一種實用的機載信息融合體系結構(通訊)

                               王成剛^1，2

（1．中國電子科技集團公司航空電子信息系統技術重點實驗室，成都610036；2．中國電子科技集團公司第十研究所，成都610036）

摘要：總結現有信息融合體系結構設計與評估方法的不足，結合航空電子系統傳感器的數據特點及信息融合需求，提出基于修正JDL模型和數據融合樹的體系結構設計思想?；�于作戰用例的體系結構運行機制表明：所提體系結構不僅能夠動態配置，還能大大減少計算量，并且符合指揮控制體系的要求。引入系統評估方法，對按照上述方法設計的兩種體系結構進行定性和定量評估，證明了該評估機制的科學性和有效性。

關鍵詞：航空電子系統；機載信息融合；體系結構設計；體系結構評估；數據融合樹

中圖分類號：TP274.2    文章編號：1671 - 637X(2016) 05 - 0055 - 05

0  引言

    航空電子系統經歷了從獨立式、聯合式到綜合化的發展過程，新一代綜合化航空電子系統的物理綜合為減小體積、減輕總量做出了巨大貢獻，在物理綜合的基礎之上，對數據、信息層次的綜合也提出了更高的要求。機載信息融合是物理綜合基礎上的一個重要應用，對雷達、電子戰、光學傳感器、敵我識別設備等各類機載傳感器探測到的目標信息及數據鏈獲取的目標信息進行綜合處理，獲得統一的目標狀態信息、目標屬性信息及態勢信息等，支撐指揮引導、態勢感知及火控攻擊等任務。

    信息融合體系結構是融合系統開發的基本問題，融合結構的選擇直接影響著處理邏輯的復雜性、帶寬需求及融合質量與性能。國外已有文獻對不同平臺信息融合體系結構進行了研究，如航空電子開放式融合架構、美國新一代戰斗機信息融合體系結構、加拿大海上巡邏機信息融合結構等；國內方面，包括C31系統信息融合體系結構、新型海戰場信息融合體系結

構，以及面向作戰任務的航空平臺信息融合體系結構等。上述信息融合體系結構設計存在以下不足：1）體系結構的可擴展性不好，難以滿足指揮控制體系及其用例提取要求，更不能滿足未來網絡中心戰需求；2）不能對融合過程實施動態組織與配置，以應對各類多任務的復雜對抗環境，如面臨大量隱身高速目標時，需考慮采用特殊算法提高某個目標的跟蹤精度，同時還需考慮距離信息的快速響應與補充；3）沒有對體系結構進行預先評估，依賴主觀判斷，更沒有科學的評估機制；4）缺少指導系統開發的系統工程設計準則，更不能實施協同開發，重復研究和開發現象很突出。

    從工程研制經驗來看，合理的信息融合結構設計是保證在一段較長時間內不因單項技術或算法的發展而對整個系統產生顛覆的必要條件，提倡在方案論證階段對體系結構進行預先科學評估，不僅能節省人力物力，還能保證工程研制的質量。綜合考慮以上因素，本文提出基于數據融合樹的系統工程思想進行機載信息融合體系結構設計，可以分解各信息融合功能的計算量，還可以動態配置信息融合功能；引入系統評估理論結合作戰應用對體系結構進行定性和定量評估，證明了所提評估方法的科學性和有效性。

1信息融合體系結構設計

1.1設計思路

    為使信息融合體系結構工程化、實用化，必須對JDL模型、Dssarathy模型、Waterfall模型、Omnibus模型等基礎的功能模型進行完善與適應性改造，常用的方法有數據融合樹、融合元、本體論、SOA和AGENT等方法。文獻[11]首次提出數據融合樹思想，在《多傳感器信息融合手冊》一書中論述了數據融合樹的概念及設計步驟，但目前很少有數據融合樹具體應用情況的文獻報道。

    通過對機載傳感器的數據特點及信息融合需求進行分析，以2004年BOWMAN提出的修正JDL功能模型為基礎，采用數據融合樹系統工程思想進行體系結構設計。BOWMAN提出JDL功能模型強調兩層含義：1)包含四級融合層次及其過程評估，以及人機交互模塊，每個層次表示不同的信息綜合級別，具體包括子對象估計、對象估計、態勢估計與戰術估計；2）各融合層次的主要過程均包含數據的檢測、關聯、相關、估計與綜合等。數據融合樹的基本思想是通過對輸入輸出信息進行分類、對融合功能點進行分解，使系統信息融合問題分解、簡單化；同時將數據模型與數據處理功能分離，實現處理功能與數據模型之間的松耦合，有利于模塊的修改和替換。

