張宏斌，齊 馳，楊 杰

(陸軍航空兵學(xué)院，北京 101123)

0 引言

隨著傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)的不斷演變，通過(guò)多傳感器協(xié)同管理提高目標(biāo)探測(cè)的有效性和目標(biāo)識(shí)別的準(zhǔn)確性與可靠性已成為提升裝備作戰(zhàn)能力的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[1]。通過(guò)多傳感器協(xié)同管理可以實(shí)現(xiàn)在有限的傳感器資源條件下，滿足對(duì)多個(gè)目標(biāo)的搜索、跟蹤等需求。為此，傳感器協(xié)同管理技術(shù)得到了深入和廣泛的研究。羅開(kāi)平等[2]梳理和總結(jié)多傳感器協(xié)同管理方法如下：基于濾波技術(shù)和協(xié)方差技術(shù)，基于數(shù)學(xué)規(guī)劃和智能優(yōu)化技術(shù)，基于信息論，基于多Agent的方法等。以上方法從不同角度出發(fā)，對(duì)多傳感器管理進(jìn)行了研究。但是，在以上傳感器管理方法實(shí)施過(guò)程中，其效能的評(píng)估均是依據(jù)各自方法的特點(diǎn)提出相應(yīng)的衡量指標(biāo)和方法，存在一定的片面性。目前，尚未有一種通用的直升機(jī)多傳感器協(xié)同管理效能評(píng)估方法。

作為探討，本文提出一種基于“黑箱”理論的直升機(jī)多傳感器協(xié)同管理效能評(píng)估方法。該方法以直升機(jī)多傳感器協(xié)同管理的目的為出發(fā)點(diǎn)，將具體的傳感器管理方法作為一個(gè)“黑箱”，以使用傳感器的數(shù)量和特性作為“黑箱”輸入，以探測(cè)到的目標(biāo)數(shù)量和特性作為“黑箱”輸出；然后，采用層次分析法對(duì)輸入和輸出進(jìn)行指標(biāo)量化，并確定各評(píng)估指標(biāo)權(quán)重；最后以輸出與輸入的比值作為效能評(píng)估值。算例證明該方法簡(jiǎn)單、有效，是一種通用的直升機(jī)多傳感器協(xié)同管理效能評(píng)估方法。

1 直升機(jī)多傳感器協(xié)同管理方法分析

直升機(jī)多傳感器協(xié)同管理是基于單傳感器的在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的傳感器資源規(guī)劃與協(xié)調(diào)，在管理過(guò)程中需考慮各種影響因素，如傳感器參數(shù)、量測(cè)時(shí)機(jī)、傳感器-目標(biāo)配對(duì)、傳感器-傳感器搭配等[3]。其管理流程如圖1所示。首先，各傳感器獲取目標(biāo)信息，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后送綜合信息數(shù)據(jù)庫(kù)；綜合信息數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)各傳感器數(shù)據(jù)信息融合后形成戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，依據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)需求抽取戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)中的目標(biāo)信息通過(guò)外部接口輸出。與此同時(shí)，傳感器管理模塊接收戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)需求，對(duì)傳感器進(jìn)行協(xié)同管理。

圖1 直升機(jī)多傳感器協(xié)同管理流程

由上可見(jiàn)，直升機(jī)多傳感器協(xié)同管理過(guò)程中要經(jīng)過(guò)傳感器-目標(biāo)分配、時(shí)空配準(zhǔn)、信息融合等多個(gè)步驟，因此針對(duì)不同的問(wèn)題可以提出不同的解決方案，從而形成各類(lèi)傳感器協(xié)同管理方法，并由此產(chǎn)生不同類(lèi)型的多傳感器協(xié)同管理效能評(píng)估方法。

2 “黑箱”模型建立

“黑箱”理論是指對(duì)特定的系統(tǒng)開(kāi)展研究時(shí)，將系統(tǒng)內(nèi)部看作一個(gè)不透明的黑箱子，研究過(guò)程中不涉及系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相互關(guān)系，僅從輸入、輸出的特點(diǎn)來(lái)了解和掌握該系統(tǒng)的規(guī)律[4]。在此，信息的輸入就是黑箱施加的影響；信息的輸出就是黑箱對(duì)其他事物的反作用。因此，完全可以通過(guò)“黑箱”法來(lái)實(shí)現(xiàn)多傳感器協(xié)同管理效能評(píng)估。

由直升機(jī)多傳感器協(xié)同管理方法分析可見(jiàn)，雖然直升機(jī)多傳感器協(xié)同管理方法多種多樣，但其最終實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)始終是不變的，即利用有限的傳感器資源獲取最多的目標(biāo)信息。因此，從一種通用評(píng)估方法的角度出發(fā)，可以不考慮所采取的直升機(jī)多傳感器協(xié)同管理方法，將其視為“黑箱”，而僅以傳感器資源作為輸入，獲得的目標(biāo)信息作為輸出，對(duì)直升機(jī)多傳感器協(xié)同管理的效能進(jìn)行評(píng)估。具體流程如圖2所示。

