淺析信息融合技術(shù)及應(yīng)用

淺析信息融合技術(shù)及應(yīng)用近年來(lái)，由于信息融合技術(shù)充分利用多源數(shù)據(jù)的互補(bǔ)性和電子計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算和智能，提高了信息處理結(jié)果的質(zhì)量而受到廣泛的關(guān)注。信息融合是數(shù)學(xué)、軍事科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、自動(dòng)控制理論、人工智能、通信技術(shù)、管理科學(xué)等多種學(xué)科的交叉和具體運(yùn)用。隨著應(yīng)用系統(tǒng)逐漸擴(kuò)大，所需的功能也越來(lái)越復(fù)雜，使用的傳感器種類也相應(yīng)增多。原先的單一傳感器檢測(cè)技術(shù)已不能滿足要求，多傳感器融合技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。多傳感器融合技術(shù)就是對(duì)同一檢測(cè)對(duì)象，利用各種傳感器檢測(cè)的信息和不同的處理方法以獲得該對(duì)象的全面檢測(cè)信息，從而提高檢測(cè)精度和可靠性。在多傳感器系統(tǒng)中，信息表現(xiàn)為多樣性、復(fù)雜性以及大容量，信息處理不同于單一的傳感檢測(cè)處理技術(shù)，多傳感器信息融合技術(shù)已成為當(dāng)前的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。1．信息融合技術(shù)的根本理論1.1信息融合的定義和根本原理定義：充分利用不同時(shí)間與空間的多傳感器信息資源，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)按時(shí)序獲得的多傳感器觀測(cè)信息在一定準(zhǔn)那么下加以自動(dòng)分析、綜合、支配和使用，獲得對(duì)被測(cè)對(duì)象的一致性解釋與描述，以完成所需的決策和估計(jì)任務(wù)，使系統(tǒng)獲得比它的各組成局部更優(yōu)越的性能而進(jìn)行的信息處理過(guò)程。根本原理：充分利用多個(gè)傳感器資源，通過(guò)對(duì)傳感器及其觀測(cè)信息的合理支配和使用，把多傳感器在空間或時(shí)間上可冗余或互補(bǔ)信息，依據(jù)某種準(zhǔn)那么來(lái)進(jìn)行組合，以獲得被測(cè)對(duì)象的一致性解釋或描述。將信息融合劃分成如下幾個(gè)過(guò)程：對(duì)準(zhǔn)、相關(guān)、濾波、識(shí)別和威脅評(píng)估及態(tài)勢(shì)評(píng)估。圖1多傳感器信息融合處理模型多傳感器信息融合與單傳感器信號(hào)處理相比，單傳感器信號(hào)處理是對(duì)人腦信息處理的一種低水平模仿，不能像多傳感器信息融合那樣有效的利用更多的信息資源，而多傳感器信息融合可以更大程度地獲得被測(cè)目標(biāo)和環(huán)境的信息量。多傳感器信息融合與經(jīng)典信號(hào)處理方法之間也存在本質(zhì)的區(qū)別，關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)融合所處理的多傳感器信息具有更復(fù)雜的形式，而且可以在不同的信息層次上出現(xiàn)。1.2信息融合的分類和結(jié)構(gòu)分類：〔1〕組合由多個(gè)傳感器組合成平行或互補(bǔ)方式來(lái)獲得多組數(shù)據(jù)輸出的一種處理方法，是一種最根本的方式，涉及的問(wèn)題有輸出方式的協(xié)調(diào)、綜合以及傳感器的選擇。在硬件這一級(jí)上應(yīng)用?！?〕綜合信息優(yōu)化處理中的一種獲得明確信息的有效方法?！?〕融合當(dāng)將傳感器數(shù)據(jù)組之間進(jìn)行相關(guān)或?qū)鞲衅鲾?shù)據(jù)與系統(tǒng)內(nèi)部的知識(shí)模型進(jìn)行相關(guān)，而產(chǎn)生信息的一個(gè)新的表達(dá)式?！?〕相關(guān)通過(guò)處理傳感器信息獲得某些結(jié)果，不僅需要單項(xiàng)信息處理，而且需要通過(guò)相關(guān)來(lái)進(jìn)行處理，得悉傳感器數(shù)據(jù)組之間的關(guān)系，從而得到正確信息，剔除無(wú)用和錯(cuò)誤的信息。其目的是對(duì)識(shí)別、預(yù)測(cè)、學(xué)習(xí)和記憶等過(guò)程的信息進(jìn)行綜合和優(yōu)化。