多傳感器數(shù)據(jù)融合性能評(píng)估方法

1、多傳感器數(shù)據(jù)融合性能評(píng)估方法姓 名： 李素 學(xué) 號(hào)： 2015223045139 課程名稱： 空管信息處理基礎(chǔ) 指導(dǎo)老師： 王運(yùn)峰 2016年1月15日目錄1 目的意義12 研究現(xiàn)狀13 數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的性能評(píng)估方法13.1 性能評(píng)估指標(biāo)13.2 融合性能指標(biāo)23.3 融合性能評(píng)估的綜合評(píng)價(jià)33.3.1 指標(biāo)相對(duì)隸屬度矩陣33.3.2 指標(biāo)權(quán)重43.3.3 綜合評(píng)價(jià)步驟54 總結(jié)61 目的意義近數(shù)十年來(lái)，多傳感器數(shù)據(jù)融合在理論研究和實(shí)際應(yīng)用方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，但是，目前對(duì)融合系統(tǒng)的性能評(píng)估研究并不多，性能評(píng)估是研究多目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)非常重要的手段。利用綜合性能評(píng)估不僅可以分析在一定環(huán)境下系統(tǒng)所能達(dá)到

2、的性能，從而選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，而且還可以反過(guò)來(lái)設(shè)計(jì)和確定滿足系統(tǒng)性能要求的系統(tǒng)參數(shù)，也就是輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)。研究多傳感器數(shù)據(jù)融合的性能評(píng)估對(duì)于跟蹤算法的參數(shù)優(yōu)化，跟蹤系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)與優(yōu)化，乃至于精確信息感知都具有十分重要的意義。2 研究現(xiàn)狀目前有關(guān)融合算法的研究很多，但是，對(duì)數(shù)據(jù)融合算法進(jìn)行性能測(cè)試與評(píng)估的研究卻不多見，并且，也沒有形成一個(gè)普遍公認(rèn)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。有關(guān)多傳感器數(shù)據(jù)融合方法的研究已經(jīng)比較成熟，但如何對(duì)這些形形色色的算法所構(gòu)成的融合系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)估的研究卻一直處于探索階段，相關(guān)研究成果并不多見。3 數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的性能評(píng)估方法一般進(jìn)行評(píng)估時(shí)，通常要建立評(píng)估模型、評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，采用

3、分析法或仿真法對(duì)算法和系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)估。實(shí)際上，融合算法的評(píng)估方法，也就是計(jì)算各個(gè)評(píng)估指標(biāo)的方法。一、常規(guī)的仿真比較法，即你定輸入數(shù)據(jù)或?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，比較優(yōu)劣（誤差指標(biāo)）和置信度概率，如：1) 采用Monte Carlo仿真，可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值評(píng)估和確認(rèn)；2) 采用實(shí)時(shí)仿真，連接模擬數(shù)據(jù)或記錄數(shù)據(jù)時(shí)能夠展示融合結(jié)果；3) 建立效能評(píng)估模型，曹勇基于效能的評(píng)估方法等。二、專家打分、模糊測(cè)度準(zhǔn)則評(píng)判，多用于目標(biāo)識(shí)別。對(duì)航跡，用目標(biāo)位置的均方誤差來(lái)分析，對(duì)屬性和類型，用綜合正確概率評(píng)價(jià)。對(duì)結(jié)果的分析評(píng)估，多采用Matlab工具，還可以用Petri網(wǎng)的性能來(lái)分析數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的性能。目前，最為廣泛

4、的是開展了基于仿真的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)性能評(píng)估方法的研究。3.1 性能評(píng)估指標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是融合系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，它是否合理，完整，可測(cè)，無(wú)冗余，直接關(guān)系到最后的評(píng)價(jià)結(jié)果。數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇不僅要遵循針對(duì)性，可測(cè)性，客觀性，獨(dú)立性等基本原則，而且必須反映現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)指揮自動(dòng)化系統(tǒng)的需求。評(píng)估需要基于一定的標(biāo)準(zhǔn)，因此建立一組評(píng)估指標(biāo)，對(duì)于評(píng)估融合跟蹤系統(tǒng)和算法是必不可少的。一般對(duì)于數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)性能表征有以下四個(gè)方面：1) 尺度參數(shù)，用來(lái)直接定義數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)和各組成部分（傳感器、數(shù)據(jù)處理器、通信信道等）元素所具有的性質(zhì)和特征。他們直接描述系統(tǒng)的行為或結(jié)構(gòu)，并且可以作為一些典型的可測(cè)量指標(biāo)值（如帶