    基于修正JDL模型與數據融合樹思想的具體設計步驟如下所述。

    1)頂層設計。選擇某信息融合功能模型，根據業務需求添加功能或裁剪功能、使其更具可操作性。

    2)融合功能設計。采用數據融合樹方法對輸入信息、輸出信息融合功能進行分類分解。數據融合樹分割原則包括信息源類型、數據類型、時間序列、互聯關系等。

    3)融合節點設計。以數據分割后的各層次融合功能所選用的融合結構為基礎，如目標跟蹤功能的分布式航跡融合、集中式點跡融合、目標識別功能的特征級識別、決策級識別等，結合具體處理流程，在步驟1）的基礎上抽象出融合節點。

    4)融合算法設計。以融合節點為基礎，根據具體算法與應用的特點，歸納融合函數形態。

    在上述各步驟中，均需同時考慮計算量、軟硬件資源等實現約束。頂層設計與飛機平臺的業務流程緊密相關。融合功能設計是設計的重點和難點，融合節點設計與融合處理流程相關。融合算法設計與具體作戰使用需求緊密相關。

1.2頂層設計與融合功能設計

    鑒于作戰飛機的實時性要求，通常僅考慮傳輸航跡信息，故不研究基于點跡信號的子對象估計。影響估計主要指威脅估計。另外，基于作戰飛機面臨信息需求多變、任務多樣、環境復雜等特點，人機交互模塊修改為信息融合服務功能，實現對各融合層次的估計及其評估過程的管理與控制。所提出的動態可配置信息融合體系結構如圖1所示。

    該結構所表現的信息融合處理是一個由信息需求驅動和模型驅動相結合的動態過程，該過程分為兩個階段：第一階段為信息融合服務階段，包括信息需求的產生、融合任務的形成，以及根據所生成的融合任務完成融合策略的修改與融合參數的動態配置；第二階段為融合任務實施階段，包括修正規范的信息融合模型的所有內容，其任務是按第一階段生成的策略及參數配置，生成各層次融合估計產品和過程評估產品。

    在信息融合服務的管理、調度下，逐級完成目標對象估計及其過程評估、態勢估計及其過程評估、戰術估計及其過程評估，易于提取各級別的態勢用例，包括本機態勢、機外態勢等，也符合指揮控制體系。1.3  融合節點與融合算法設計

    由于JDL模型規定的每個融合層次可能包含多種類型的融合產品，例如目標對象估計包括目標跟蹤估計和目標識別估計，需要對每個融合層次的功能進一步設計。本文提出的數據融合樹分割準則如下：首先按照信息源類型分為機內融合、機外融合和機內外融合，機外融合分為同類數據鏈網絡的融合、不同類數據鏈網絡的異類融合；然后按照功能模型分為目標跟蹤和目標識別。為方便后續比較，暫稱此信息融合分割準則獲得的融合功能設計結果為方案一。第一層融合目標對象估計的融合功能設計如圖2所示。

    從圖2可以看出，對目標對象估計的目標跟蹤功能和目標識別功能還可以進一步設計，目標跟蹤功能融合節點的設計準則依次如下：根據目標跟蹤的融合結構分為分布式航跡融合結構、集中式點跡融合結構和混合式點航融合結構；根據分布式航跡融合結構的處理流程，又包括傳感器子源與傳感器子源處理流程、傳感器子源與系統航跡處理流程；對于傳感器子源與系統航跡處理流程，又包括數據的時空預處理功能點、航跡相關功能點和航跡融合功能點；航跡融合功能點又包含航跡加權子功能點、航跡增強子功能點和航跡濾波子功能點。

    融合算法設計方面：航跡融合算法可以分解為凸組合算法、交叉協方差算法和信息矩陣算法等，各類算法又包括機動目標模型和非機動目標模型。按照上述思路展開，可以獲得圖3所示的數據融合樹設計效果。

    從圖3不難看出，該體系結構具有以下特征：

    1)融合節點的每個功能模塊可以獨立工作，模塊只需要處理自己的輸入數據和輸出計算結果，不需要了解其他模塊的工作情況；

    2)不同融合節點內的數據流及控制流是互不相 同的，因此必須根據各個節點的特性與功能選擇合適的算法；

    3)所有數據是由下往上傳遞的，符合指揮控制體系；

    4)各個融合節點可以根據實際需求選擇相應的模塊配置成不同的信息融合功能。

1.4運行機制

    作戰飛機面臨的作戰任務多樣，信息需求涉及多 個層次，信息融合體系結構的動態可配置性使得系統結構不但自適應于各類作戰任務，而且自適應于處理過程中節點間信息關系的動態變化，實現模型驅動與數據驅動的有機結合，滿足各類機載任務的應用需求，具有易于實現的實用特點。

