第十二讲-复杂融合系统

第十二讲融合系统授课教信息融合原 第十二课程1.共用图概互操作协同能2态势估态势估态势感态势一3.估估计基本元4方法与思COP/CTP的生2国防科技大学课态势3国防科技大学课信息融合原 第十二估 态势估计以定性估计为主 国防科技大学电子科学与课信息融合原 第十二方法发生了什么 为什么发生 接着可能发 对我意味着 我能够为此什么 么 什么 国防科技大学电子科学与课信息融合原 第十二本节3. 国防科技大学电子科学与课第十1.复杂信息融合系统概述7国防科技大学课信息融合原 第十二复杂信息融合系统从案例说融合系统架构特工程实现中的要素及示 国防科技大学电子科学与课信息融合原 第十二1.从案例说 -复杂融合系 区 系统模型示例任 标 2、X-任务空类间识 3、Z-识别信息空类型识海型号识 敌我识类搜 打z 国防科技大学电子科学与课序提序提出定义简领域、应1成员系立运行；成员系立管理；成员系统分布在不同地点，它们之间军2Kotov企业应3CarlockFenton 4 5Lukasik6关于联 方面“系统的系统”主要解决如何实 系统，C4ISR(控制、指挥、通信、计算 、监视和侦察)系统的互操作和协同信息融合原 第十二复杂系统的复杂大系统互联网(Internet)、智能交通系统以及综合 国防科技大学电子科学与课信息融合原 第十二“系统之系统”代表性定 国防科技大学电子科学与课信息融合原 第十二融合系统架构特融合系统架构系统资源分散系统组态动态系统构成自组体系结构复杂国防科技大学课信息融合原 第十二"系统的系统"MarkWMaier1998)A.P.Sage(2001)分别论述“系统的系统”主要特，包括五个方面 地理上分布范围广泛，通常不断发展和进化，随着需求变化而发展和进 国防科技大学电子科学与课综合防空体系IntegratedAir组成：由众多不同地区的、半自治成员系统构成，成员系统包括监视、式监测系统、发射系统、和控制站点、空中监视和系统、战斗机以及防空高等。交互：成员单位通过命令和控制网络连接起来，实现地区级乃至国家级综合防空体系。作为"系统的系统"运行的综合防空体系突现新功能和特性。独立性国防科技大学课信息融合原 第十二3.实际系统需要将 根据需求和风险，综合各种设计模型，并做对比分操作需转化为可执行、操作的，具有一定功 将需求分配给已选定的设计方案中的各功能模的物理实体需要依据一使得系统设计师和工 在系统设计和测试全过程，监测技术性能、风险性以师完成如下功能 其他因素（如全生命周期费用 国防科技大学电子科学与课信息融合原 第十二系统工作准则设资源调度管 运行任务分一致性解 信息流动转动态自组织能 目标识别与评信源高效数据库构建与更 国防科技大学电子科学与课信息融合原 第十二系统工程方 -系统工程的一种示系统验系统定系统集 初步设 与测 子系统 实施设 控 方 系统定 系统设 系统实 系统测 国防科技大学电子科学与课信息融合原 第十二瀑布式开发系统的协调设计-开发-销售-用户文档化和标准化过程，开发进 国防科技大学电子科学与课企业体系结构的三考虑系统所要完成的功能，并将之分配给计算机网络中的人类（有认知能力）、硬件（物理实体）和软件。的R体系结构中，综合了互联的体系结构系统体系结构技术体系结构，如图：国防科技大学课信息融合原 第十二融合的不同 国防科技大学电子科学与课DATALevel0Association&Level1Level2InAir LevelDataBase课优Level3信息融合原 第十二第十2.管理增效-传感器管理 国防科技大学电子科学与课传感传感器和传感器系统概传感器管举国防科技大学课信息融合原 第十二1.远基本问接触时距离传 操重量触 国防科技大学电子科学与课信息融合原 第十二传感器本身就是一个决策噪声源实体 传感输介信 判 显检测 处 规 国防科技大学电子科学与课信息融合原 第十二传感侦察与监 技 •无源感知 •地战役侦察与监 •信 侦察 •有源感知：主 •海上（含水下战术侦察与监 •航微波辐射计技 •航用 技术途 电磁波 搭载平源 国防科技大学电子科学与课传感器的主要课国防科技大学传感器的主要课国防科技大学平作传感器典型传感空对空战、识别（敌我识别和 多模 、IRS、TTVIFF、 地地 、图像/防空战水下飞机 传感器交 用ATC 目标的传感器和ID进行监 、前视IR、空中搜 、火控识别 和打击敌 