多传感器信息融合

第3章 通用的数据建模

3.1 本章建模

信息形式:高度迥异且模糊

可用统计形式的数据:雷达提供的数据

不可用统计形式的数据:

  1. 合成孔径雷达图像
  2. 自然语言表示
  3. 从信号中提取的特征
  4. 从知识库中抽取的规则

两种数据:状态估计和观测

四种类型的观测:

  1. 本源明确的精确观测(UGU)
  2. 本源明确的模糊观测(UGA)
  3. 本源模糊的模糊观测(AGA)
  4. 本源模糊的精确观测(AGU)

3.2 不确定性建模种的问题

多确定性的情况:

  1. 多目标引入的不确定性
  2. 虚警引入的不确定性
  3. 不可信而引入的不确定性
  4. 诱骗引入的不确定性
  5. 逃避动坐引入的不确定性
  6. 位置相关性引入的不确定性

不确定性:

  1. 数据本身的不确定性
  2. 生成过程种由随机性和知识局限性大致的各类不确定习性

由知识局限性引入的不确定性:

  1. 不精确性
  2. 模糊性
  3. 不确定性
  4. 偶然性(于规则相伴)

3.3 数据不确定性建模中的问题

观测表示:

  1. 普遍做法:欧氏空间 R m R^m 中的矢量 z z 表示观测

  2. 实际: z z 是一种数学抽象,表示显示世界中一些称作数据的实体。 z z 只不过是实际数据 D D 的模型而已,即 z D z_D ,似然函数的真正形式:

f k + 1 ( D x ) = f k + 1 ( z D x ) f_{k+1}(D|x)=f_{k+1}(z_D|x)

观测:由信源(传感器、专家)发表的有关其观测内容的一种观点

综合数据建模的四个步骤:

  1. 创建可以表示自然界中单个观测的数学抽象
  2. 建模上述抽象过程中任何固有的模糊性
  3. 创建可以表示数据生成过程的随机变量
  4. 建模因对实际数据产生机理缺乏足够知识而引入的任何模糊性

3.4 例子

3.4.1 含有少量不精确性的随机观测

数字电压表:将电压离散为一系列区间并返回某个区间作为度数,由于噪声的存在,返回观测具有一定的随机性。即不确定性包含了不精确性随机性

非线性加性观测模型:
Z = η k + 1 ( x ) + W k + 1 Z=\eta_{k+1}(x)+W_{k+1}
其中: W k + 1 W_{k+1} 为零均值的随机噪声矢量,其概率密度函数为 f W k + 1 ( z ) f_{W_{k+1}}(z)

似然函数
f W k + 1 ( z η k + 1 ( x ) ) f_{W_{k+1}}(z-\eta_{k+1}(x))
z z 表示所得观测,从中起提出状态:
z W k + 1 = η k + 1 ( x ) z-W_{k+1}=\eta_{k+1}(x)
E z E_z 表示一 z z 为中心半径固定的一个极小封闭超球,其体积 E z = ε |E_z|=\varepsilon

精确的随机观测
Z = η k + 1 ( x ) + W k + 1 Z=\eta_{k+1}(x)+W_{k+1}
不精确的随机观测
E Z = E η k + 1 ( x ) + W k + 1 E_Z = E_{\eta_{k+1}(x)+W_{k+1}}
任何采集的已知观测 z z 仅限于某种精确范围,即 z E Z z\in E_Z

定义随机闭子集
Θ Z E Z W k + 1 \Theta_Z \triangleq E_{Z-W_{k+1}}
其表示了于 z z 有关的不确定习性(包含随机性和不确定性)。
f k + 1 ( Θ z x ) P r ( z E X x ) = P r ( η k + 1 ( x ) Θ Z x ) = P r ( W k + 1 E z η k + 1 ( x ) ) = E Z η k + 1 ( x ) f W k + 1 ( ω ) d ω f W k + 1 ( z η k + 1 ( x ) ) ε = f k + 1 ( z x ) ε \begin{aligned} f_{k+1}(\Theta_z|x) &\triangleq Pr(z\in E_X|x) = Pr(\eta_{k+1}(x)\in \Theta_Z|x) \\ &= Pr(W_{k+1}\in E_{z-\eta_{k+1}(x)})\\ &= \int_{E_{Z-\eta_{k+1}(x)}}f_{W_{k+1}(\omega)}d\omega \\ & \approx f_{W_{k+1}(z-\eta_{k+1}(x))}\cdot\varepsilon\\ &= f_{k+1}(z|x)\cdot \varepsilon \end{aligned}
常规似然函数 f k + 1 ( z x ) f_{k+1}(z|x) 看作不同类型观测模型下非常规似然函数 f k + 1 ( Θ Z x ) f_{k+1}(\Theta_Z|x) 的极限情况,其据偶相同的后验概率密度分布。

