史偉

（中國電子科學(xué)研究院，北京 100041）

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

史偉

（中國電子科學(xué)研究院，北京 100041）

針對現(xiàn)代戰(zhàn)爭中多平臺多傳感器協(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，通過分級融合技術(shù)解決了傳統(tǒng)單級融合模式中由于數(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)用價值。

數(shù)據(jù)處理，分級處理，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)場環(huán)境瞬息萬變，電磁環(huán)境異常復(fù)雜，戰(zhàn)場上目標(biāo)的批數(shù)、密度、種類大大增加，目標(biāo)的運(yùn)動速度越來越快，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)探測目標(biāo)將會更加困難。為了贏得戰(zhàn)爭的主導(dǎo)權(quán)，需要在各參戰(zhàn)平臺上加裝多傳感器系統(tǒng)。目前我國的各指揮控制平臺、警戒平臺以及戰(zhàn)斗平臺加裝了包括雷達(dá)、敵我識別等有源探測傳感器以及電子偵察、紅外探測等無源傳感器。并且各平臺之間通過加裝數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)了各平臺之間的情報共享。

由于參戰(zhàn)平臺的日益多樣化以及情報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)只有一個情報處理中心［2］，當(dāng)處理中心被毀時，整個作戰(zhàn)系統(tǒng)癱瘓，系統(tǒng)的抗毀性較差。

②當(dāng)設(shè)置多個情報綜合中心時，各情報中心共享情報的方式通常有兩種：第1種模式將每個情報源將獲取的原始情報都通過全網(wǎng)進(jìn)行廣播［3］。第2種模式是各情報中心不直接共享所獲得的原始情報，而是將處理過后的綜合情報進(jìn)行共享［4］。這兩種情報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，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)較多時很容易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞而降低整個系統(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，缺陷在于一旦兩個情報中心存在交疊區(qū)并且相互交互，就會導(dǎo)致所謂的數(shù)據(jù)回吐問題，即各情報中心通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出的綜合情報被其他中心綜合過后，又被當(dāng)成是新的情報發(fā)送了回來，這樣就會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)分布式分級數(shù)據(jù)處理技術(shù)

1.1 傳統(tǒng)的分布式單級數(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)中同時設(shè)置多個融合處理節(jié)點(diǎn)來提高平臺的抗毀性，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融合節(jié)點(diǎn)，預(yù)警機(jī)也可以作為另一個融合節(jié)點(diǎn)。它們同時接收本平臺和其他參戰(zhàn)平臺各傳感器的探測情報，彼此之間互為備份。當(dāng)一個融合節(jié)點(diǎn)被敵人摧毀時，另一個融合節(jié)點(diǎn)可以馬上遞補(bǔ)發(fā)揮指揮控制和情報服務(wù)的功能，從而可以提高整個作戰(zhàn)系統(tǒng)的抗毀性。

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

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

圖1 廣播共享式單級融合技術(shù)

這種信息融合模式在信源和目標(biāo)較少的情況下相對比較適用，一旦信源和目標(biāo)較多時，由于各信源掌握的每個目標(biāo)的情報都需要通過數(shù)據(jù)鏈傳輸，無疑會加重數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)呢?fù)擔(dān)。因此，第2種情報融合模式出現(xiàn)：融合中心之間只共享綜合之后的情報信息，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。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?？梢钥吹剑瑢τ谌诤现行?，它通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送出去的綜合情報又被當(dāng)作融合中心2綜合情報中的一部分接收回來繼續(xù)綜合，這樣會造成融合誤差的累積和資源的浪費(fèi)。

圖2 綜合情報共享式單級融合模式中

1.2 分布式分級數(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)分布式分級數(shù)據(jù)處理技術(shù)，通過分布式、分級融合處理，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)置多個融合處理中心，這些融合中心的級別可以平級，也可以分屬上下級。當(dāng)一個處理節(jié)點(diǎn)被毀時，其他節(jié)點(diǎn)可以馬上遞補(bǔ)實(shí)現(xiàn)無縫交接的情報服務(wù)的功能。

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

①一級處理（本地綜合）

各融合中心的一級數(shù)據(jù)處理模塊接收本地多傳感器的探測情報并進(jìn)行綜合處理，形成本地綜合航跡。本地綜合情報一方面發(fā)送給數(shù)據(jù)鏈用于情報共享，一方面發(fā)送給二級融合模塊用于二級綜合。

