基于“黑箱”理論的直升機多傳感器協同管理效能評估

張宏斌，齊 馳，楊 杰

(陸軍航空兵學院，北京 101123)

0 引言

隨著傳感器技術、信號處理技術及計算機技術的快速發展和戰爭形態的不斷演變，通過多傳感器協同管理提高目標探測的有效性和目標識別的準確性與可靠性已成為提升裝備作戰能力的一項關鍵技術[1]。通過多傳感器協同管理可以實現在有限的傳感器資源條件下，滿足對多個目標的搜索、跟蹤等需求。為此，傳感器協同管理技術得到了深入和廣泛的研究。羅開平等[2]梳理和總結多傳感器協同管理方法如下：基于濾波技術和協方差技術，基于數學規劃和智能優化技術，基于信息論，基于多Agent的方法等。以上方法從不同角度出發，對多傳感器管理進行了研究。但是，在以上傳感器管理方法實施過程中，其效能的評估均是依據各自方法的特點提出相應的衡量指標和方法，存在一定的片面性。目前，尚未有一種通用的直升機多傳感器協同管理效能評估方法。

作為探討，本文提出一種基于“黑箱”理論的直升機多傳感器協同管理效能評估方法。該方法以直升機多傳感器協同管理的目的為出發點，將具體的傳感器管理方法作為一個“黑箱”，以使用傳感器的數量和特性作為“黑箱”輸入，以探測到的目標數量和特性作為“黑箱”輸出；然后，采用層次分析法對輸入和輸出進行指標量化，并確定各評估指標權重；最后以輸出與輸入的比值作為效能評估值。算例證明該方法簡單、有效，是一種通用的直升機多傳感器協同管理效能評估方法。

1 直升機多傳感器協同管理方法分析

直升機多傳感器協同管理是基于單傳感器的在復雜網絡環境下的傳感器資源規劃與協調，在管理過程中需考慮各種影響因素，如傳感器參數、量測時機、傳感器-目標配對、傳感器-傳感器搭配等[3]。其管理流程如圖1所示。首先，各傳感器獲取目標信息，經數據處理后送綜合信息數據庫；綜合信息數據庫對各傳感器數據信息融合后形成戰場態勢，依據戰場數據需求抽取戰場態勢中的目標信息通過外部接口輸出。與此同時，傳感器管理模塊接收戰場數據需求，對傳感器進行協同管理。

圖1 直升機多傳感器協同管理流程

由上可見，直升機多傳感器協同管理過程中要經過傳感器-目標分配、時空配準、信息融合等多個步驟，因此針對不同的問題可以提出不同的解決方案，從而形成各類傳感器協同管理方法，并由此產生不同類型的多傳感器協同管理效能評估方法。

2 “黑箱”模型建立

“黑箱”理論是指對特定的系統開展研究時，將系統內部看作一個不透明的黑箱子，研究過程中不涉及系統內部結構和相互關系，僅從輸入、輸出的特點來了解和掌握該系統的規律[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其他事物的反作用。因此，完全可以通過“黑箱”法來實現多傳感器協同管理效能評估。

由直升機多傳感器協同管理方法分析可見，雖然直升機多傳感器協同管理方法多種多樣，但其最終實現的目標始終是不變的，即利用有限的傳感器資源獲取最多的目標信息。因此，從一種通用評估方法的角度出發，可以不考慮所采取的直升機多傳感器協同管理方法，將其視為“黑箱”，而僅以傳感器資源作為輸入，獲得的目標信息作為輸出，對直升機多傳感器協同管理的效能進行評估。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，通過“黑箱”將直升機多傳感器協同管理方法自身的影響去除，僅考慮整個系統的輸入和輸出，并以輸入和輸出之間的關系來確定多傳感器協同管理的效能評估值。在此過程中，“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重要。下面，結合直升機多傳感器協同管理的過程和目的對輸入、輸出信息進行分析。

直升機多傳感器協同管理中，傳感器信息主要包括傳感器數量和傳感器類型。傳感器數量可以直接獲得，而傳感器類型需區分主動傳感器和被動傳感器。主動傳感器與被動傳感器相比，探測效能更高，但其暴露概率更大，即主動傳感器使用越多意味著占用的傳感器資源就越多，即系統的輸入就越大。目標信息也是通過目標數量和目標特性進行衡量。目標數量可以直接獲得，目標特性則需區分動目標和靜目標，跟蹤目標和搜索目標。相較而言，動目標的獲取難度更大，意味著系統輸出更大。同樣，跟蹤目標精度較搜索目標精度要求更高，其獲得的系統輸出也就更大。除此之外，對于目標信息，還需考慮目標誤差率的問題，即可能會出現目標數量較多，但虛假目標也較多的問題，其系統性能必然降低。因此，對于目標信息，還要增加虛假目標數。綜上，最后形成的“黑箱”模型如圖3所示。