舰、敌潜的传感器和ID进行水面和水下监视 达、ESM、IRST、水面搜 、声呐协同的空中、水上、 拖曳式声呐基阵、战 监观 前沿内外战场活动、探测识别移动物 ESM或测 目标获 、声呐探测、探测敌方，与我方协 、消灭敌 震仪、多种成像传机 大规模空中监视： 、战斗机控制 监 、IFF、ESM和控目标探测 、识别 数据协调传感器网络数水 探测 、识别水下目标 水面ESM声呐基 方潜艇定位、交战、消灭 信息融合原 第十二典型传感器 国防科技大学电子科学与课信息融合原 第十二传感器主要作用距时效性和数分辨率和精和生存能国防科技大学课信息融合原 第十二典型传感器侦察与监视传感器的目标特性应电磁 机械 目标效目标能量辐 能量反 波、声波、超声 局部效 二次效 化学反人工能 自然能 磁和压 烟、灰 气光电传感 地面战场传感信 传感 辐射 红外热像 国防科技大学电子科学与课典型传感器传感 优 缺微波、毫米波 全天候、全天时；低频段 树丛；探索 中等分辨率；不隐 围大；可获取距离、速度等；可进行成像探测微波、毫米波 全天候、全天时；隐蔽成像、监测 ； 相同孔径时分辨率低 ；大宽带对干扰敏感；射 频段 树丛；探索范围大 态定位获取距离数据红外成像 较高空间和频谱分辨率；具有隐蔽性；全天时 受 灰尘烟影响；树 力差；动态定位获距离数据 可见 高的空间分辨率；具有隐蔽性；直观便于理解 仅在白天工作，受 灰尘烟、天气影隐蔽；全天候、全天时；探索范围大；宽频 依赖辐射源发射；多站定位；需要对抗反侦测技术信 侦 工作；辐射源定位；装备细节分析 全天时，不受能见度限制；不受通视条件限制；受气象条件影响；受声源发射速度影响；作用距离有 国防科技大学课信息融合原 第十二基本概传感器管理(控制)就是利用有限的传感器资源,满足对多个目标和扫描空间的需求,以获得各个具体特性的最优值(如检测概率,截获概率,传感器自身的发射能力,航迹精度或丢失概率等),并以这个最优准则对传感器资源进行合理科学的分传感器管理的问题就是依据一定的最优准则,建立一个易于量化的目标函数，而后通过优化目标函数选定要工作的传感器及其工作模式和参数。本质上是一个控制过程。 国防科技大学电子科学与课信息融合原 第十二2.传感器管理(SensorManagement传感器的选 基本目 决策优的地点，将针对具体对任务限 工作对 环境保 信息，以恰当的和任 式送交给恰当的收者，同时 工作平 基本要求属性覆盖状态需 资源高效利 国防科技大学电子科学与课信息融合原 第十二问题传感器以非固定方式使模式（频率、带宽等空间控时间控报告控制（有的文献中不提 国防科技大学电子科学与课信息融合原 第十二管理模式管 空间控 时间控 输出与报告管控制模式、扇区的起停时 •基于目标属性报告过指定查看扇区时间，规定锁定或 •按类别、类型 效能等过滤(敌我索目标的时 两者允许的最大功率发射周 •基于空间属性报告过最小/最大距离限制，高度分层过滤，空间区域过渡 国防科技大学电子科学与课信息融合原 第十二管理适应于三类主要的应如：允许快速变换监测指向和工作模式的电子扫描实现从一个传感器视野向另一个传感器视野的有效切换，保持监视的连续性体系效能 国防科技大学电子科学与课管理–如：允许快速变换监测指向和工作模式的。国防科技大学课信息融合原 第十二单个平台上的多传F-35的有源（AESA）能够执行电子战（EW）功能及部分CNI（通在F-35上：、光电系统（EOTS）、电子战系统、CNI系统与外部信息源（例如：数据链）等各种信息通过运行在处理机（ICP）上的任务系统软件完成信息融合，实现对目标综合识别功能。 国防科技大学电子科学与课单个平台上的多传国防科技大学课信息融合原 第十二平台解决感知信息的互联互通问 Air-to- CoAirto-sSA Echelon Surface- Direct 国防科技大学电子科学与课战斗体系的解场精确态势信息共享问 of Common 强调：复杂系统间的高效管理与科学国防科技大学课信息融合原 第十二功能的三个低层控制 中层控制 控制 •控制传感器任务和需 •如：区分优先级、确 个模 国防科技大学电子科学与课操作操作示 目标优目标优先级处 数传感 传感 目 接 态传感 实现模传感能信息融合原 第十二例子：自主确定目从一个局部问题入问题涉及因方法：各因素的顺 国防科技大学电子科学与课信息融合原 第十二确定目标优先级涉目（军事）目标类别（敌我友 目标类型（飞机、舰船类型）、目 