結(jié)構(gòu):體系結(jié)構(gòu)可分為集中式、分布式和混合式?！?〕集中式：各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)都送到中央處理器〔融合中心〕進(jìn)行融合處理。這種方法可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間和空間的融合，數(shù)據(jù)處理的精度較高，但對(duì)中央處理器的數(shù)據(jù)處理能力要求高，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，要求有較大的通訊帶寬?！?〕分布式：各個(gè)傳感器對(duì)自己的量測(cè)數(shù)據(jù)單獨(dú)進(jìn)行處理，然后將處理結(jié)果送到融合中心，由融合中心對(duì)各傳感器的局部結(jié)果進(jìn)行融合處理。與集中式相比，分布式處理對(duì)通訊帶寬要求低，計(jì)算速度快，可靠性和延續(xù)性好，但精度沒(méi)有集中式高?！?〕混合式：以上兩種方式的組合，用于大型系統(tǒng)之中。層次結(jié)構(gòu)可分為數(shù)據(jù)層融合、特征層融合和決策層融合?！?〕數(shù)據(jù)層融合是直接在采集到的原始數(shù)據(jù)層上進(jìn)行的融合在各種傳感器的原始測(cè)報(bào)未經(jīng)預(yù)處理之前就進(jìn)行數(shù)據(jù)的綜合和分析這是最低層次的融合?！?〕特征層融合是利用從各個(gè)傳感器的原始信息中提取的特征信息進(jìn)行綜合分析和處理的中間層次過(guò)程.通常所提取的特征信息應(yīng)是原始信息的充分表示量或統(tǒng)計(jì)量，據(jù)此對(duì)多傳感器信息進(jìn)行分類，聚集和綜合?！?〕決策層融合是在信息表示的最高層次上進(jìn)行融合處理。不同類型的傳感器觀測(cè)同一個(gè)目標(biāo)，每個(gè)傳感器在本地完成預(yù)處理，特征抽取，識(shí)別或判斷，以建立對(duì)所觀察目標(biāo)的初步結(jié)論。然后通過(guò)相關(guān)處理，決策級(jí)融合判決，最終獲得聯(lián)合推斷結(jié)果，從而直接為決策提供依據(jù)。圖2信息融合結(jié)構(gòu)形式1.3信息融合的一般方法信息融合的研究?jī)?nèi)容極其豐富，涉及的根底理論也非常廣泛，而信息融合方法是信息融合研究的核心技術(shù)。目前融合方法大致可以分兩類:概率統(tǒng)計(jì)方法和人工智能方法。隨機(jī)類算法有加權(quán)平均法〔最簡(jiǎn)單、最直觀的數(shù)據(jù)融合方法。該方法將一組傳感器提供的冗余信息進(jìn)行加權(quán)平均，結(jié)果作為融合值?！?、卡爾曼濾波法〔用于實(shí)時(shí)融合動(dòng)態(tài)的低層次冗余傳感器數(shù)據(jù)，該方法用測(cè)量模型的統(tǒng)計(jì)特性，遞推決定統(tǒng)計(jì)意義下最優(yōu)融合數(shù)據(jù)合計(jì)?！?、多貝葉斯估計(jì)法〔把每個(gè)傳感器作為一個(gè)貝葉斯估計(jì)，將各單獨(dú)物體的關(guān)聯(lián)概率分布組合成一個(gè)聯(lián)合后驗(yàn)概率分布函數(shù)，通過(guò)使聯(lián)合分布函數(shù)的似然函數(shù)最小，可以得到多傳感器信息的最終融合值?！?、證據(jù)推理〔貝葉斯推理的擴(kuò)充〕、產(chǎn)生式規(guī)那么〔采用符號(hào)表示目標(biāo)特征和相應(yīng)傳感器信息之間的聯(lián)系，與每一個(gè)規(guī)那么相聯(lián)系的置信因子表示它的不確定性程度。當(dāng)在同一個(gè)邏輯推理過(guò)程中，2個(gè)或多個(gè)規(guī)那么形成一個(gè)聯(lián)合規(guī)那么時(shí)，可以產(chǎn)生融合?！车?；而人工智能類那么有模糊邏輯理論〔多值邏輯，使用多值邏輯推理，根據(jù)模糊集合理論的各種演算對(duì)各種命題進(jìn)行合并，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合?！?、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)〔利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)處理能力和自動(dòng)推理功能，即實(shí)現(xiàn)了多傳感器數(shù)據(jù)融合?！?