圖3 效能評估“黑箱”模型

3 輸出指標層次分析

層次分析法是對一些較為復雜、較為模糊的問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題[5]。本文中，“黑箱”的輸出指標包含多個因素，因此需要采用層次分析法對輸入和輸出進行衡量。

1)層次結構模型

依據前述提出的目標信息，建立層次結構模型如圖4所示。

圖4 目標信息的層次結構模型

需要說明的是，層次結構模型確定的是各因素權值，最終計算結果應為各因素數量與權值的乘積并求和。如式(1)所示。

(1)

2)構造判斷矩陣

判斷矩陣是層次分析法的基本參數之一，也是進行相對重要度(權值)計算的重要依據。根據層次結構模型，對同一層次的各元素關于上一層次元素的重要性進行兩兩比較，構造兩兩比較判斷矩陣。因素兩兩比較時，相對重要性判讀的九級標度如表1所示。

表1 相對重要性判斷的九級標度

根據九級標度指標，對層次結構模型中的各指標元素相對上一層次的重要性進行兩兩比較，構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

為了檢驗判斷矩陣構造是否合理，需要對判斷矩陣進行一致性檢驗，即計算矩陣的一致性指標CI和檢驗系數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；式(3)中，RI為平均隨機一致性指標。平均隨機一致性指標是根據足夠多的隨機判斷矩陣計算的一致性指標的平均值。對于1-9階判斷矩陣，RI的值如表3所示。

表3 不同階數的平均隨機一致性指標RI值

采用規范列平均法計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。

運用式(2)和式(3)進行一致性檢驗，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，判斷矩陣構造合理，計算得到的結果可作為權值。

表4 矩陣CI、RI和CR值

4)效能計算

對于輸出指標，即傳感器信息，依據專家賦值確定權重矩陣為：W1=(0.7，0.3)；目標信息權重矩陣為：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，目標信息值為T=N·W2T，其中N為目標個數矩陣。需說明的是，虛假目標數作為反向指標，計算過程中應按負值計算。

效能評估值：E=S/T。

4 算例驗證

首先設定一個基準條件：如使用主動傳感器1個，被動傳感器2個；完成2個動目標搜索，1個動目標跟蹤，4個地面靜目標搜索，2個地面靜目標定位，虛假目標數1。計算該基準條件下多傳感器管理效能評估值為：

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。

效能評估值為：E1=0.9415/1.3=0.7242。

然后，假設采用任何一種直升機多機傳感器協同管理方法，其“黑箱”效能評估方法中各因素數值發生改變，應用該方法進行效能評估，并進行比較，從而驗證該方法的有效性和可信性。具體計算比較如表5所示。

表5 效能評估比較表

由表5可見，當主動傳感器數量增加，其他條件不變時，管理效能大幅降低；當被動傳感器數量減少，其他條件不變時，管理效能提升；當目標數量減少，其他條件不變時，管理效能降低，且跟蹤動目標影響最大；當虛假目標數量減少，其他條件不變時，管理效能提升。通過以上算例對比，應用該方法得到的直升機多傳感器協同管理效能評估值符合客觀規律，證明該方法有效、可行。

5 結 語

本文應用“黑箱”理論對直升機多傳感器協同管理效能評估進行了研究。依據直升機多傳感器協同管理的過程及目標，建立了效能評估的“黑箱”模型，并以傳感器信息作為“黑箱”輸入，目標為“黑箱”輸出。同時，應用層次分析法，針對傳感器和目標特性，選取主動和被動作為傳感器衡量指標，選取動、靜、跟蹤、搜索作為目標的衡量指標，分別進行量化。最后以“黑箱”模型的輸出與輸入比值作為直升機多傳感器協同管理的效能評估值。該方法避免了針對某一個具體直升機多傳感器協同管理方法進行評估的局限性，且簡單、易用，對直升機多傳感器協同管理技術的改進和發展具有一定參考價值。但是，由于直升機多傳感器協同管理技術的復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，以及指標權重矩陣存在一定的局限性，仍需進一步開展研究。