广义似然函数:
f k + 1 ( Θ x ) P r ( η k + 1 ( x ) Θ ) f_{k+1}(\Theta|x) \triangleq Pr(\eta_{k+1}(x)\in \Theta)
广义似然函数具有高度的非高斯和非线性特性。

3.4.2 含有少量随机的不精确观测

入宫观测故精确但非随机,其包含于中心为 z z 的某区域 B z B_z
f k + 1 ( B z x ) = P r ( η k + 1 ( x ) B z ) = 1 B z ( η k + 1 ( x ) ) f_{k+1}(B_z|x)=Pr(\eta_{k+1}(x)\in B_z)=1_{B_z}(\eta_{k+1}(x))

第4章 基于随机集的不确定表示

4.1 简介

  • 随机集理论与专家系统理论的联系
  • 介绍集中专家系统方法的随机集表示

4.2 论域、事件与事件逻辑

论域(辨识框架):令 U U 为一离散集或连续的无限集

  • U U 中的元素赋予可区分彼此的多种特征
    • 特征是明晰的
    • 任意特征:由 U U 中具有该特征的所有元素组成的子集唯一确定
    • 特征与 U U 的子集(事件)一一对应
    • 可使用普通集合论中的交、并、补操作来组合不同特征
  • 所有事件( U U 的子集)构成布尔代数
    • 交换律
    • 结合律
    • 分配律
    • 德.摩根定律

4.3 模糊集理论

论域 U U 上的一个模糊隶属度函数(模糊事件):在 [ 0 , 1 ] [0,1] 区间上取值的函数 f ( u ) f(u) f ( u ) f(u) 的值表示元素 u u 属于模糊集 f f 的隶属度。

  • 对于某些 u U , f ( u ) = 1 u\in U,f(u)=1 ,则 f f 正常的
  • U U 常规(清晰)子集 S S :由示性函数 1 S ( u ) 1_S(u) 表示

4.3.1 模糊逻辑

模糊逻辑:定义在模糊隶属函数上的三个操作组成

  • 合取 f 1 f 2 f_1 \land f_2
  • 析取 f 1 f 2 f_1 \lor f_2
  • 取余 f c f^c

满足定律:

  • 交换律
    • f 1 f 2 = f 2 f 1 f_1 \land f_2 = f_2 \land f_1
    • f 1 f 2 = f 2 f 1 f_1 \lor f_2 = f_2 \lor f_1
  • 结合律
    • ( f 1 f 2 ) f 3 = f 1 ( f 2 f 3 ) (f_1 \land f_2)\land f_3 = f_1 \land (f_2 \land f_3)
    • ( f 1 f 2 ) f 3 = f 1 ( f 2 f 3 ) (f_1 \lor f_2) \lor f_3 = f_1 \lor ( f_2 \lor f_3)
  • 德.摩根定律
    • ( f 1 f 2 ) c = f 1 c f 2 c (f_1 \land f_2 )^c = f_1^c \lor f_2^c
    • ( f 1 f 2 ) c = f 1 c f 2 c (f_1 \lor f_2)^c = f_1^c \land f_2^c

模糊逻辑类型

  • 扎德逻辑(唯一满足分配律的模糊逻辑)
    • ( f 1 f 2 ) ( u ) min { f 1 ( u ) , f 2 ( u ) } (f_1 \land f_2)(u) \triangleq \min \{f_1(u),f_2(u)\}
    • ( f 1 f 2 ) ( u ) max { f 1 ( u ) , f 2 ( u ) } (f_1 \lor f_2)(u) \triangleq \max \{f_1(u),f_2(u)\}
  • 乘和逻辑
  • 幂零逻辑

4.3.2 模糊事件的随机集表示

定义 Σ \Sigma 表示论域 U U 的随机子集,Goodman的点覆盖函数 μ Σ \mu_{\Sigma} 定义为:
μ Σ ( u ) P r ( u Σ ) \mu_{\Sigma}(u) \triangleq Pr(u\in \Sigma)