、粗集理論、專家系統(tǒng)等。表1：常用的數(shù)據(jù)融合方法比較2.信息融合的應(yīng)用研究與進(jìn)展多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的應(yīng)用可大致分為軍事應(yīng)用和民事應(yīng)用兩大類。2.1信息融合在軍事上的應(yīng)用軍事領(lǐng)域絕大局部是在敵對(duì)的現(xiàn)實(shí)世界中進(jìn)行的。在敵對(duì)的現(xiàn)實(shí)世界里，被觀測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)根本上是未知的、難以預(yù)測(cè)的或不易確定的，它與傳感器系統(tǒng)之間的關(guān)系是敵對(duì)的、不合作的，它會(huì)利用速度快、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)躲避傳感器的探測(cè)，甚至干擾傳感器的探測(cè)或發(fā)送虛假信息，傳感器獲得的信息可能是不連續(xù)的、間斷的，數(shù)據(jù)率也根本上是不固定的。被觀測(cè)目標(biāo)的這些特點(diǎn)對(duì)信息融合系統(tǒng)提出了較高的要求，如系統(tǒng)要有可變的響應(yīng)特性，快速、精確的信息處理能力，必要時(shí)還要求人工干預(yù)等。軍事應(yīng)用是多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)誕生的源泉，主要用于包括軍事目標(biāo)的檢測(cè)、定位、跟蹤和識(shí)別。這些目標(biāo)可以是靜止的，也可以是運(yùn)動(dòng)的。具體應(yīng)用包括海洋監(jiān)視、空對(duì)空、地對(duì)空防御系統(tǒng)。海洋監(jiān)視系統(tǒng)包括潛艇、魚(yú)雷、水下導(dǎo)彈等目標(biāo)的檢測(cè)、跟蹤和識(shí)別，典型的傳感器包括雷達(dá)、聲納、遠(yuǎn)紅外、綜合孔徑雷達(dá)等?？諏?duì)空、地對(duì)空防御系統(tǒng)的根本目標(biāo)是檢測(cè)、跟蹤、識(shí)別敵方飛機(jī)、導(dǎo)彈和反飛機(jī)武器，典型的傳感器包括雷達(dá)、ESM接收機(jī)、遠(yuǎn)紅外、敵我識(shí)別傳感器、電光成像傳感器等。近些年來(lái)，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的開(kāi)展，軍事斗爭(zhēng)領(lǐng)域不斷出現(xiàn)新情況、新特點(diǎn)，同時(shí)，也進(jìn)一步促進(jìn)了信息融合在軍事領(lǐng)域的開(kāi)展和應(yīng)用，這些新特點(diǎn)主要有：

一是信息化軍事裝備的大量應(yīng)用。近20年來(lái)，世界各主要軍事大國(guó)的軍事裝備信息化的步伐明顯加快，如通信衛(wèi)星、全球定位系統(tǒng)、各種類型的數(shù)據(jù)鏈、預(yù)警機(jī)、網(wǎng)絡(luò)化的指揮通信系統(tǒng)等一大批信息化裝備投入使用，這在客觀上就對(duì)信息融合技術(shù)提出了很高的要求，即要開(kāi)展相應(yīng)的技術(shù)滿足信息融合的需要。

二是傳感器數(shù)量和品種的急劇增加。在信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的大背景條件下，未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)的環(huán)境更加復(fù)雜，敵方作戰(zhàn)武器平臺(tái)不僅呈現(xiàn)出品種多和密度大的特點(diǎn)，而且采用了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)后還具有低可觀測(cè)性的特點(diǎn)，為了能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，不得不裝備和使用各種傳感器，從而也不得不需要使用信息融合技術(shù)。

三是目標(biāo)機(jī)動(dòng)性的提高和武器殺傷力的增強(qiáng)。在實(shí)現(xiàn)裝備信息化的同時(shí)，各種作戰(zhàn)武器平臺(tái)本身的性能也在日益提高，機(jī)動(dòng)性能越來(lái)越強(qiáng)，其攜帶的武器彈藥的殺傷力也越來(lái)越強(qiáng)，這就要求在時(shí)間上能更早地探測(cè)識(shí)別目標(biāo)和具有更快的響應(yīng)速度。

