船舶編隊(duì)電磁頻譜管理輔助決策模型

船舶編隊(duì)電磁頻譜管理輔助決策模型

船舶編目電磁頻譜管理的智能化海上磁體環(huán)境具有交織性和動態(tài)性特征。受干擾的干擾和環(huán)境干擾的影響，船上的磁體環(huán)境變得越來越復(fù)雜。磁體環(huán)境分析、管理和應(yīng)用的主要內(nèi)容之一。要消除復(fù)雜磁體環(huán)境對船架使用頻率的影響，必須逐步解決相關(guān)問題。其中兩個(gè)問題必須得到解決。首先，設(shè)備級俄羅斯聯(lián)邦譜的使用優(yōu)化。對于船舶系列的磁體行業(yè)的頻率，不僅要考慮不同用途、不同頻率、不同磁體接收特性的用頻率設(shè)備的使用需求和容忍性，還要研究不同組合下船的使用頻率資源和頻率設(shè)備的使用需求，以解決各種干擾設(shè)備的頻率優(yōu)化使用問題。其次，有必要在電氣表的海上定位中改變船架設(shè)備的相對位置，改變磁體設(shè)備的通信環(huán)境。在某一段時(shí)間內(nèi)，譜共存的環(huán)境可能非常糟糕，在另一段時(shí)間內(nèi)，譜共存的環(huán)境可能非常糟糕。因此，我們需要提高船舶集群高頻干擾管理的智能化水平，以及合理配置頻率使用。借鑒基于范例推理(Case-BasedReasoning,CBR)思想,提出了一種基于范例推理和遺傳算法結(jié)合的船舶編隊(duì)電磁頻譜管理輔助決策模型,利用該模型實(shí)現(xiàn)決策功能,對于減少頻譜管理決策失誤、縮短決策過程時(shí)間、提高船舶編隊(duì)電磁頻譜管理能力,具有重要而現(xiàn)實(shí)的意義.1輔助決策模型的設(shè)計(jì)1.1用cbr范式作為新模范場景的輔助決策建議船舶編隊(duì)電磁頻譜管理輔助決策的設(shè)計(jì)思路是:首先將船舶編隊(duì)航行情況分解為不同場景,分析每一具體場景時(shí)船舶編隊(duì)面臨的干擾模式及相應(yīng)的頻譜管理需求,通過頻譜分配算法求解,得到最適宜的管理方案,對確定的典型場景模式逐個(gè)求解后,將場景與對應(yīng)管理方案存入范例庫(CBR數(shù)據(jù)庫).然后把船舶編隊(duì)需要實(shí)施電磁頻譜管理的情形作為新范例場景,先檢索CBR范例庫,通過相似計(jì)算,如果判斷有可用范例,直接將其管理方案作為輔助決策建議方案顯示給船舶編隊(duì)決策者,決策者對方案選擇調(diào)整后下達(dá)至各船;如果判斷沒有可用范例,根據(jù)頻譜管理需求,利用頻譜分配算法模型自動求解,得到的解作為輔助決策建議方案(這一新范例場景及其管理方案,作為新范例存入管理方案范例庫),提供給船舶編隊(duì)決策者選擇調(diào)整后下達(dá).管理方案的內(nèi)容,包括各船用頻設(shè)備的頻率分配、使用時(shí)機(jī)等信息.為增強(qiáng)輔助決策的直觀性,通過頻譜感知檢測與顯示技術(shù),將頻譜態(tài)勢信息在人機(jī)交互屏上顯示.輔助決策模型主要由輔助決策、頻譜感知檢測與顯示、人機(jī)交互三個(gè)模塊構(gòu)成,如圖1所示.其中輔助決策模塊是核心模塊,主要包括三個(gè)算法模型:船舶編隊(duì)頻譜管理需求模型、基于遺傳算法(GeneticAlgorithms,GA)的頻譜分配算法模型和基于CBR的相似檢索算法模型.1.2主要算法模型1.2.1si有干擾的可能在干擾情況下,船舶編隊(duì)電磁頻譜管理的目的,是通過合理分配頻譜使用,確保盡量多的具有較高優(yōu)先級的設(shè)備正常使用.這里包含兩方面的要求:一是確定用頻設(shè)備的優(yōu)先級;二是確保船舶編隊(duì)整體的用頻效果盡可能最佳.