  • 论域 U U 上的一个模糊隶属函数:等于 Σ \Sigma 的所有包含 u u 的实例的概率之和。

定义 f ( u ) f(u) 为一模糊隶属函数, A A [ 0 , 1 ] [0,1] 区间上均匀分布的随机数,则 f f 同步随机集如下:
Σ A ( f ) { u A f ( u ) } \Sigma_A(f) \triangleq \{u|A\le f(u)\}
其中, a [ 0 , 1 ] \forall a \in [0,1] ,子集$\Sigma_a(f) \subseteq U f 的水平集,其中函数 f a$定义的超平面剪切。

由于 A A 服从均匀分布 [ 0 , 1 ] [0,1] ,因而
μ Σ A ( f ) ( u ) = P r ( u Σ A ( f ) ) = P r ( A f ( u ) ) = 0 1 P r ( A = a , a f ( u ) )   d a = 0 1 P r ( a f ( u ) A = a ) P r ( A = a )   d a = 0 1 P r ( a f ( u ) A = a ) 1   d a = f ( u ) \begin{aligned} \mu_{\Sigma_A(f)}(u)=Pr(u\in\Sigma_A(f))&=Pr(A\le f(u)) \\ &=\int_0^1 Pr(A=a,a\le f(u))\ da \\ &=\int_0^1 Pr(a\le f(u)|A=a) \cdot Pr(A=a)\ da \\ &=\int_0^1 Pr(a\le f(u)|A=a)\cdot 1\ da \\ &=f(u) \end{aligned}

  • 随机集 Σ A ( f ) \Sigma_A(f) :如实封装了**模糊隶属函数 f f 中包含的信息,通过随机变量 A A **附加了随机因素。

  • 随机集 Σ A ( f ) \Sigma_A(f) :实例依集合包含关系线性有序。

  • 随机集 Σ A ( f ) \Sigma_A(f) :表示的是一种确定性的观测,假设 ϕ \phi 是一个随机的模糊隶属度函数,其随机集模型为

Σ A ( ϕ ) \Sigma_A(\phi)
A = a , ϕ = f \forall A = a,\phi = f Σ a ( f ) \Sigma_a(f) Σ A ( ϕ ) \Sigma_A(\phi) 的一个可能的实例。

  • 随机集的每个实例可视作模糊概念的一种解释
  • 由随机数 A A 在各种可能的解释中进行选择

4.3.3 有限水平模糊集

f ( u ) f(u) 的取值限定在有限个数值 0 l 1 < l e 1 0\le l_1 \le \cdots < l_e \le 1 上时,得到一种有用的特例。

下图中随机集 Σ A ( f ) = { u A f ( u ) } \Sigma_A(f)=\{u|A\le f(u)\} 只存在有限个实例。令
S i { u l i f ( u ) } , i = 1 , , e S_i \triangleq \{u|l_i \le f(u) \}, \quad i=1,\cdots,e

  1. 对于 0 a l 1 0\le a \le l_1 ,有 Σ a ( f ) = S 1 \Sigma_a(f)=S_1
  2. 对于 l 1 < a l 2 l_1 <a \le l_2 ,有 Σ a ( f ) = S 2 \Sigma_a(f)=S_2
  3. 对于 l e 1 < a 1 e l_{e-1} < a \le 1_e ,有 Σ a ( f ) = S e \Sigma_a(f)=S_e
  4. 对于 l e < a 1 l_e < a \le 1 ,有 Σ a ( f ) = \Sigma_a(f)=\emptyset
  • 随机集 σ A ( f ) \sigma_A(f) 仅存在有限个实例(离散的)
  • 实例依集合包含关系线性有序,即 S 1 S e S_1 \supset \cdots \subset S_e 协调的

由离散协调随机子集构造有限水平模糊隶属函数

  • Σ \Sigma U U 中的一离散协调随机子集,对 i = 1 , , e + 1 P r ( Σ = T i ) = p i i=1,\cdots,e+1,Pr(\Sigma=T_i)=p_i ,而且 T 1 T e T e + 1 = T_1 \supset \cdots \supset T_e \supset T_{e+1}=\emptyset ,可构造一个与之唯一对应的有限水平模糊隶属函数,则