信息需定位与航迹精度，目标状态，滤波协方 已探测到的目标，搜索空间与扇目标类型 ，距离与速率，离开与接近时 力，与我方距时 火控要目标使用的传感器 的状 飞行中制导需要的时国防科技大学电子科学与课优先分目优先化因排ＴＰI１ 追踪１2Ｈ——根据指令制导和敌方Ｈ——中，估计信息需（Iｍ）排列目２预期对其进的方目３4Ｈ—先根据时机Ｈ—再根据发射包络息需求（I）目３５Ｈ６Ｈ （Ｔ），目７Ｈ是时机（Ｐ）８Ｕ后是传感器９Ｕ求（I）排列目ＵＵ4Ｆ——Ｆ——（Ｉ）排列目Ｆ—— 信息融合原 第十二方法基于规划论的方基于信息论的方基于模糊逻辑和神经网络的方基于随机集合理论的方基于专家系统的方其它方 国防科技大学电子科学与课基于规划论主要方法有国防科技大学课信息融合原 第十二线性对被目标确定传感器对目标的分配,将卡尔曼滤波器中的误差协方差阵的迹作为目标函数中的代价系数。利用航迹文件预测量测性能,估计出每个可能的配对值,并用来计算、分配目标函数；基于效用函数的传感器管理方法,其实际上是一种线性规划方法.通过传感器特性与目标的有效配对以及目标优先级的排序,建立线性规划的目标函数；使用布尔矩阵定义一种基于传感器能力和有效性的传感器与目标的配对,利用传感器性能模型预测传感器对目标的效能,以便量化各侯选传感器分配方案的临界效益 国防科技大学电子科学与课线性规划方法示 -多传感器-多目标配T用C传感器所有可能的分割序列用P表 合理的效用选择规划方法 •以配对函数和目标 组 难国防科技大学课信息融合原 第十二动态传感器管理的时间特性并将序列决策过程描述为一般的马尔可夫决策过程，根据最终状态并反向执行确定最小费用的一种递推算法；将传感器资源的约束条件修改为期望约束条件,并引入拉格朗日乘子,将多目标动态规划问题解耦成多个单目标动态规划问题；基于最大检测概率的传感器管理方法,对单目标检测具有较小的错误率但对多目标检测错误率甚大,原因一旦发现检测概率最大的目标,就不再去搜索其它目标了；预测未来传感器管理决策的效果进而对传感器资源进行调度。将期望的总力作为目标函数来进行传感器资源的有效分配； 国防科技大学电子科学与课基于信息论主要方法有混合熵（分辨力函数）国防科技大学课信息融合原 第十二基于信息论使用期望的熵变(由误差协方差阵的范数描述)作为期望信息增量以确定哪一个目标将被测量,这样可以使每个采样间隔获得的对数据融合和传感器管理建立了概率信息模型,给出了不同情况、关于目标运动状态的信息滤波器,以及对应于各种融合结构的离散状态分类置信度的信息滤波器。在此基础上,基于信息熵建立传感器管理的目标效用函数,形成了传感器管理的基本框架；使用分辨力增量（基于混合熵）作为线性规划目标函数中传感 国防科技大学电子科学与课基于模糊逻辑和神经网络利用基于知识推理和模糊决策理论实现了传感器对目标的分配任务以改善目标位置、速度和加速度的精度国防科技大学课信息融合原 第十二基于随机集合理论利用随机集合理论将基于信息论的传感器管理方法推广到更一般的情况,使得解决更为复杂的多传感器多目标系统成为可能,不过这种方法所要解决的数学问题也较为复杂. 国防科技大学电子科学与课信息融合原 第十二说。如问题复杂(传感器和目标数广：引入随机集 国防科技大学电子科学与课信息融合原 第十二传感器管理系统达到的效果有效利用 国防科技大学电子科学与课值得关注的方异类传感器传感器网络综合管理技目前的研定性分析定量说明模型和知识库评价准国防科技大学课信息融合原 第十二例：有源无源传感器协调 度无源 有好 性能，有源 min方法：在红外搜索估计，指示范围内， s.t. 在候选范围内搜索目标，并完成 踪，提高效率提升系统隐蔽性； 前提：探测范围兼容，时空一致性良 属性相进一步：间隙式协同工作。一旦航迹起 M 效果指 关机，无源，为防止滤波发 如圆概 误差 按照一定准则间隙式工作，完踪修正 CEP0.7522 国防科技大学电子科学与课第十2.