圖2 “黑箱”建模流程

由“黑箱”建模流程可見(jiàn)，通過(guò)“黑箱”將直升機(jī)多傳感器協(xié)同管理方法自身的影響去除，僅考慮整個(gè)系統(tǒng)的輸入和輸出，并以輸入和輸出之間的關(guān)系來(lái)確定多傳感器協(xié)同管理的效能評(píng)估值。在此過(guò)程中，“黑箱”的輸入量和輸出量必須是可觀和可控的[5]。因此，“黑箱”輸入和輸出信息的確定至關(guān)重要。下面，結(jié)合直升機(jī)多傳感器協(xié)同管理的過(guò)程和目的對(duì)輸入、輸出信息進(jìn)行分析。

直升機(jī)多傳感器協(xié)同管理中，傳感器信息主要包括傳感器數(shù)量和傳感器類(lèi)型。傳感器數(shù)量可以直接獲得，而傳感器類(lèi)型需區(qū)分主動(dòng)傳感器和被動(dòng)傳感器。主動(dòng)傳感器與被動(dòng)傳感器相比，探測(cè)效能更高，但其暴露概率更大，即主動(dòng)傳感器使用越多意味著占用的傳感器資源就越多，即系統(tǒng)的輸入就越大。目標(biāo)信息也是通過(guò)目標(biāo)數(shù)量和目標(biāo)特性進(jìn)行衡量。目標(biāo)數(shù)量可以直接獲得，目標(biāo)特性則需區(qū)分動(dòng)目標(biāo)和靜目標(biāo)，跟蹤目標(biāo)和搜索目標(biāo)。相較而言，動(dòng)目標(biāo)的獲取難度更大，意味著系統(tǒng)輸出更大。同樣，跟蹤目標(biāo)精度較搜索目標(biāo)精度要求更高，其獲得的系統(tǒng)輸出也就更大。除此之外，對(duì)于目標(biāo)信息，還需考慮目標(biāo)誤差率的問(wèn)題，即可能會(huì)出現(xiàn)目標(biāo)數(shù)量較多，但虛假目標(biāo)也較多的問(wèn)題，其系統(tǒng)性能必然降低。因此，對(duì)于目標(biāo)信息，還要增加虛假目標(biāo)數(shù)。綜上，最后形成的“黑箱”模型如圖3所示。

圖3 效能評(píng)估“黑箱”模型

3 輸出指標(biāo)層次分析

層次分析法是對(duì)一些較為復(fù)雜、較為模糊的問(wèn)題做出決策的建議方法，特別適用于那些難于定量分析的問(wèn)題[5]。本文中，“黑箱”的輸出指標(biāo)包含多個(gè)因素，因此需要采用層次分析法對(duì)輸入和輸出進(jìn)行衡量。

1)層次結(jié)構(gòu)模型

依據(jù)前述提出的目標(biāo)信息，建立層次結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

圖4 目標(biāo)信息的層次結(jié)構(gòu)模型

需要說(shuō)明的是，層次結(jié)構(gòu)模型確定的是各因素權(quán)值，最終計(jì)算結(jié)果應(yīng)為各因素?cái)?shù)量與權(quán)值的乘積并求和。如式(1)所示。

(1)

2)構(gòu)造判斷矩陣

判斷矩陣是層次分析法的基本參數(shù)之一，也是進(jìn)行相對(duì)重要度(權(quán)值)計(jì)算的重要依據(jù)。根據(jù)層次結(jié)構(gòu)模型，對(duì)同一層次的各元素關(guān)于上一層次元素的重要性進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣。因素兩兩比較時(shí)，相對(duì)重要性判讀的九級(jí)標(biāo)度如表1所示。

表1 相對(duì)重要性判斷的九級(jí)標(biāo)度

根據(jù)九級(jí)標(biāo)度指標(biāo)，對(duì)層次結(jié)構(gòu)模型中的各指標(biāo)元素相對(duì)上一層次的重要性進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣，如表2所示。

表2 A-B判斷矩陣

3)一致性判斷

為了檢驗(yàn)判斷矩陣構(gòu)造是否合理，需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，即計(jì)算矩陣的一致性指標(biāo)CI和檢驗(yàn)系數(shù)CR，如式(2)、(3)所示。

(2)

(3)

式(2)中，λmax為矩陣的最大特征值，n為矩陣階數(shù)；式(3)中，RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。平均隨機(jī)一致性指標(biāo)是根據(jù)足夠多的隨機(jī)判斷矩陣計(jì)算的一致性指標(biāo)的平均值。對(duì)于1-9階判斷矩陣，RI的值如表3所示。