μ Σ ( u ) = P r ( u Σ ) = i = 1 e + 1 P r ( Σ = T i , u T i ) = i = 1 e + 1 p i 1 T i ( u ) \mu_{\Sigma}(u)=Pr(u\in\Sigma)=\sum_{i=1}^{e+1} Pr(\Sigma=T_i,u\in T_i)=\sum_{i=1}^{e+1} p_i \cdot 1_{T_i}(u)
​ 对于 i = 1 , , e + 1 i=1,\cdots,e+1 ,定义 w i = p 1 + + p i w_i=p_1+\cdots + p_i ,则
u T i T i + 1 u Σ ( u ) = w i u\in T_i - T_{i+1} \Leftrightarrow u_{\Sigma}(u)=w_i

4.3.4 联项模糊逻辑

定义 A A A A^` 区间上两个均匀分布的随机数,其联项可定义为:
a A , A a = P r ( A a , A a ) , 0 a , a 1 a\land_{A,A^{'}}a^{'}=Pr(A\le a,A^{'}\le a^{'}),\quad 0\le a,a^{'}\le 1

  • 联项算子完全描述随机数之间的统计相关性

Sklar定理表明:存在 [ 0 , 1 ] [0,1] 在区间上均匀分布的随机数 A , A A,A^{'} ,可是下列对所有的 x , x x,x^{'} 成立:
P ( x , x ) = P ( x ) A , A P ( x ) P(x,x^{'})=P(x)\land_{A,A^{'}}P^{'}(x^{'})

其中,单变量 x , x x,x^{'} 的统计特性描述为累计分布 P ( x ) , P ( x ) P(x),P^{'}(x^{'})

4.4 广义模糊集理论

广义模糊集理论为模糊集理论提供一个概率基础,令 I [ 0 , 1 ] I \triangleq [0,1] ,定义
U = U × I U^*=U\times I
将** U U^* 的任意子集称作广义模糊集**,其构成一个布尔代数。

如果 f ( u ) f(u) U U 的一个模糊隶属函数,下式定义一个广义模糊集
W f { ( u , a ) a f ( u ) } W_f \triangleq \{(u,a)|a \le f(u)\}
每个广义模糊集可生成模糊隶属度函数(积分存在)
μ W ( u ) 0 1 1 W ( u , a )   d a \mu_W(u)\triangleq \int_0^1 1_W(u,a)\ da

μ W f ( u ) = 1 a f ( u ) ( u , a )   d a = 0 f ( u ) d a = f ( u ) \mu_{W_f}(u)=\int 1_{a\le f(u)(u,a)} \ da=\int_0^{f(u)}da=f(u)

4.4.1 广义模糊事件的随机集表示

如果 A A I I 上均匀分布的一随机数, W U W \subseteq U^* 表示广义模糊集, U U 的随机子集 Σ A ( W ) \Sigma_A(W) 定义为
Σ A ( W ) { u ( u , A ) W } \Sigma_A(W) \triangleq \{u|(u,A)\in W \}
Σ A ( W ) \Sigma_A(W) 追踪了一个多值函数的水平集。

4.5 Dempster-Shafer理论

基本质量赋值(b.m.a):定义在子集 u U u\subseteq U

  • 除有限数目的子集(称作 m m 的焦元)外,其他所有子集 U , m ( U ) = 0 U,m(U)=0

  • U m ( U ) = 1 \sum_{U}m(U)=1

  • m ( ) = 0 m(\emptyset)=0

  • 解释 m ( U ) m(U) :假设 U U 的置信度

  • 假设 U = U U=U :表示完全不确定(空假设)

基本概率赋值:由 U U 的有限个子集 U 1 , , U d U_1,\cdots,U_d 组成,各自有非零质量 m 1 , , m d m_1,\cdots,m_d ,且 m 1 + + m d = 1 m_1+\cdots+m_d=1 ,对于 i = 1 , , d m ( U i ) = m i i=1,\cdots,d,m(U_i)=m_i ,若 U U i U\neq U_i ,则 m ( U ) = 0 m(U)=0

信任函数
B e l m ( U ) V U m ( V ) Bel_m (U) \triangleq \sum_{V \subseteq U} m(V)
似真函数
P l m ( U ) 1 B e l m ( U c ) = V U m ( V ) Pl_m (U) \triangleq 1 - Bel_m (U^c)=\sum_{V \cap U \neq \empty}m(V)
共性函数
Q m ( U ) V U m ( V ) Q_m(U) \triangleq \sum_{V \supseteq U} m(V)