設(shè)備的頻率使用優(yōu)先級按以下原則確定:①從設(shè)備使用需求看,使用急需程度高者優(yōu)先;②從設(shè)備使用效能看,使用效能高者優(yōu)先;③從設(shè)備使用時(shí)間看,使用時(shí)間短者優(yōu)先;④從影響其他用頻設(shè)備使用的程度看,影響小者優(yōu)先.設(shè)備優(yōu)先級也就是權(quán)重ω,具體可采用專家打分法獲取具體值.假設(shè)某船舶編隊(duì)有M艘船,每艘船上用頻設(shè)備數(shù)相同,設(shè)為N個(gè),在任務(wù)模式W下,各設(shè)備的優(yōu)先級權(quán)重可用如下矩陣表示:ω=[ω11ω12?ω1Νω21ω22?ω2Ν????ωΜ1ωΜ2?ωΜΝ].(1)式中:ωmn∈,∑ωmn=1,m=1,2,…,M,n=1,2,…,N.船舶編隊(duì)共有M×N個(gè)用頻設(shè)備,設(shè)第i個(gè)設(shè)備Si是第m船的第n個(gè)設(shè)備,權(quán)重ωi=ωmn.在任務(wù)模式W下,Si與其他的M×N-1個(gè)設(shè)備可能在n1個(gè)頻率區(qū)域上存在相互干擾,同時(shí)在n2個(gè)頻率區(qū)域還受到環(huán)境干擾,即對Si來說n1+n2個(gè)頻率區(qū)域存在干擾.只存在一個(gè)干擾時(shí),Si能夠使用,即具有一定的電磁干擾安全裕度為Mi1=PiS+CiF+LiP-PiT-GiT-GiR.(2)式中:PiS是Si的接收機(jī)門限功率;CiF是Si收發(fā)信機(jī)間的響應(yīng)系數(shù);LiP是干擾機(jī)到Si的路徑損耗;PiT是對Si有干擾的發(fā)射機(jī)功率;GiT是對Si有干擾的發(fā)射機(jī)發(fā)射天線在接收天線方向的增益;GiR是Si接收天線在發(fā)射天線方向的增益.當(dāng)存在n1+n2個(gè)干擾時(shí),Si的總電磁干擾安全裕度為Μi=n1+n2∑j=1Μij.(3)Si受干擾后繼續(xù)工作的概率為pi=α/|Mi|.(4)式中:pi∈;α為調(diào)節(jié)系數(shù).Mi<0表示存在潛在干擾,值越小干擾越嚴(yán)重,即Si受干擾后繼續(xù)工作的概率p越低;反之,Mi≥0表示Si能兼容工作.在任務(wù)模式W下,Si具有的優(yōu)先級不同時(shí),Si的總電磁干擾安全裕度Mi的重要性是不一樣的.由于船舶編隊(duì)內(nèi)部的潛在干擾可預(yù)先分析,因此,Si受干擾后能夠繼續(xù)工作的概率pi小于一定的閾值k1時(shí)(通常由環(huán)境干擾導(dǎo)致),即使權(quán)重ωi=1(即必須保證Si使用),由于無法通過編隊(duì)內(nèi)部的電磁頻譜管理來確保Si的使用,故Si的頻譜優(yōu)先級就不必保留.另外,如果Si的優(yōu)先級較低,即Si的權(quán)重ωi小于一定的閾值k2時(shí),即使Si受干擾后能夠繼續(xù)工作的概率pi很大,也不必考慮Si的頻譜使用需求.所以,Si的優(yōu)先排序Ri可表示為設(shè)備優(yōu)先級權(quán)重ωi和受干擾后能夠繼續(xù)工作的概率pi的函數(shù):Ri=f(ωi,pi).(5)設(shè)備優(yōu)先級權(quán)重代表設(shè)備使用的重要性、受干擾后能夠繼續(xù)工作的概率代表設(shè)備使用的可能性,將兩者視為同等重要的因素并將其數(shù)值歸一化處理,則式(4)可簡化(也可以是其他形式)為Ri=ωi+pi.(6)若有Si和Sj,當(dāng)Ri>Rj,則優(yōu)先確保Si的頻譜使用,對Sj采取關(guān)機(jī)、延時(shí)、降低功率等處理措施.通過上述分析,可建立船舶編隊(duì)存在干擾時(shí)的頻譜管理需求數(shù)學(xué)模型為maxΖ=Μ×Ν∑i=1f1(pi)?f2(ωi)?f3(Μi)?