5、寬、誤碼率、物理維數(shù)等）來(lái)考慮；2) 性能度量（MOP），用以描述系統(tǒng)重要行為屬性的測(cè)量，通常與若干尺度參數(shù)有關(guān)，并以單變量形式對(duì)某個(gè)有意義的操作性能度量進(jìn)行量化；3) 效能度量（MOE），用于描述數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的功能發(fā)揮程度，如目標(biāo)漏檢率、目標(biāo)指示率等都是典型的效能度量；4) 兵力效能度量（MOFE），是四類測(cè)量中最高級(jí)的測(cè)量，它對(duì)整個(gè)軍事力量（包括數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)）完成其任務(wù)的能力進(jìn)化量。典型的MOFE包括資源損耗的速度和比例、交戰(zhàn)結(jié)果以及這些變量的變化情況。3.2 融合性能指標(biāo)很多文獻(xiàn)試圖從航跡分類的角度探討跟蹤性能評(píng)估中數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、跟蹤純度、狀態(tài)估計(jì)精度和濾波協(xié)方差可靠性內(nèi)容的評(píng)估方法。雖然對(duì)

6、其進(jìn)行了描述，但很多都并未有達(dá)成共識(shí)的具體計(jì)算公式。一級(jí)指標(biāo)：1) 一般對(duì)于一個(gè)融合跟蹤系統(tǒng)，系統(tǒng)檢測(cè)率和虛警率是評(píng)估其性能的重要指標(biāo)。還有虛假航跡數(shù)、丟失航跡數(shù)和遺漏航跡數(shù)、系統(tǒng)平均錯(cuò)誤航跡數(shù)、系統(tǒng)平均遺漏航跡數(shù)、系統(tǒng)錯(cuò)誤航跡率、平均航跡形成時(shí)間、平均航跡維持時(shí)間、誤跟蹤率等性能評(píng)估指標(biāo)。2) 對(duì)于跟蹤起始、維持和終結(jié)部分，有航跡起始時(shí)間、航跡維持時(shí)間等指標(biāo)；3) 對(duì)于航跡相關(guān)與融合，有正確關(guān)聯(lián)率、漏相關(guān)率、錯(cuò)誤關(guān)聯(lián)率、正確分離率、航跡綜合相關(guān)度、航跡精度和航跡狀態(tài)估計(jì)偏差等指標(biāo)。二級(jí)指標(biāo)，二級(jí)指標(biāo)由一級(jí)指標(biāo)按一定規(guī)則構(gòu)造成，如航跡相關(guān)性能、跟蹤精度性能、實(shí)時(shí)跟蹤性能等等，都可由數(shù)個(gè)一級(jí)指標(biāo)

7、綜合評(píng)定。對(duì)于位置級(jí)目標(biāo)跟蹤融合系統(tǒng)，性能評(píng)估主要是針對(duì)尺度性能度量。多傳感器輸入信息為航跡的三維方向、時(shí)間、速度、方位角、高低角等，輸出信息包括一次航跡和最終融合航跡的三維方位、時(shí)間、方位角等。根據(jù)融合跟蹤系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，性能評(píng)估指標(biāo)方面可以從以下三個(gè)部分進(jìn)行考慮和提?。?) 航跡起始及航跡辨識(shí)；2) 航跡關(guān)聯(lián)及數(shù)據(jù)融合；3) 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及精度質(zhì)量。結(jié)構(gòu)方面則主要從兩部分進(jìn)行：1) 前的一次航跡；2) 融合后的二次航跡；3.3 融合性能評(píng)估的綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)評(píng)價(jià)是一個(gè)從多要素的高維的指標(biāo)體系到一個(gè)低維的評(píng)價(jià)結(jié)果的轉(zhuǎn)換過(guò)程，在這一過(guò)程中還要求評(píng)價(jià)結(jié)果能盡可能反映原指標(biāo)體系中各要素的信息。如何確定