4.5.1 Dempster组合

假定两个b.m.a相互独立(某种意义),采用以下对其进行融合
( m 1 m 2 ) ( U ) α 1 U 1 U 2 = U m 1 ( U 1 ) m 2 ( U 2 ) ( m 1 m 2 ) ( ) 0 \begin{aligned} (m_1 \oplus m_2)(U) &\triangleq \alpha^{-1} \sum_{U_1 \cap U_2 = U}m_1(U_1) \cdot m_2(U_2) \\ (m_1 \oplus m_2)(\empty) &\triangleq 0 \end{aligned}
其中,一致性因子 α \alpha 非零,组合 m 1 m 2 m_1 \oplus m_2 才有意义,即:
α U 1 U 2 m 1 ( U 1 ) m 2 ( U 2 ) 0 \alpha \triangleq \sum_{U_1 \cap U_2 \ne }m_1(U_1)\cdot m_2(U_2)\ne 0

融合可表示为一种类似贝叶斯规则的关系
( m 1 m 2 ) ( { u } ) L m 1 ( u ) m 2 ( { u } ) (m_1 \oplus m_2)(\{u\})\propto L_{m_1}(u)\cdot m_2 (\{u\})
其中, L m 1 ( u ) U u m 1 ( U ) L_{m_1}(u) \triangleq \sum_{U \ni u}m_1(U) ,以元素为主体改变表达式。

m 1 m_1 的焦集全是孤元集,则
( m 1 m 2 ) ( u ) m 1 ( u ) m 2 ( u ) (m_1 \oplus m_2)(u) \propto m_1(u)\cdot m_2(u)
如果将 m 1 m_1 m 2 m_2 视作后验概率分布,下式为贝叶斯规则的一种特殊情况 :贝叶斯平行组合
( P 1 q P 2 ) p 1 ( u ) p 2 ( u ) q ( u ) 1 (P_1 \oplus_q P_2) \propto p_1(u)\cdot p_2(u) \cdot q(u)^{-1}
其中: p 1 ( u ) p_1(u) p 2 ( u ) p_2(u) 为条件独立的两个后验分布,它们具有共同的先验分布 q ( u ) q(u) ,且先验分布 q ( u ) q(u) 服从均匀分布。

4.5.1.1 未归一化Dempster组合

未归一化组合:
( m 1 m 2 ) ( U ) U 1 U 2 = U m 1 ( U 1 ) m 2 ( U 2 ) (m_1 \cap m_2)(U) \triangleq \sum_{U_1 \cap U_2 = U}m_1(U_1)\cdot m_2(U_2)
称作广义基本概率赋值(广义b.m.a)

4.5.1.2 修正的Dempster组合

目的:解决非均匀先验下Dempster规则失效问题

修正的Dempster组合
m 1 m 2 ) ( U ) α 1 U 1 U 2 = U m 1 ( U 1 ) m 2 ( U 2 ) α q ( U 1 , U 2 ) (m_1 \oplus m_2)(U)\triangleq \alpha^{-1}\cdot \sum_{U_1 \cap U_2 =U}m_1(U_1)\cdot m_2(U_2)\cdot \alpha_q(U_1,U_2)
修正的一致性因子不为零:
α U 1 , U 2 m 1 ( U 1 ) m 2 ( U 2 ) q ( U 1 U 2 ) q ( U 1 ) q ( U 2 ) \alpha \triangleq \sum_{U_1,U_2}m_1(U_1)\cdot m_2(U_2)\cdot \frac{q(U_1 \cap U_2)}{q(U_1)\cdot q(U_2)}
其中 q ( U ) u U q ( u ) q(U) \triangleq \sum_{u\in U} q(u)

如果 m 1 m_1 m 2 m_2 的焦集全为孤元集则:
( m 1 m 2 ) ( u ) m 1 ( u ) m 2 ( u ) q ( u ) 1 (m_1 \oplus m_2)(u) \propto m_1(u)\cdot m_2(u)\cdot q(u)^{-1}

4.5.4 不确定事件的随机集表示

定义 U U 的随机子集 Σ m \Sigma_m
P r ( Σ m = U ) = m ( U ) Pr(\Sigma_m=U)=m(U)
则** Σ m \Sigma_m m m 的随机集表示**。

