一種多傳感器信息融合系統性能評價方法

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的控制系統、感知系統、自主航行系統、武器系統，可執行多種戰爭和非戰爭軍事任務，比如反水雷、反潛作戰、海上安全(島礁防衛)、水面作戰,支持特種部隊作戰、電子戰、支持海上攔截封鎖作戰等任務。根據無人艇的任務使命使命要求，其感知系統通常是一個由雷達、光電、偵察、聲納等多種傳感器組成，且包含通信、GPS數據和電子海圖數據等多種信息的多傳感器信息融合系統。本文在對多傳感器信息融合系統進行全面分析的基礎上，根據其特點建立了一個較為完善的指標評價體系，提出了基于層次分析賦權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的因素進行研究，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評估結果的各個因素及其之間的關系進行充分研究和綜合考慮，從而做出科學的評估，而層次分析法則用于確定各評估因素的權重，本文建立了基于層次分析法和模糊綜合評判法相結合的效能評估模型，并通過仿真驗證了評價方法的有效性[1-2]。

1 效能評估指標體系

多傳感器信息融合系統性能評估所得到的應該是一個綜合指標，該指標能夠對一個復雜的、多學科綜合集成信息融合系統進行定量的描述，使人們能夠對該融合系統在輔助完成某種任務過程中所發揮的作用程度直觀認識,并便于在同時有多個系統的情況進行性能比較。建立系統效能評價體系作為進行系統效能評估的基礎和前提，應充分考慮系統應用背景、各傳感器間協同工作關系以及系統采用的融合算法等因素。一般情況下，建立信息融合系統效能指標體系應遵循如下原則[3]:

(1) 面向應用場景：指標體系應根據應用場景的特點制定。

(2) 可測性：指標應可通過計算或實驗測試等方法獲得，指標應可定量表述，能夠轉換為具體數據或大小排序給出。

(3) 完備性：指標體系應能完整地表述應用場景關注的全部指標，且各指標具有唯一性，不能重復出現。

(4) 獨立性：指標體系中各指標應相互獨立，不存在相關關系。

(5) 客觀性：所選的指標應是系統性能的客觀、真實的反映，不應因評價實施者不同而產生不同。

(6) 敏感性：當系統參數發生變化時，所選擇的系統效能評價指標應能相應地發生變化。

以某多傳感器信息融合系統為例，建立評價指標體系，如圖1所示。該信息融合性能指標體系由4個一級指標和14個二級指標構成。其中，“相關性能”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聯性；“探測性能”主要反映系統的探測能力，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”主要針對系統探測目標，包括目標類型、屬性和任務的識別能力；“情報處理性能”主要反映系統處理能力，包括處理容量和處理時效。

圖1 信息融合系統指標評價體系

2 效能評估模型

2.1 層次分析法與評價指標的權重

為了評價系統評價指標體系中各指標的重要程度，本文所建立的模型采用層次分析法給每個評價指標根據其重要程度賦予一個比例系數，即權重。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集合或者層次中的相對重要性，從而得到各個指標的權重值。在對系統進行評價時，將首先請專家對各級指標做比較賦權，然后對這些權值按照層次分析法的思想進行綜合處理,得到各指標的權重[4]。

層次分析法的具體步驟如下：

(1) 根據已建立的基于層次結構的評價指標體系得到由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) 建立同一層次指標的判斷矩陣，從而得到權重向量：

(a) 對每個子集ui內的各個元素按其重要程度確定對應的量化值ai，從而構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uii和uij相對重要程度的標度量化值，其判定準則如表1所示。

表1 判斷量化表

(b) 將式(1)的判斷矩陣按式(2)進行歸一化:

(2)

(c) 對由式(2)得到的矩陣按式(3)進行計算:

(3)

(4)

(e) 一致性檢驗

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

? 計算一致性指標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IR如表2所示。

表2 隨機一致性指標值

? 計算一致性比例RC

RC=IC/IR

(6)

當RC<0.1時，認為判斷矩陣的一致性符合要求，此次賦權運算有效；反之，則需對判斷矩陣進行修改，直至符合一致性要求。

2.2 模糊綜合評價法對系統進行效能評估

對信息融合系統性能進行評估時，存在難以量化的因素，每個因素對系統評估結果的影響都各不相同，對信息融合系統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) 建立效能評價指標因素集

U={u1,u2,…un}

(7)

ui={ui1,ui2,…uim}

(8)

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

(2) 建立評估權重集

對信息融合系統的最終評估結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}

可根據實際情況，對評判集提煉或細化。為便于最后得到一個單一的綜合評價指標，對評價指標分為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，無論是定量指標還是定性指標，均由專家根據實驗統計數據對各指標按照5 個等級，1～9打分，然后按照比較計算出隸屬度。若專家人數為M，令uij評判為vp的人數為N，則有rij=N/M，rijp表示效能指標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集U={u1,u2,…,un}做出模糊綜合評判，如指標體系包含2個層次，則此次評估得到的為系統性能評估的最終評價。采用與第一級模糊評估相同的步驟，確定各評估元素權重向量和隸屬度，得出系統的最終效能評估向量。

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

(a) 第一灰類(e=1)“好”，其白化權函數：

(10)

(b) 第二、三、四灰類(e=2,3,4)，其白化權函數：

(11)

(c) 第五灰類(e=5)，其白化權函數：

(12)

該模型的信息融合系統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}，與系統的最終效能評估向量相乘求數量積，得出系統的單一綜合評價值。

3 仿真評估舉例

以某信息融合系統為例介紹本文模型的具體應用，該系統包含2部雷達、1部光電設備、1部無源探測設備，由三型傳感器組成。按照第1節提出的評價指標體系，邀請4名專家對該系統進行評分，評分結果如表5所示，其中Uij，i表示第1層級評價指標序號，j表示第2層級評價指標的序號，例如U11代表的評價指標為 “多雷達航跡相關性”；U12代表的評價指標為“雷達與其他傳感器航跡相關性”，依此類推。

表5 專家對系統指標體系的評分

運用層次分析法，得到各級判斷矩陣和分配的各級指標權重如下。

運用模糊綜合評價法進行第一級評估得各一級指標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]；進行第2級評估得出系統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，得到該系統的單一綜合評價值0.800 3。

4 結束語

多傳感器信息融合系統，能夠改善單一體制傳感器目標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狀態和身份估計，提供更完整、及時的態勢和威脅評估。本文提出了一種層次分析法與模糊綜合評價法相結合的信息融合系統效能評估方法，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的單一評價值，在存在多個信息融合系統的情況下，便于對各系統進行比較，為信息融合系統效能評估及信息融合系統的選擇提供了參考。