8、各要素的權(quán)重是亟待解決的問(wèn)題。 如何對(duì)融合后的指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)一直是多傳感器信息融合系統(tǒng)中未能達(dá)成共識(shí)的難點(diǎn)問(wèn)題?，F(xiàn)在普遍的評(píng)價(jià)方式是采用對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)平均累加的方法。本文欲采用數(shù)學(xué)方法中的模糊綜合評(píng)價(jià)方法。模糊綜合評(píng)價(jià)就是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，應(yīng)用模糊關(guān)系合成的原理，將一些邊界不清，不易定量的因素定量化、進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的一種方法。其具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，對(duì)于某一具體指標(biāo)值，需要通過(guò)構(gòu)造等級(jí)模糊子集來(lái)確定該指標(biāo)所屬的評(píng)價(jià)等級(jí)（即確定從優(yōu)隸屬度），然后利用模糊變換原理對(duì)各指標(biāo)綜合，得到直觀的量化評(píng)價(jià)。3.3.1 指標(biāo)相對(duì)隸屬度矩陣設(shè)有n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象(每次實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的指標(biāo)對(duì)應(yīng)于一個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象)，構(gòu)成評(píng)

9、價(jià)指標(biāo)樣本集xi,j|i=1n,j=1m，其中xi,j應(yīng)為非負(fù)值。為消除指標(biāo)間不同的量綱效應(yīng)，對(duì)單個(gè)指標(biāo)采取了如下的標(biāo)準(zhǔn)化處理方式，得到由m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象構(gòu)建的一個(gè)相對(duì)隸屬度模糊評(píng)價(jià)矩陣R。首先對(duì)系統(tǒng)的融合性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的指標(biāo)，進(jìn)行劃分：越小越優(yōu)型：其指標(biāo)量化值越大，從優(yōu)度越高。ri,j=xi,j-xmini/xmaxi-xmini越中越優(yōu)型：其指標(biāo)量化值越靠近中間值，從優(yōu)度越高。ri,j=xmaxi-xi,j/xmaxi-xmini越大越優(yōu)型：其指標(biāo)量化值越小，從優(yōu)度越高。ri,j=xi,j-xminixmaxi-xmini xminixi,j<xmidixmaxi-xi,jxmaxi-xm

10、ini xmidixi,j<xmaxi以這些ri,j值作為元素可組成單評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊評(píng)價(jià)矩陣R=ri,jn×m。3.3.2 指標(biāo)權(quán)重從數(shù)學(xué)變換的角度看，各評(píng)價(jià)對(duì)象是由評(píng)價(jià)對(duì)象各指標(biāo)所組成的高維空間的一些點(diǎn)，系統(tǒng)評(píng)價(jià)模型就是一種從高維空間到低維空間的映射，要求這種映射能盡可能反映評(píng)價(jià)對(duì)象樣本在原高維空間中的分類信息和排序信息，這些信息具體反映在如何合理地確定這些評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重上，這仍是目前系統(tǒng)評(píng)價(jià)模型研究的難點(diǎn)之一。在近年來(lái)提出的確定權(quán)重的主要方法中：等權(quán)重法在各評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合評(píng)價(jià)值相差不大時(shí)常常給決策帶來(lái)困難；統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)法、專家評(píng)分法和集值統(tǒng)計(jì)迭代法在評(píng)價(jià)指標(biāo)較多時(shí)實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為困

11、難。根據(jù)模糊評(píng)價(jià)矩陣R=ri,jn×m，可以構(gòu)建一個(gè)新的矩陣B=bi,jn×m，用以計(jì)算指標(biāo)間的排序權(quán)重Wi|i=1n。這種方法是利用數(shù)據(jù)計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)都具有怎樣的重要性，即其對(duì)評(píng)價(jià)分類的影響力。bij=1+si-sjbm-1smax-smin, &sisj11+si-sjbm-1/smax-smin, &sisj其中si=j=1mri,j , bm=min(9,int(0.5+smaxsmin) 根據(jù)B的定義：bij= wi/wji=1nj=1m|bijwj-wi|=0稱判斷矩陣B具有完全的一致性。若判斷矩陣B不具有完全的一致性，即后續(xù)實(shí)驗(yàn)的樣本集和當(dāng)前樣本