信任函数、似真函数和共性函数依概率重新定义为:
B e l m ( U ) = P r ( Σ m U ) P l m ( U ) = P r ( Σ m U ) Q m ( U ) = P r ( Σ m U ) \begin{aligned} Bel_m(U)&=Pr(\Sigma_m \subseteq U)\\ Pl_m(U)&=Pr(\Sigma_m \cap U \ne \emptyset)\\ Q_m(U)&=Pr(\Sigma_m \supseteq U) \end{aligned}
如果 Σ m 1 \Sigma_{m_1} Σ m 2 \Sigma_{m_2} 统计独立,且 P r ( Σ m 1 Σ m 2 ) Pr(\Sigma_{m_1} \cap \Sigma_{m_2} \ne \emptyset) ,则Dempster规则的概率解释为:
( m 1 m 2 ) = P r ( Σ m 1 Σ m 2 = U Σ m 1 Σ m 2 ) (m_1 \oplus m_2)=Pr(\Sigma_{m_1} \cap \Sigma_{m_2} = U|\Sigma_{m_1} \cap \Sigma_{m_2} \ne \emptyset)

4.6 模糊Dempster-Shafer理论

  • 对模糊集的隶属函数进行质量赋值,将普通b.m.a推广到模糊b.m.a
  • 一个模糊b.m.a:是定义在论域 U U 上的隶属度函数 f f 上的非负函数,满足:
    • 除了有限数目的的 f f 外,对其他所有 f f ,有 m ( f ) = 0 m(f)=0
    • f m ( f ) = 1 \sum_f m(f)=1
    • m ( ) = 0 m(\emptyset)=0
  • 一个模糊b.m.a:由 U U 的有限个模糊隶属度函数 f 1 , , f d f_1,\cdots,f_d 组成,它们各自赋予非零质量 m 1 , , m 2 m_1,\cdots,m_2 ,且 m 1 + + m d = 1 m_1 + \cdots + m_d =1

4.6.1 模糊DS证据的随机集表示

  • f 1 , f e f_1 \cdots,f_e 为一系列系列模糊隶属函数,它们的权值 o i = o ( f i ) > 0 o_i=o(f_i)>0
  • 广义模糊函数集 W f = { ( u , a ) a f ( u ) } W_f=\{(u,a)|a \le f(u) \} 表示模糊隶属函数 f f
  • 表示模糊DS证据 o o
    • 将区间 I = [ 0 , 1 ] I=[0,1] 划分为 e e 长度分别为 o 1 , , o e o_1,\cdots,o_e 的子区间 I 1 , , I e I_1,\cdots,I_e
    • 压缩集合 W f i W_{f_i} ,直到其正好包含于 U × I i U\times I_i ,得到一个克表示 f i f_i 的广义模糊子集 W i W_i ,且不同的 W i W_i 是互斥的

4.7 推理规则

4.7.1 规则的概念

基于规则的推理

  • 根据假言推理(逻辑法则)
  • 过程:在观测到前提事件 X X 后,从知识库中凑趣合适的规则 X S X\to S ;然后触发该规则并推断出结果事件 S S 以及 S X S\cap X

清晰规则

  • 一阶规则

X S = " X , S " X\to S="如果X,则由、有S"

  • 复合规则:允许在两个备择规则中选择

( X 1 S 1 ) ( X 2 S 2 ) (X_1 \to S_1)或(X_2 \to S_2)

  • 二阶规则:如果规则1成立,则规则2成立

( X 1 S 1 ) ( X 2 S 2 ) (X_1 \to S_1) \to (X_2 \to S_2)

模糊规则:与清晰规则相同形式,只是其前提和结果都是模糊隶属度函数

  • 模糊的一阶规则
  • 模糊的复合规则
  • 模糊的二阶规则

第5章 UGA观测

5.1 本章简介

广义观测的形式化贝叶斯建模

本源明确的模糊观测

  • 观测建模本身包含模糊性
  • 观测和目标状态的关系用精确的传感器转换模型描述

例子

  • 操作员从合成孔径雷达图像中提取轮胎数 n n 的特征
  • 目标类型 v v 与其轮胎数 n n 的关系 n = η ( v ) n=\eta(v) 先验已知
  • 假设 n n 可能的取值为 n = 1 , , 8 n=1,\cdots,8 广义观测 Θ \Theta 为集合 0 = { 1 , , 8 } \Im_0=\{1,\cdots,8\} 的随机子集
  • 广义观测模型 η ( v ) Θ \eta(v) \in \Theta 表示数据模型 Θ \Theta 与特征 η ( v ) \eta(v) 间的匹配关系
  • 广义似然函数 f ( Θ v ) = P r ( v Θ ) f(\Theta|v)=Pr(v\in \Theta) 对广义观测模型的度量