    作戰飛機面臨的戰場態勢瞬息萬變，實現某個目標快速響應以支撐火控攻擊的同時，還可能需要滿足另一個目標精確計算以提高其跟蹤精度。以此作戰任務為用例，信息融合系統需要根據融合任務動態生成兩個具體的融合產品及評估產品。為實現快速響應支撐火控攻擊，通?？紤]本機傳感器數據精度高穩定性好的特點，而不考慮低速率、高時延的數據鏈信息，采用子源與系統關聯流程，融合算法采用簡單加權算法等。為了提高跟蹤精度，需對所有傳感器數據進行子源與子源的精確相關及高精度的濾波估計。就是說，在作戰過程中，融合節點之間的信息關系不是一成不變的，一個節點的信息不是總對另外的節點有用，所以在信息融合系統設計過程中必須充分考慮信息源之間或處理節點之間的信息互補關系。

    作戰飛機典型的應用需求還包括電子戰發現目標后快速配置節點獲得距離測量信息的補充、某個目標需要快速響應身份屬性確認等。

2體系結構評估

    目前比較缺乏針對信息融合體系結構評估方面的研究。在方案論證的前期，大多依靠經驗判斷，這種判斷缺乏理論依據，對工程研制來說，既存在風險也不科學；還有采用信息融合系統的性能評估方法來評估信息融合體系結構的，這些方法需要建立完善的信息融合流程與算法以及軟硬件環境支撐，花費大量人力物力，且無法預先評估。體系結構評估突出了早期設計抉擇的作用，對隨后的系統開發和工程實施有深遠影響，盡早地分析和評估體系結構就成為確保和提高設計質量的關鍵。

    考慮到融合功能設計是體系結構設計的重點和難點，本文提出兩種基于數據融合樹的典型設計，并將其進行比較。1.3節已經給出方案一的融合功能設計，方案二的融合功能設計數據融合樹分割準則如下：首先按照功能模型分為目標跟蹤和目標識別；然后按照信息源類型分為機內融合、機外融合和機內外融合，機外融合分為同類數據鏈網絡的融合、不同類數據鏈網絡的異類融合。方案二設計結果如圖4所示。

    本文引入系統評估思想，結合作戰應用對體系結構進行定量和定性評估。對所設計建模的兩種體系結構的網絡拓撲結構、數據耦合度、系統容錯性、功能分布性、集成復雜度及基于用例的作戰流程復雜度等指標進行先期的定性評估，然后對功能節點數量、接口數量、點對點通信的延遲、路由效率、通信負載、信息消費節點的分布等進行定量評估。體系結構評估結果如表1所示。

    數據融合樹網絡拓撲結構的類型包括樹形結構、樹環結構、層次結構和環形結構等。本文所介紹數據融合樹中的“樹”、“樹節點層次”與計算機領域數據結構中“樹”的概念一致。“樹”是沒有閉合路徑的圖，也就是說，在“樹”中不可能從同一點出發，經過邊（不考慮它們的方向），重新回到起點。“樹”是最簡單的一類圖，包含需要連接給定頂點的最少的邊。方案一是典型的樹形結構，底層節點復雜高層節點簡單。信息融合系統中不存在回路，樹環結構意味著存在融合與決策自相矛盾的回路，回路越多融合決策越混亂。

    表1的計算結果以完成對象估計任務為例，由此可以看出，本文提出的體系結構評估方法從定性和定量兩個方面證明了方案一相比于方案二的優越性。

3結束語

    本文的主要結論與貢獻小結如下。

    1)總結現有信息融合體系結構的不足，從機載傳感器的數據特點與信息融合設計需求出發，采用數據融合樹系統工程設計思想，提出了動態配置的機載信息融合體系結構，并從運行機制與運行效率上證明了所提體系結構的優越性，具有可動態配置的實用特點，且符合指揮控制體系，又減少計算量。

    2)從系統評估、作戰應用兩大方面對體系結構進行了定性和定量評估，與常用的信息融合系統評估方法需要建立完善的算法、流程和軟硬件環境支撐相比，這種科學的有效評估機制不僅能節省人力物力，而且有利于工程實施以及確保后續的工程質量。

    需要指出的是，本文所提出的體系結構設計思路容易擴展至艦船或地面信息融合體系結構設計、C³I／C⁴1SR網絡信息融合體系結構設計等。