數據融合系統

數據融合是指在一定準則下, 利用計算機技術進行的信息處理過程，該過程可對按時序獲得的若干感測器觀測信息加以自動分析、最佳化綜合，以完成所需的決策和估計任務。

基本介紹

• 中文名：數據融合系統
• 外文名：data fusion system
• 簡介：對感測器信息進行分析綜合
• 套用領域：感測器數據處理
• 實現方式：通過計算機進行處理
• 目的：提供準確、及時、高效的信息支持

背景

數據融合也稱為信息融合或多感測器融合，是指在一定準則下，利用計算機技術進行的信息處理過程，該過程可對按時序獲得的若干感測器觀測信息加以自動分析、最佳化綜合，以完成所需的決策和估計任務。 隨著科技的不斷發展，在未來戰爭中，戰場環境將日趨複雜，數據量將成幾何數增長，同時還存在不少不確定信息和虛假信息。 在這種情況下，數據融合技術的不斷發展必將大大提高信息處理的效率，為作戰決策提供準確、及時、高效的信息支持。

功能模型

數據融合系統就是將各感測器探測到的關於各作戰目標的原始數據，依據融合準則，進行自動化關聯、相關、估計、組合，從而得出目標的狀態和身份估計, 並對戰場態勢和作戰行動所面臨威脅程度做出判斷的智慧型化系統。在研究美國國防部實驗室聯合領導機構JDL5級功能模型[2]的基礎上，本文提出了數據融合系統的6級功能模型,如圖1所示：

數據融合系統的6級功能模型整體上劃分為 3個融合區和 1個管理單元。 第 1區是數據準備區, 主要進行融合前數據的準備工作，包含數據預處理和零級聯合檢測;第2區是目標融合區，主要進行檢測目標的融合處理, 包含1級目標狀態估計和 2級目標身份判斷；第3區是形勢評估區。主要進行戰場形勢評估, 包含 3 級態勢評估和 4級威脅估計；管理單元特指第5級融合管理，主要對數據融合系統的效率進行估計、最佳化。

1)零級:聯合檢測。該級是信號處理級的數據融合,其根據融合準則，對經過預處理的數據進行關聯，並結合檢測準則進行判斷，最終形成最最佳化的檢測門限，排除虛警，產生最終的檢測輸出。

2)1級:目標狀態估計。該級的主要任務是對目標進行狀態檢測。 首先由位置融合模組進行數據校準(時間 /空間校準、單位變換等);然後對來自多個感測器的測量信息進行時間和空間上的融合, 以獲得目標的時空位置、速度等基本狀態信息, 主要工作包括數據校準、互聯、跟蹤、濾波、預測、航跡關聯及航跡融合。 其主要結構有集中式、分散式和混合式 3種。

3)2級:目標身份判斷。 該級需要目標特徵資料庫的支持, 主要對目標身份進行識別，通過對來自多個感測器的目標識別數據進行融合，從而得到對目標身份的聯合估計, 主要包括像素級融合、特徵級融合和判定級融合。6級功能模型將 JDL中 5級功能模型的目標估計分割為目標狀態估計和目標身份判斷 2級。這是因為目標的狀態估計和身份識別在融合特點和研究方法上均存在一定的差別，故放在同一級不是很合適，也會增加融合系統結構工程實現的難度。

4)3級:態勢評估。態勢評估的任務是形成戰場綜合態勢圖。 在這一級，主要根據前一級關於目標位置、身份的融合結果，結合戰場地理、氣象等環境數據，提供敵我兵力部署的基本情況，並把他們聯繫起來，對環境和敵方兵力變化趨勢做出預測 。

5)4級:威脅估計。 威脅估計和態勢評估的過程相似，但更趨向於對敵方兵力和行動於我方部隊、作戰行動的威脅進行預測。 該級融合在態勢評估的基礎上, 在敵作戰單元性能資料庫、作戰條令資料庫的支持下, 對敵的戰術意圖進行判斷, 估計交戰的規模和程度 , 並做出指示和告警。 其主要任務包括:估計 /聚類敵作戰能力、作戰意圖, 判斷威脅時機, 估計潛在有害隨機事件的發生機率, 進行多視圖組合評估。

6)5級:融合管理。 該級用於對數據融合系統本身進行評估、規劃、管理和控制, 是數據融合系統自我管理、自我完善的重要環節。 與 JDL中 5級模型的“效果估計”相比, 該級增加了與探測系統和態勢表示系統的互動。 通過態勢表示系統, 該級收集使用者對生成態勢的意見以及信息需求, 進而對探測系統的空間位置和重點探測區域進行調整, 可為態勢評估和威脅估計收集更豐富、更及時、更準確的信息, 從而滿足 指揮者和作 戰人員對戰 場態勢的需求。

結構

數據融合系統的結構如下：

第1融合區結構

該融合區包含數據預處理和零級聯合檢測。 融合時,由感測器獲取的源數據直接進入第1區進行處理, 融合結果通過通信系統進入第2融合區。 數據預處理和聯合檢測是進行數據融合的前提和基礎, 其質量直接影響著數據融合的速度和質量, 因此數據預處理最好在感測器端進行;而聯合檢測則由探測平台端利用自身感測器獨立進行處理。 聯合檢測採用分散式處理結構，為避免數據通信量過大, 可在各探測平台端進行判定級融合。