5.1.1 符号表示

目的:让结论同时适用于连续空间和有限空间

目标状态空间:欧氏空间 R N \R^N 和有限集 C C 的笛卡尔积 R N × C \R^N \times C ,其积分如下
S f ( x ) d x c 1 S ( u , c ) f ( u , c ) d u \int_S f(x)dx \triangleq \sum_c \int 1_S(u,c)\cdot f(u,c)du
基本观测空间:欧氏空间 R M \R^M 和有限集 D D 的笛卡尔积 R M × D \R^M \times D ,其积分如下
T g ( z ) d z e 1 T ( v , e ) g ( v , e ) d v \int_T g(z)dz \triangleq \sum_e \int 1_T(v,e)\cdot g(v,e)dv
实际观测空间:基本观测空间的所有随机闭子集构成的集合系。

当前时刻的广义似然函数
f ( Θ x ) f k + 1 ( Θ x ) f(\Theta|x) \triangleq f_{k+1}(\Theta|x)

5.2 UGA观测的概念

  • 构造有关观测内容的某种解释或观点:由知识局限性引入的任何不确定性

5.2.1 UGA观测建模

  • 精确的确定性矢量观测 z z (最简单的观测)
  • 随机矢量观测 Z Z (对 z z 随机化)
  • 非精确观测(非统计性模糊性
    • 数据源不能确定 z z 的精确值,只能确定其属于某个观测集 O O ,集合 O O 才是正确的观测量
  • 随机非精确观测:对 O O 做随机化,比如给位置、尺度等变量加入随机性
  • 模糊观测:考虑单约束 O O 可能引起的错误,数据源可指定一系列嵌套集合 O 0 O 1 O e O_0 \subset O_1 \subset \cdots O_e 作为备择约束,每个约束的置信度为 o i 0 o_i \ge 0 ,且 o 1 + + o e = 1 o_1 + \cdots + o_e =1 。约束及其置信度权值构成实际的观测。
    • 模糊:嵌套集合约束的规范
    • DS意义下的不确定性:视作模糊概念的推广,各个假设分量间无需再满足嵌套关系
      • 对 有限个子集 O O P r ( Θ = 0 ) = o ( O ) Pr(\Theta=0)=o(O)
    • 随机不确定性观测:随机化所有参数

5.2.2 观测生成过程的建模

  • 状态-观测的转换模型

z = η ( x ) η k + 1 ( x ) z=\eta(x) \triangleq \eta_{k+1}(x)

定义 称模糊观测 Θ \Theta 与数据生成模型 η ( x ) \eta(x) 相合的
η ( x ) Θ \eta(x) \in \Theta

5.3 UGA观测的似然函数

定义 广义观测 Θ \Theta 广义似然函数
f ( Θ x ) P r ( η ( x ) Θ ) f(\Theta|x) \triangleq Pr(\eta(x) \in \Theta )

  • 广义似然函数的积分可能为无穷,所以叫广义的

第6章 AGA观测

6.1 本章简介

  • 观测建模本身包含模糊性(涉及操作员的解释过程)
  • 观测方程 η ( x ) \eta(x) 本身也是模糊的(很难精确描述,无法用函数关系明确定义)

6.2 AGA观测的定义

η ( x ) \eta(x) 的已知信息只局限于某种约束 η ( x ) H 0 , x \eta(x)\in H_{0,x} η ( x ) \eta(x) 的取值为集合,即 η ( x ) = H 0 , x \eta(x)=H_{0,x} ,有时需要指定一系列嵌套约束 H 0 , x H 1 , x H e , x H_{0,x} \subset H_{1,x} \subset \cdots \subset H_{e,x} ,其中 H i , x H_{i,x} 是正确约束的概率为 η i , x \eta_{i,x}

定义 η ( x ) = Σ x \eta(x)=\Sigma_x P r ( Σ = H i , x ) = η i , x Pr(\Sigma=H_{i,x})=\eta_{i,x} , Σ x \Sigma_x 可以是任意随机闭子集。

6.3 AGA观测的似然函数

表示观测 Θ \Theta 和广义模型 η ( x ) = Σ x \eta(x)=\Sigma_x 的匹配关系
f ( Θ x ) = P r ( Σ x Θ ) f(\Theta|x)=Pr(\Sigma_x \in \Theta)
Σ x \Sigma_x 的模糊程度较大,回出现性能的不稳健情况,使用松弛模型:
f ( Θ x ) P r ( Θ Σ x ) f(\Theta|x) \triangleq Pr(\Theta \cap \Sigma_x \ne \emptyset)