管理增效-数据管理国防科技大学课信息融合原 第十二数据融合系统中的数据库功单一模型难以提供融合的解决方多级融合任务中的数据库支设计中的注意问 国防科技大学电子科学与课信息融合原 第十二融合系统中的数据库功能 数据库态势数据 理系*声 *动态对 *监 *航 人机接*红 *评 智能化*光 *增 文字、图*更 地图显*电子支 措施 *检*敌我识 *合 * *归*通 算 评估计*电 性能计 MOE(有效性*其 支持数据 量*技能计*经验*技术 国防科技大学电子科学与课信息融合原 第十二典型数据库E-R 数 关系数据 库需库模 面向对象 地理信息据模 统 国防科技大学电子科学与课目标识别任务中的数据库载频脉宽脉冲上升沿时间重频天线扫描速度ASV与辐射源到达方X=(RF,PW,PRT,PRF,AVS,平台的电子辐射源有–警戒或搜索–导 –制 –火 –引 识别对象的模糊辨识A=(S,N,G,F,国防科技大学课态态估计中的数据库课国防科技大学防STA计算实现过信息融合原 第十二数据库在融合系统中的应说明识的积累 信息对应融合分级（4级或 合系级），每一级都应有 数据 数据应的数据管理 管理人统开发人 操系用硬 国防科技大学电子科学与课设计中注意直效索引效率和效率（更新、插入与重构等检索、查询（空间、时间、语义实现与管理（灵活的类型、结构、层次合理国防科技大学课信息融合原 第十二第十2.管理增效-认知管理 国防科技大学电子科学与课认知认知管理的提用户在融合系统中的角认知优化包括的功知识的融合粗浅认国防科技大学课信息融合原 第十二认知管DATALevel0 Level1 Level2 Level3 Sub-object Association InAir 认 Level Data 优 Management 修正的JDL 国防科技大学电子科学与课信息融合原 第十二用户在各级融合设计中的 国防科技大学电子科学与课信息融合原 第十二认知Datafusion.Combiningandorganizingnumericalentitiesfor Sensorfusion.CombiningdevicesrespondingtoastimulusIF.Combiningdatatocreateknowledge yfusion.PresentingdatasimultaneouslytosupporthumanCognitivefusion.Integratinginuser’smental 国防科技大学电子科学与课用户融合的模型（User-fusionUser-fusionmodel：侧重人的参与国防科技大学课信息融合原 第十二用户精炼的 国防科技大学电子科学与课用户在各级融合处理中的Level0:determiningwhatandhowmuchdatavaluetocollectLevel1:determiningthetargetpriorityandwheretolookLevel2:understandingscenariocontextanduserroleLevel3:definingwhatisathreatandadversarialLevel4:determiningwhichsensorstodeployandactivatebyassessingtheutilityofinformationLevel5:designinguserinterface国防科技大学课信息融合原 第十二认知优化应包括那有意识的交感：利用算法实现感觉转换，可以改善对信息的理解；时间压缩与扩张：人类适合理解变化的检测，通过时间压缩与扩张技术可以帮助用户理解一个展开的战术态势；否定理加强：否定推理可以克服只寻找支持注意力的集中与发散：注意力脱离一点，理解更加宽阔的场景。 国防科技大学电子科学与课认知优化应包括那模式变换方法：数据形式转化成更加适合人类理解的形式，提高自然视觉处理；不确定性的表示：利用视觉或口语技术改善不确定性表述。例如：三维图标表示目标，采用图标的模糊程度或透明程度来表示目标的不确定性。例子：选自“信息之美”-【英】“图解力”-【日】木国防科技大学课信息融合原 第十二信息的多种表现形 -丰富的内容简洁的形 国防科技大学电子科学与课信息融合原 第十二不同表现形 国防科技大学电子科学与课信息融合原 第十二引起视觉的例子（左-右 国防科技大学电子科学与课信息融合原 第十二表现时-空演 国防科技大学电子科学与课信息融合原 第十二时间演变的伸缩- 国防科技大学电子科学与课知识融合粗定义知识融合一种服务，它通过对来自分布式信息源的多种信息进行转换、集成和合并等处理，产生新的集成化知识对象，同时可以对相关的信息和知识进行管理国防科技大学课异异课信息融合原 第十二数据挖掘与知识发现的基解释和数据 评数据 数据 处 国防科技大学电子科学与课第十国防科技大学课信息融合原 第十二融合性能与典型的指标度评估的原理与步多