(ωi+Ri)s.t.pi=αi/|n1+n2∑j=1Μij|.(7)式中:ωi∈,∑ωi=1;f1(pi)={1pi＞k10pi≤k1;f2(ωi)={1ωi＞k20ωi≤k2;f3(Μi)={0Μi≥01Μi＜0.1.2.2適應(yīng)度函數(shù)的生成GA是模擬生物在自然環(huán)境中遺傳和進(jìn)化過程的一種自適應(yīng)全局優(yōu)化搜索算法.它提供了一種求解優(yōu)化問題的通用框架,有很強(qiáng)的魯棒性,在國內(nèi)外應(yīng)用廣泛.頻譜管理是非線性目標(biāo)函數(shù)的尋優(yōu)問題,運(yùn)用一般的運(yùn)籌學(xué)模型求解,運(yùn)算復(fù)雜、時(shí)間成本太高并且通用性有限,而GA算法具有優(yōu)良的并行搜索能力、運(yùn)算較快并且通用性很好.因此,構(gòu)建基于GA的頻譜分配算法模型,來解決船舶編隊(duì)的電磁頻譜管理需求問題.遺傳算法運(yùn)用的基本流程是:將輔助決策問題轉(zhuǎn)化為目標(biāo)函數(shù),對解的形式進(jìn)行編碼,編碼后的解稱作染色體.隨機(jī)選取n個(gè)染色體構(gòu)成初始種群,再根據(jù)預(yù)定的適應(yīng)度函數(shù)對每個(gè)染色體計(jì)算適應(yīng)值,選擇適應(yīng)值高的染色體進(jìn)行復(fù)制,通過遺傳算子選擇、交叉(重組)、變異,來產(chǎn)生一群新的更適應(yīng)環(huán)境的染色體,形成新的種群.這樣不斷繁殖、進(jìn)化,最后收斂到一個(gè)最適應(yīng)環(huán)境的個(gè)體上,得到問題的最優(yōu)解.其中,最重要的步驟是適應(yīng)度函數(shù)的構(gòu)造.另外,遺傳算法多用于解決約束較少或無約束條件的問題,當(dāng)約束條件較多時(shí)會導(dǎo)致早熟.頻譜分配問題由于約束條件可能較多,有引起早熟的可能性,因此還要考慮如何防止早熟.適應(yīng)度函數(shù)是根據(jù)目標(biāo)函數(shù)確定的,適應(yīng)值總是非負(fù)的,且越大越好.頻譜分配的目標(biāo)函數(shù)是求最大值,與適應(yīng)值變化方向一致,因此可直接將函數(shù)本身作為評價(jià)函數(shù).目標(biāo)函數(shù)到適應(yīng)度函數(shù)的映射形式為Φ(d)=δ(f(τ(d))).(8)式中:d為個(gè)體;τ(d)為個(gè)體的譯碼函數(shù),這里采用M×N+1進(jìn)制編碼,M、N含義同前;f為目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式;δ為變換函數(shù),作用是確保適應(yīng)值為正且最好的個(gè)體其適應(yīng)值最大,因?yàn)槟繕?biāo)函數(shù)非負(fù),可取等值變換,即δ取f(x)=x.為防止早熟,對初始種群中的染色體帶病(不滿足約束條件)基因,采取介入治療的方法使其獲得免疫,從而避免早熟.具體處理方法是:選擇操作前,對每個(gè)染色體的所有基因進(jìn)行檢查,對于不符合約束條件的染色體的基因,按照一定原則局部改造使其符合約束條件,從而獲得免疫.綜上所述,基于GA的頻譜分配算法如下:1)染色體編碼采用M×N+1進(jìn)制編碼(M×N為用頻設(shè)備的總個(gè)數(shù)),編碼長度為船舶編隊(duì)用頻設(shè)備涉及的可用頻段(點(diǎn))總數(shù)n.