四是人工本錢的增加以及在某些任務(wù)中操作人員危險(xiǎn)性的增加。人的生命是最珍貴的，政治家們?cè)诘竭_(dá)戰(zhàn)爭(zhēng)目標(biāo)的同時(shí)卻越來(lái)越難以承受戰(zhàn)爭(zhēng)中人員的傷亡，這也要求采用信息融合技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制或使用自主式武器系統(tǒng)。

2.2信息融合在民事上應(yīng)用民事領(lǐng)域主要用于機(jī)器人、智能制造、智能交通、醫(yī)療診斷、遙感、刑偵和保安等領(lǐng)域?，F(xiàn)已逐步滲入農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域多傳感器信息融合技術(shù)的開(kāi)展和應(yīng)用引起了工業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)的改變，其已用于智能檢測(cè)系統(tǒng)。機(jī)器人主要使用電視圖像、聲音、電磁等數(shù)據(jù)的融合來(lái)進(jìn)行推理，以完成物料搬運(yùn)、零件制造、檢驗(yàn)和裝配等工作。智能制造系統(tǒng)包括各種智能加工機(jī)床、工具和材料傳送裝置、檢測(cè)和試驗(yàn)裝置以及裝配裝置。目的是在制造系統(tǒng)中用機(jī)器智能來(lái)代替人進(jìn)行智能加工、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。智能交通系統(tǒng)采用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛交通工具的自主道路識(shí)別、速度控制以及定位。在以往的醫(yī)療診斷中出現(xiàn)了更為復(fù)雜而有效的醫(yī)用傳感技術(shù)，如超聲波成像、核磁共振成像和X-射線成像等。將這些傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合能更準(zhǔn)確地進(jìn)行醫(yī)療診斷，如腫瘤的定位與識(shí)別。遙感在軍事和民事領(lǐng)域都有一定的應(yīng)用，可用于監(jiān)測(cè)天氣變化、礦產(chǎn)資源、農(nóng)作物收成等。多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)在刑偵中的應(yīng)用，主要是利用紅外、微波等傳感設(shè)備進(jìn)行隱匿武器、毒品等的檢查。將人體的各種生物特征如人臉、指紋、聲音等進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜诤?，能大幅度提高?duì)人的身份識(shí)別認(rèn)證能力，這對(duì)提高平安保衛(wèi)能力是很重要的。隨著現(xiàn)代遙感技術(shù)的不斷開(kāi)展，已使傳感器空間分辨率、光譜分辨率得到大幅度提高，從而也使數(shù)據(jù)呈海量增加。同時(shí)，也導(dǎo)致了數(shù)據(jù)源的多樣性和復(fù)雜化。因此，如何充分利用這些大量的多傳感器遙測(cè)影像信息，已是遙感領(lǐng)域亟需解決的難題，而遙感影像信息融合技術(shù)作為解決這一瓶頸問(wèn)題的重要理論與方法也日益引起人們的重視。3．信息融合研究中存在的問(wèn)題及開(kāi)展趨勢(shì)3.1信息融合研究存在的問(wèn)題信息融合的絕大局部的研究都是針對(duì)特定的問(wèn)題、特定的對(duì)象、特定的層次，并在此根底上形成所謂的最正確方案。因此信息融合問(wèn)題本身至今未形成一套完整的理論，目前尚存在以下的問(wèn)題:〔1〕未形成根本的理論框架和廣義融合算法:目前，絕大多數(shù)的融合研究皆是針對(duì)特定的應(yīng)用領(lǐng)域的特定問(wèn)題開(kāi)展的，即根據(jù)問(wèn)題的種類，各自建立直觀的融合準(zhǔn)那么，形成最正確融合方案。目前還沒(méi)有建立起一種通用的模型結(jié)構(gòu)與方法，用來(lái)處理多維不確定性的信息，這不利于學(xué)科的開(kāi)展和應(yīng)用領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)?！?〕信息融合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)施還存在許多實(shí)際的問(wèn)題。