析法與評價指標(biāo)的權(quán)重

為了評價系統(tǒng)評價指標(biāo)體系中各指標(biāo)的重要程度，本文所建立的模型采用層次分析法給每個評價指標(biāo)根據(jù)其重要程度賦予一個比例系數(shù)，即權(quán)重。層次分析法的原理是通過兩兩比較的方法獲得各個因素在其對應(yīng)集合或者層次中的相對重要性，從而得到各個指標(biāo)的權(quán)重值。在對系統(tǒng)進(jìn)行評價時，將首先請專家對各級指標(biāo)做比較賦權(quán)，然后對這些權(quán)值按照層次分析法的思想進(jìn)行綜合處理,得到各指標(biāo)的權(quán)重[4]。

層次分析法的具體步驟如下：

(1) 根據(jù)已建立的基于層次結(jié)構(gòu)的評價指標(biāo)體系得到由s個子集組成的因素集ui={ui1,ui2,…uip}，i=1,2,…,s,ui組成的因素集U={u1,u2,…un}。

(2) 建立同一層次指標(biāo)的判斷矩陣，從而得到權(quán)重向量：

(a) 對每個子集ui內(nèi)的各個元素按其重要程度確定對應(yīng)的量化值ai，從而構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣：

A=(aij)n*n，aji=1/aij，aii=1

(1)

式中:ai是指標(biāo)uii和uij相對重要程度的標(biāo)度量化值，其判定準(zhǔn)則如表1所示。

表1 判斷量化表

(b) 將式(1)的判斷矩陣按式(2)進(jìn)行歸一化:

(2)

(c) 對由式(2)得到的矩陣按式(3)進(jìn)行計算:

(3)

(4)

(e) 一致性檢驗

在構(gòu)造判斷矩陣時，由于主體認(rèn)識的局限性、多樣性以及評估系統(tǒng)的復(fù)雜性，通常會存在判斷誤差，用戶在構(gòu)造判斷矩陣時不可能每次都具有完全一致性，所以需要進(jìn)行一致性檢驗，步驟如下：

? 計算一致性指標(biāo)IC：

IC=(λmax-n)/n-1

(5)

? 1～14階層次分析法的平均隨機一致性指標(biāo)IR如表2所示。

表2 隨機一致性指標(biāo)值

? 計算一致性比例RC

RC=IC/IR

(6)

當(dāng)RC<0.1時，認(rèn)為判斷矩陣的一致性符合要求，此次賦權(quán)運算有效；反之，則需對判斷矩陣進(jìn)行修改，直至符合一致性要求。

2.2 模糊綜合評價法對系統(tǒng)進(jìn)行效能評估

對信息融合系統(tǒng)性能進(jìn)行評估時，存在難以量化的因素，每個因素對系統(tǒng)評估結(jié)果的影響都各不相同，對信息融合系統(tǒng)的評估同時具有確定與不確定以及模糊與精確因素這一實際情況，模糊綜合評判方法提供了解決思路[5]。其具體步驟如下：

(1) 建立效能評價指標(biāo)因素集

U={u1,u2,…un}

(7)

ui={ui1,ui2,…uim}

(8)

式中：ui為第一層指標(biāo)，需要對其進(jìn)行第二級模糊評估；uij為第二層指標(biāo)，需要對其進(jìn)行第一級模糊評估。

(2) 建立評估權(quán)重集

對信息融合系統(tǒng)的最終評估結(jié)果需要通過評判集來確定，因此建立模糊評判集：

v={v1,v2,v3,v4,v5}={好，較好，一般，較差，很差}

可根據(jù)實際情況，對評判集提煉或細(xì)化。為便于最后得到一個單一的綜合評價指標(biāo)，對評價指標(biāo)分為5個等級，分別評分如下：

表3 不同評判等級的評分等級表

(3) 第一級模糊評估

Ri為效能指標(biāo)因素集Ui到模糊評判集V的模糊評判矩陣，Ri=[rijp]。

其中隸屬度的確定采取專家打分制，無論是定量指標(biāo)還是定性指標(biāo)，均由專家根據(jù)實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)對各指標(biāo)按照5 個等級，1～9打分，然后按照比較計算出隸屬度。若專家人數(shù)為M，令uij評判為vp的人數(shù)為N，則有rij=N/M，rijp表示效能指標(biāo)uij被評為v={v1,v2,v3,v4,v5}={好，較好，一般，較差，很差}的隸屬度。第一級模糊綜合評估向量為:

Si=Wi·Ri=[si1,si2,si3,si4,si5]

(9)

(4) 第二級模糊評估

第二級模糊評估是對指標(biāo)集U={u1,u2,…,un}做出模糊綜合評判，如指標(biāo)體系包含2個層次，則此次評估得到的為系統(tǒng)性能評估的最終評價。采用與第一級模糊評估相同的步驟，確定各評估元素權(quán)重向量和隸屬度，得出系統(tǒng)的最終效能評估向量。

對系統(tǒng)的評價等級同樣用5個等級e(e=1,2,…,5)來表示，其白化值可以用白化權(quán)函數(shù)fe來描述。

(a) 第一灰類(e=1)“好”，其白化權(quán)函數(shù)：

(10)

(b) 第二、三、四灰類(e=2,3,4)，其白化權(quán)函數(shù)：

(11)

(c) 第五灰類(e=5)，其白化權(quán)函數(shù)：

(12)

該模型的信息融合系統(tǒng)效能評價的白化值如表4所示。

表4 效能評價灰類

評價白化值向量D={0.9,0.8,0.7,0.6,0.5}，與系統(tǒng)的最終效能評估向量相乘求數(shù)量積，得出系統(tǒng)的單一綜合評價值。

3 仿真評估舉例

以某信息融合系統(tǒng)為例介紹本文模型的具體應(yīng)用，該系統(tǒng)包含2部雷達(dá)、1部光電設(shè)備、1部無源探測設(shè)備，由三型傳感器組成。按照第1節(jié)提出的評價指標(biāo)體系，邀請4名專家對該系統(tǒng)進(jìn)行評分，評分結(jié)果如表5所示，其中Uij，i表示第1層級評價指標(biāo)序號，j表示第2層級評價指標(biāo)的序號，例如U11代表的評價指標(biāo)為 “多雷達(dá)航跡相關(guān)性”；U12代表的評價指標(biāo)為“雷達(dá)與其他傳感器航跡相關(guān)性”，依此類推。

表5 專家對系統(tǒng)指標(biāo)體系的評分

運用層次分析法，得到各級判斷矩陣和分配的各級指標(biāo)權(quán)重如下。

運用模糊綜合評價法進(jìn)行第一級評估得各一級指標(biāo)的模糊綜合評估向量S1=[0.250.75000]，S2=[0.268 20.691 00.041 000]，S3=[00.428 60.571 500]，S4=[0.1250.875000]；進(jìn)行第2級評估得出系統(tǒng)的最終效能評估向量S=[0.170 30.661 10.168 800]，利用灰類等級值化向量D，得到該系統(tǒng)的單一綜合評價值0.800 3。

4 結(jié)束語

多傳感器信息融合系統(tǒng)，能夠改善單一體制傳感器目標(biāo)捕獲和跟蹤效果不完滿的問題，能夠以更高的精度、較高的概率或置信度得到人們所需要的目標(biāo)狀態(tài)和身份估計，提供更完整、及時的態(tài)勢和威脅評估。本文提出了一種層次分析法與模糊綜合評價法相結(jié)合的信息融合系統(tǒng)效能評估方法，通過舉例仿真試驗，驗證了該方法的有效性。采用本文提出的性能評價方法能夠得出系統(tǒng)的單一評價值，在存在多個信息融合系統(tǒng)的情況下，便于對各系統(tǒng)進(jìn)行比較，為信息融合系統(tǒng)效能評估及信息融合系統(tǒng)的選擇提供了參考。