12、發(fā)生了很大的 變化，則需要對(duì)B進(jìn)行修正，記作W(i)l扛1n)。對(duì)應(yīng)的一致性判斷形式是：minCICn=i=1nj=1myij-bij+yijwj-wi/n2 yij=1,i=1n優(yōu)化條件：1yij=yijbij- dbij,bij+dbij,i=1n,j=i+1n i=1nwi=1且：wi>0式中,d是非負(fù)參數(shù)，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)d0，0.5。1）當(dāng)權(quán)重Wi|i=1n和yij獲得最佳值時(shí)，CICn=0，yij=bij，B具有完全的一致性。2）不能滿足完全一致性時(shí)，CICn越小，則判斷矩陣B越能獲得滿意的一致性，CIC(n)<01則可以認(rèn)為該判斷矩陣具有滿意的一致性。根據(jù)式(454)式(45

13、7)求取wi在獲得各個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)Wi|i=1n后， 對(duì)系統(tǒng)的第j次樣本的初步評(píng)價(jià)可以通過(guò)如下的表達(dá)式進(jìn)行：Cj=inwiri，j j=1mCj的結(jié)果越大，說(shuō)明對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行本次實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)越優(yōu)。通過(guò)對(duì)m次的樣本 集進(jìn)行排序，可以為融合系統(tǒng)的綜合性能做出量化評(píng)估。3.3.3 綜合評(píng)價(jià)步驟本文的評(píng)估系統(tǒng)以評(píng)估信息融合處理性能為基礎(chǔ)，根據(jù)上文制定的數(shù)據(jù)融合評(píng)估單項(xiàng)指標(biāo)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)與計(jì)算的方法，得出每個(gè)評(píng)估指標(biāo)的具體值。然后根據(jù)得出的每個(gè)指標(biāo)，采用模糊評(píng)判的方法，對(duì)數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估。1) 確定評(píng)價(jià)跟蹤系統(tǒng)的指標(biāo)集合U；2) 選取數(shù)項(xiàng)指標(biāo)，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)計(jì)算單項(xiàng)指標(biāo)量化值，并且考慮一次航跡及二次航

14、跡融后的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算比較，精度指標(biāo)等改善度G；3) 進(jìn)行單指標(biāo)評(píng)價(jià)，建立模糊關(guān)系矩陣R，在構(gòu)造了等級(jí)模糊子集后，就要對(duì)跟蹤系統(tǒng)從每個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行量化；也就是確定從單個(gè)性能指標(biāo)來(lái)看被評(píng)系統(tǒng)對(duì)各個(gè)等級(jí)模糊子集的隸屬度，進(jìn)而得到歸一化模糊關(guān)系矩陣；4) 利用合適的權(quán)值算法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊權(quán)向量W；5) 利用合適的合成算子將W與被評(píng)價(jià)算法的R合成得到其模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量C。6) 對(duì)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量進(jìn)行分析，可采用最大隸屬度原則、加權(quán)平均原則和模糊向量單值化等方法，獲取系統(tǒng)的總體評(píng)價(jià)。7) 根據(jù)模糊評(píng)價(jià)所的系統(tǒng)綜合從優(yōu)度評(píng)分，結(jié)合實(shí)際場(chǎng)景，為融合系統(tǒng)綜合分析。4 總結(jié)很多文獻(xiàn)中都闡述了有關(guān)數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的性能評(píng)估的方法，并對(duì)其效果進(jìn)行了分析：1) 試圖從航跡分類的角度探討跟蹤性能評(píng)估中數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、跟蹤純度、狀態(tài)估計(jì)精度和濾波協(xié)方差 可靠性內(nèi)容的評(píng)估方法；2) 描述了評(píng)估系統(tǒng)的重要性和關(guān)聯(lián)統(tǒng)計(jì)、跟蹤純度、 跟蹤維持統(tǒng)計(jì)等評(píng)估內(nèi)容，但并未給出具體計(jì)算公式；3) 初步給出了多目標(biāo)跟蹤性能評(píng)估的指標(biāo)，但這些指標(biāo)僅包括失跟率、正確起始、終結(jié)率、濾波性能等，但都尚不完善。個(gè)人理解：跟蹤系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境具有以下特點(diǎn)：目標(biāo)的機(jī)動(dòng)時(shí)刻與機(jī)動(dòng)水平往往