第2融合區結構

第2融合區主要進行目標判定, 包括目標的狀態判定和身份判定。 由於未來戰場空間廣闊，地表目標存在明顯的區域性, 而空間目標卻具有全球性, 因此在進行目標判定的同時, 要對目標的區域性和全球性做出判斷, 而後分情況進行分散處理或集中處理, 所以第2區的結構應為分散式和集中式相結合的混合結構 。由於區域範圍具有一定的等級, 因此區域融合節點也有一定的等級，可將其劃分為戰術區域融合節點、戰役區域融合節點和戰略全局融合節點 3個等級。

第 3融合區結構

該融合區主要根據第 2融合區的目標狀態、身份等判定數據, 以及環境數據進行態勢評估和威脅估計。態勢按所涉及的區域可分為全局態勢和局部態勢, 因此態勢評估和威脅估計也應分為戰術、戰役、戰略 3級, 如圖 4 所示。在戰術層面上, 屬於集中式結構;在戰役、戰略層面上, 屬於混合結構。

管理單元的結構

該單元只包括功能模型的第 5級, 其主要功能是對數據融合系統的整體效率進行評估, 最佳化融合算法、融合結構。 該單元將會接觸到數據融合系統的各個層次、階段,甚至需要從態勢表示系統收集信息, 並對信息收集系統造成一定的影響。 要實現該功能, 就需要採用星形結構;為增加結構的魯棒性和容錯性, 不妨將星形結構升級為網路結構。

運行

數據融合系統的運行，包含運行物理基礎和運行機制設計，接下來進行介紹：

系統運行物理基礎

數據融合系統要處理的數據源於探測系統, 遍布於戰場的各級融合節點, 其分布關係是融合系統的運行基礎。

1、融合節點結構

融合節點是融合某一類或某一地域數據的處理單元，每個融合節點均具有以下 3個基本工作：數據校準 (時間、空間校準), 數據互聯, 狀態估計與預測。

2、融合節點分類

融合節點按照數據處理的程度可分為感測器 /作戰單元融合節點、戰術融合節點、戰役融合節點和戰略融合節點。

感測器 /作戰單元融合節點是最基本的融合節點, 其對所觀測到的信息數據進行初始融合, 並得出對所觀測目標的基本判斷。 感測器 /作戰單元融合節點的數據融合範圍僅限於感測器 /作戰單元的感知範圍。戰術融合節點是較高一級的融合節點 , 其數據融合基於戰術範圍內的各感測器 /作戰單元融合節點的融合處理數據, 用於對戰術區域內的目標、態勢及戰術行動受威脅程度做出基本判斷。該數據融合範圍限於本戰術區域，並在感測器 /作戰單元融合節點和戰役融合節點範圍之間。 戰役融合節點是中級融合節點, 其數據融合基於戰役範圍內的各戰術融合節點和戰役級感測器 /作戰單元融合節點的融合處理數據,用於對具有戰役意義的目標、本戰役區域態勢及戰役行動受威脅程度做出基本判斷。 其數據融合範圍限於本戰役區域, 並在戰役融合節點和戰略融合節點之間。 戰略融合節點則是最高級融合節點, 其數據融合基於戰略全局內的各戰役融合節點和戰略感測器 /作戰單元融合節點的融合處理數據, 用於對具有戰略意義的目標、戰略全局態勢及戰略方針受威脅程度做出基本判斷。其數據融合範圍包括整個戰略全局。

3、融合節點的分布

在未來戰爭中，數據融合系統的各級融合節點分布如下。

1)感測器 /作戰單元融合節點廣泛分布於陸、海、空、天各分戰場的各個角落，直接處理作戰相關各類感測器探測到的信息數據。 按其所觀測目標的等級, 感測器 /作戰單元融合節點具有戰術性、戰役性或戰略性, 分別將數據融合結果傳至戰術、戰役或戰略融合節點。

2)戰術融合節點分布於陸、海、空、天各戰術區域, 用於對敵方可能影響我作戰能力、保障能力的陸、海、空等戰術目標進行分析, 並評估局部戰場態勢 , 進行戰術威脅估計。

3)戰役融合節點分布於陸、海、空、天各戰役區域, 其融合信息包括各戰術節點上傳的數據, 以及陸、海、空區域內敵方對我作戰能力、保障能力造成間接威脅的戰役目標、戰役行動信息。

4)在未來作戰中, 考慮處理數據的海量性和重要，戰略融合節點應置於地下工事內, 接收來自各戰役融合節點的態勢數據和由感測器 /作戰單元融合節點探測到的戰略信息數據, 以對戰爭全局態勢進行評估, 對敵作戰行動帶給我方的威脅程度進行估計, 並在必要時對重要的戰略目標進行狀態和身份判定。

運行機制

數據融合系統的運行應按照 “時間空間按級串列, 目標地域按區並舉, 實時管理按需調整”的方式進行。

“時間空間按級串列”是指各級融合節點均需按照先時間校準, 再空間校準, 最後進行數據融合處理的順序進行;而各級間的融合數據流向則需按照 “感測器 /作戰單元—戰術—戰役—戰略”融合節點的順序由低層次向高層次以串聯方式進行數據融合

“目標地域按區並舉”是指同一層次的融合節點對各目標的狀態身份判定, 以及各區域的態勢評估與威脅估計, 要採用並聯的方式同時進行。

“實時管理按需調整”則是管理單元的運行方式。 管理單元根據融合數據的使用效果, 對戰場各級融合節點的性能進行實時評估, 並按照作戰或系統需求, 對各級融合節點的融合功能、範圍、精度、速度進行調整改進, 以得到性能良好、運轉正常、作用明顯的數據融合系統。