  • 广义观测 Θ \Theta 和广义模型 Σ x \Sigma_x 只要不完全矛盾,二者就可相互匹配。

6.3.1 情景一: Θ \Theta Σ x \Sigma_x 均为模糊型

假定:传感器变换模型合观测均是模糊的
Σ x = Σ A ( η ( x ) ) Θ g = Σ A ( g ) \begin{aligned} \Sigma_x&=\Sigma_A(\eta(x))\\ \Theta_g&=\Sigma_A(g) \end{aligned}
其中: A A [ 0 , 1 ] [0,1] 区间上均匀分布的随机数。

定义 g g 的广义似然 f ( g x ) f(g|x)
f ( g x ) P r ( Θ g Σ x ) f ( g x ) = sup z min { g ( x ) , η x ( z ) } \begin{aligned} f(g|x)&\triangleq Pr(\Theta_g \cap \Sigma_x \ne \emptyset) \\ f(g|x)&=\sup_{z} \min\{g(x),\eta_x(z)\} \end{aligned}

6.3.2 情景二: Θ \Theta Σ x \Sigma_x 均为广义模糊型

假设:传感器变换模型合观测均为广义模糊
Σ x = Σ A ( W x ) Σ W = Σ A ( W ) \begin{aligned} \Sigma_x&=\Sigma_A(W_x)\\ \Sigma_W&=\Sigma_A(W) \end{aligned}
定义 g g 的广义似然 f ( g x ) f(g|x)
f ( W x ) P r ( Θ W Σ x ) f ( W x ) = sup z 0 1 1 W ( z , a ) 1 W x ( z , a ) d a \begin{aligned} f(W|x)&\triangleq Pr(\Theta_W \cap \Sigma_x \ne \emptyset) \\ f(W|x)&=\sup_{z} \int_0^1 1_W(z,a)\cdot1_{W_x}(z,a)da \end{aligned}

6.3.3 特例三: Θ \Theta Σ x \Sigma_x 均为DS型

假设:

  • o ( O ) o(O) 为DS型观测
  • σ x ( O ) \sigma_x(O) 为目标状态为 x x 的条件下与观测生成过程有关的模糊型
  • Θ o \Theta_o o o 的随机集表示
  • Σ x \Sigma_x σ x \sigma_x 的随机集表示

o o 的广义似然
f ( o x ) P r ( Θ 0 Σ x ) = O , O P r ( Θ o = O , Θ x = O , O O ) = O O P r ( Θ o = O ) P r ( Θ x = O ) = O O o ( O ) σ x ( O ) = α D S ( o , σ x ) \begin{aligned} f(o|x)&\triangleq Pr(\Theta_0 \cap \Sigma_x \ne \emptyset)\\ &=\sum_{O,O^{'}}Pr(\Theta_o = O,\Theta_x = O^{'},O\cap O^{'}\ne \emptyset)\\ &=\sum_{O\cap O^{'}\ne \emptyset}Pr(\Theta_o = O) \cdot Pr(\Theta_x = O^{'})\\ &=\sum_{O\cap O^{'}\ne \emptyset} o(O)\cdot \sigma_x(O^{'})\\ &=\alpha_{DS}(o,\sigma_x) \end{aligned}

6.3.4 特例四: Θ \Theta Σ x \Sigma_x 均为模糊Ds型

假设:

  • o ( g ) o(g) 为模糊DS观测
  • σ x ( g ) \sigma_x(g) 为慕白哦状态 x x 的条件下与观测生成过程有关的模糊性
  • Θ o = Σ A ( W o ) \Theta_o=\Sigma_A(W_o) o o 的随机集模型
  • Σ x = Σ A ( W σ x ) \Sigma_x=\Sigma_{A^`}(W_{\sigma_x}) σ x \sigma_x 的随机集模型

o o 的广义似然
f ( o x ) P r ( Θ o Σ x ) = α F D S ( o , σ x ) \begin{aligned} f(o|x) &\triangleq Pr(\Theta_o \cap \Sigma_x \ne \emptyset)\\ &=\alpha_{FDS}(o,\sigma_x) \end{aligned}

其中, α o , o \alpha_{o,o^`} 表示两个模糊b.m.a的一致性

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