②二級處理（系統(tǒng)綜合）

各融合中心的二級數(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)行二級融合處理，形成系統(tǒng)綜合航跡。

分布式分級融合處理的優(yōu)點(diǎn)如下：

①當(dāng)信源較多時，使用分布式分級數(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融合技術(shù)時的目標(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個信源對單個目標(biāo)進(jìn)行量測，各信源對目標(biāo)的原始量測向量為z1，z2，…，zN，其中，zi∈Rmi，

觀測方程為

其中，被估計量x∈Rn，Hi∈Rmi×n為量測矩陣，vi為量測誤差，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。

由于量測量的信息維數(shù)與被估計量的維數(shù)不等，因此，量測信息不能直接使用，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)估計的信息量等于所有量測信息關(guān)于被估計量的信息之和。

定理2：最優(yōu)融合估計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融合技術(shù)，根據(jù)定理1可得N個量測信息的全部當(dāng)量信息量等于最有估計值的信息量，因此有

根據(jù)定理2，可得N的量測信息的最優(yōu)融合解為

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

對于融合中心1和融合中心2的二級融合（系統(tǒng)融合）模塊，將?1和?2看做是x的量測信息，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）可得二級融合模塊關(guān)于目標(biāo)的最優(yōu)估計：

對比式（4）和式（8）可以發(fā)現(xiàn)，采用分布式分級融合技術(shù)的融合精度和采用廣播共享式單級融合技術(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個信源（傳感器），n個目標(biāo)，k個融合中心，假設(shè)信源較多（m〉〉k），且每個信源都探測到了所有目標(biāo)。

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

對于分布式分級融合技術(shù)而言，在關(guān)聯(lián)成功率理想的情況下，每個融合中心需要向數(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解決了單級綜合情報共享模式中的數(shù)據(jù)回吐問題。通過分布式分級融合數(shù)據(jù)處理技術(shù)，各融合節(jié)點(diǎn)的一級融合模塊首先對本地多傳感器情報進(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融合模塊。通過上面證明可知，對各融合節(jié)點(diǎn)而言，它們接收的情報信息等價于所有傳感器的情報信息，是沒有冗余的，很好地解決了綜合情報共享融合模式中綜合情報你中有我，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個傳感器，融合中心2有4個傳感器；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融合方式，即2個融合中心同時接收8個傳感器發(fā)送過來的情報信息。融合中心采用序貫卡爾曼濾波融合算法。

方式2：采用分布式分級融合方式，即各融合節(jié)點(diǎn)首先對本地的4個傳感器的情報進(jìn)行綜合，形成本地綜合航跡后，發(fā)送給本地以及對方融合節(jié)點(diǎn)的二級融合模塊進(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比

通過對比圖4和圖5可以看出，分布式分級融合的融合精度和廣播共享式單級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)載對比

3 總結(jié)

本文提出了分布式分級融合技術(shù)，通過設(shè)置多個分布式融合節(jié)點(diǎn)提高了系統(tǒng)的抗毀性；通過分級融合技術(shù)解決了單級綜合情報共享模式中由于數(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，分布式分級融合技術(shù)在保持與廣播共享式單級融合方式相同的融合精度的同時，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。

［1］曹 晨.預(yù)警機(jī)—信息化戰(zhàn)爭的空中帥府［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［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.

［3］Hutchins R G，Wilson D，Allred L K，et al.Alternative Architectures for IMM Tracking of Maneuvering Aircraft［C］//. Proc.2012 SPIE Conf.on Signal and Data Processing of Small Targets，2012.

［4］Jilkov V P，Li X R.Adaptation of Transition Probability Matrix for Multiple Model Estimators［C］//in Proc.2011 International Conf.on Information Fusion，（Montreal，QC，Canada），2011.

［5］Doucet A，de Freitas N，Gordon N.Sequential Monte Carlo Methods in Practice［M］.New York：Springer，2011.

［6］Salmond D J，F(xiàn)isher D，Gordon N J.Tracking in the Presence of Intermittent Spurious Objects and Clutter［C］//Proc.SPIE -Int.Soc.Opt.Eng，1998：460-474.

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，高級工程師。研究方向：信息融合與目標(biāo)跟蹤技術(shù)。