表3 不同階數(shù)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值

采用規(guī)范列平均法計(jì)算判斷矩陣特征向量及最大特征根，W=(0.2150，0.4779，0.0322，0.0600，0.2150)，λmax=5.1825。

運(yùn)用式(2)和式(3)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，得到各矩陣的CI、RI和CR值如表4所示。CR值小于0.1，具有滿意的一致性。因此，判斷矩陣構(gòu)造合理，計(jì)算得到的結(jié)果可作為權(quán)值。

表4 矩陣CI、RI和CR值

4)效能計(jì)算

對(duì)于輸出指標(biāo)，即傳感器信息，依據(jù)專(zhuān)家賦值確定權(quán)重矩陣為：W1=(0.7，0.3)；目標(biāo)信息權(quán)重矩陣為：W2=(0.2150，0.4779，0.0322，0.0600，0.2150)。則傳感器信息值為S=(n主，n被)·W1T，目標(biāo)信息值為T(mén)=N·W2T，其中N為目標(biāo)個(gè)數(shù)矩陣。需說(shuō)明的是，虛假目標(biāo)數(shù)作為反向指標(biāo)，計(jì)算過(guò)程中應(yīng)按負(fù)值計(jì)算。

效能評(píng)估值：E=S/T。

4 算例驗(yàn)證

首先設(shè)定一個(gè)基準(zhǔn)條件：如使用主動(dòng)傳感器1個(gè)，被動(dòng)傳感器2個(gè)；完成2個(gè)動(dòng)目標(biāo)搜索，1個(gè)動(dòng)目標(biāo)跟蹤，4個(gè)地面靜目標(biāo)搜索，2個(gè)地面靜目標(biāo)定位，虛假目標(biāo)數(shù)1。計(jì)算該基準(zhǔn)條件下多傳感器管理效能評(píng)估值為：

S=(1，2)·(0.7，0.3)T=1.3，T=(2，1，4，2，-1)·(0.2150，0.4779，0.0322，0.0600，0.2150)T=0.9415。

效能評(píng)估值為：E1=0.9415/1.3=0.7242。

然后，假設(shè)采用任何一種直升機(jī)多機(jī)傳感器協(xié)同管理方法，其“黑箱”效能評(píng)估方法中各因素?cái)?shù)值發(fā)生改變，應(yīng)用該方法進(jìn)行效能評(píng)估，并進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證該方法的有效性和可信性。具體計(jì)算比較如表5所示。

表5 效能評(píng)估比較表

由表5可見(jiàn)，當(dāng)主動(dòng)傳感器數(shù)量增加，其他條件不變時(shí)，管理效能大幅降低；當(dāng)被動(dòng)傳感器數(shù)量減少，其他條件不變時(shí)，管理效能提升；當(dāng)目標(biāo)數(shù)量減少，其他條件不變時(shí)，管理效能降低，且跟蹤動(dòng)目標(biāo)影響最大；當(dāng)虛假目標(biāo)數(shù)量減少，其他條件不變時(shí)，管理效能提升。通過(guò)以上算例對(duì)比，應(yīng)用該方法得到的直升機(jī)多傳感器協(xié)同管理效能評(píng)估值符合客觀規(guī)律，證明該方法有效、可行。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文應(yīng)用“黑箱”理論對(duì)直升機(jī)多傳感器協(xié)同管理效能評(píng)估進(jìn)行了研究。依據(jù)直升機(jī)多傳感器協(xié)同管理的過(guò)程及目標(biāo)，建立了效能評(píng)估的“黑箱”模型，并以傳感器信息作為“黑箱”輸入，目標(biāo)為“黑箱”輸出。同時(shí)，應(yīng)用層次分析法，針對(duì)傳感器和目標(biāo)特性，選取主動(dòng)和被動(dòng)作為傳感器衡量指標(biāo)，選取動(dòng)、靜、跟蹤、搜索作為目標(biāo)的衡量指標(biāo)，分別進(jìn)行量化。最后以“黑箱”模型的輸出與輸入比值作為直升機(jī)多傳感器協(xié)同管理的效能評(píng)估值。該方法避免了針對(duì)某一個(gè)具體直升機(jī)多傳感器協(xié)同管理方法進(jìn)行評(píng)估的局限性，且簡(jiǎn)單、易用，對(duì)直升機(jī)多傳感器協(xié)同管理技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展具有一定參考價(jià)值。但是，由于直升機(jī)多傳感器協(xié)同管理技術(shù)的復(fù)雜性和影響因素的多樣性，本文確定的“黑箱”模型輸入量和輸出量，以及指標(biāo)權(quán)重矩陣存在一定的局限性，仍需進(jìn)一步開(kāi)展研究。