目前，大多數(shù)信息融合是信息的簡(jiǎn)單合成，并未充分有效地利用多傳感器所提供的冗余信息，融合方法研究也還處于初步階段。而且目前很多研究工作亦是根底研究和仿真性試驗(yàn)，對(duì)于具體實(shí)施階段并沒(méi)有太大的指導(dǎo)意義?！?〕關(guān)聯(lián)二義性是信息融合研究亟待解決的問(wèn)題。進(jìn)行融合處理前必須對(duì)來(lái)自多傳感器的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)，保證所融合的信息是來(lái)自同一觀測(cè)目標(biāo)或事件，以保證融合信息的一致性。如果對(duì)不同目標(biāo)或事件的信息進(jìn)行融合，將難以使系統(tǒng)得出正確的結(jié)論.這就是所謂的關(guān)聯(lián)的二義性問(wèn)題。傳感器測(cè)量的不精確性和干擾等都是引起關(guān)聯(lián)二義性的因素。3.2信息融合的研究方向信息融合技術(shù)涉及傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)通信、人工智能等相關(guān)技術(shù)，尚處在不斷的變化和開(kāi)展過(guò)程中，未來(lái)主要的研究方向應(yīng)包括以下幾方面:〔1〕建立統(tǒng)一的信息融合根本理論和廣義融合模型。雖然信息融合的應(yīng)用研究已如此廣泛，但絕大局部工作都是針對(duì)特定應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的問(wèn)題開(kāi)展的，難以構(gòu)成信息融合這一獨(dú)立學(xué)科所必需的完整理論體系。〔2〕改良融合算法以進(jìn)一步提高融合系統(tǒng)的性能。目前，將模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)化計(jì)算、粗集理論、支持向量機(jī)、小波變換等計(jì)算智能技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，是一個(gè)重要的開(kāi)展趨勢(shì)。如何利用集成的計(jì)算智能方法，提高多傳感器融合的性能是值得深入研究的課題?！?〕人工智能技術(shù)在數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)分類、特征提取、管理和評(píng)估等數(shù)據(jù)融合模型的研究已取得了一些進(jìn)展，但在工程實(shí)現(xiàn)上還有許多問(wèn)題需要處理?！?〕信息融合系統(tǒng)的性能測(cè)試與評(píng)估應(yīng)作為信息融合未來(lái)的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。目前，在實(shí)際中，不同的融合目的有不同的融合評(píng)估準(zhǔn)那么和方法，為了使準(zhǔn)那么具有可檢測(cè)性和可比性，我們希望能夠建立一個(gè)一致、統(tǒng)一的信息融合的評(píng)估體系，對(duì)信息融合效果能夠進(jìn)行實(shí)用的、可比較的、可操作的評(píng)估?！?〕目前盡管信息融合技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于軍事和民事領(lǐng)域，但是都屬于簡(jiǎn)單的應(yīng)用，尚未開(kāi)發(fā)出功能先進(jìn)的集信息獲取、融合、傳感器管理和控制一體化的多傳感器信息融合系統(tǒng)?！?〕開(kāi)發(fā)并行計(jì)算的軟件和硬件，以滿足具有大量數(shù)據(jù)且計(jì)算復(fù)雜的多傳感器融合的要求。信息融合技術(shù)作為一種新的現(xiàn)代信息處理技術(shù)，正在得到越來(lái)越多的關(guān)注。隨著工業(yè)大系統(tǒng)的蓬勃開(kāi)展和未來(lái)信息戰(zhàn)的需求，以及相關(guān)技術(shù)的不斷開(kāi)展，多傳感器信息融合將會(huì)得到更深入的理論研究，也將擁有更廣闊的應(yīng)用前景。我們應(yīng)積極借鑒國(guó)外的研究成果，結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況，積極開(kāi)展該領(lǐng)域的根底理論和應(yīng)用研究。參考文獻(xiàn)：王耀南.計(jì)算智能數(shù)據(jù)處理技術(shù)及其應(yīng)用湖南大學(xué)出版社，1999.18-21.涂小強(qiáng).信息融合的原理與