編碼后的染色體為C1,C2,…,Cn,Ci∈{0,1,…,M×N},Ci=j表示有頻段(點(diǎn))i分配給用頻設(shè)備j,如果頻段(點(diǎn))i沒有分配給用頻設(shè)備,則Ci=0.2)隨機(jī)生成初始種群.3)逐個(gè)檢查初始種群中的染色體基因是否符合約束條件,對染色體帶病基因?qū)嵤┗蛑委熓怪@得免疫,方法如下:當(dāng)檢查染色體有帶病基因時(shí),說明該染色體基因代表的頻段(點(diǎn))分配方案中出現(xiàn)了互擾,通過比較兩個(gè)設(shè)備優(yōu)先排序值Ri、Rj,使權(quán)重相對小的設(shè)備暫時(shí)不工作,即判斷式Ri>Rj是否成立,如果成立,令Ci=1,Cj=0,否則Ci=0,Cj=1.4)將經(jīng)過基因介入治療而獲得免疫的新染色體,與原來初始種群中正常的染色體(無帶病基因)進(jìn)行正常的交叉和變異運(yùn)算后,轉(zhuǎn)到步驟3).5)當(dāng)計(jì)算達(dá)到終止代數(shù)T時(shí),停止運(yùn)算并輸出結(jié)果.1.2.3相似模范篩選船舶編隊(duì)決策者在某種航行場景下,依據(jù)自身的技術(shù)素養(yǎng)及航行海區(qū)特點(diǎn)的要求,所采取的頻譜管理行為,事實(shí)上是基于范例的推理過程.在現(xiàn)實(shí)中,電磁頻譜管理輔助決策要求既有效又快速,為此,利用CBR相似范例檢索快速、范例匹配比較準(zhǔn)確的特點(diǎn),為船舶編隊(duì)決策者提供快速、準(zhǔn)確的電磁頻譜管理輔助決策建議.基于CBR的相似檢索流程如圖2所示.過程描述如下:將船舶編隊(duì)需要進(jìn)行電磁頻譜管理的新任務(wù)作為新范例,對其做特征提取,通過對管理方案范例庫的檢索,如果存在一條或多條相似范例,通過選優(yōu)確定選中的范例,再把被選中范例的管理方案作為輔助決策建議提出;如果不存在相似范例,則利用基于GA的頻譜分配算法模型求解,給出電磁頻譜管理的輔助決策建議.下面重點(diǎn)描述范例的相似檢索算法,檢索匹配算法要能夠快速準(zhǔn)確地找到一個(gè)或多個(gè)與新范例最為相似的范例.這里采用最鄰近法算法,以確定范例之間的相似度,分兩步進(jìn)行相似檢索計(jì)算.首先,計(jì)算新范例與范例之間對應(yīng)的各特征值的相對距離,計(jì)算公式為d(V′r,Vir)=|V′r-VirV′r|.(9)式中:V′r和Vir分別為新范例和范例庫中i范例的第r個(gè)特征值.對船舶編隊(duì)來說,計(jì)算各特征值的相對距離,就是在某個(gè)確定場景下,計(jì)算各設(shè)備優(yōu)先級權(quán)重的相對距離.然后,計(jì)算新范例V′和范例庫中范例Vi的綜合相似度,公式為SD(V′Vi)=1-n∑r=1ωr?d(V′,Vi).(10)式中:ωr為第r個(gè)設(shè)備優(yōu)先級權(quán)重,該權(quán)重由專家給定;n為滿足pi>k1,ωi>k2時(shí)可用設(shè)備的總數(shù).綜合相似度越接近1,說明新范例和范例庫中范例Vi越相似,即越匹配,當(dāng)大于設(shè)定的閾值(例如設(shè)綜合相似度大于0.8)時(shí),對應(yīng)的可選頻譜管理方案,即可作為輔助決策建議輸出,經(jīng)船舶編隊(duì)決策者選擇調(diào)整后,作為頻譜管理方案執(zhí)行.2系統(tǒng)各設(shè)備權(quán)重矩陣的預(yù)處理假定2艘船組成的船舶編隊(duì),每艘船有4個(gè)用頻設(shè)備,在三種場景W1,W2,W3時(shí),需要進(jìn)行電磁頻譜管理.其中,W1,W2為范例場景,W3為新場景.W1時(shí),船舶編隊(duì)各設(shè)備受干擾后繼續(xù)工作的概率矩陣為p1=[0.70.50.80.30.30.50.80.8],各設(shè)備的優(yōu)先級權(quán)重矩陣為ω1=[0.10.20.30.10.200.050.05],取k1=0.3,k2=0.1,因?yàn)閜i>k1,ωi>k2,則船舶編隊(duì)各設(shè)備受干擾后繼續(xù)工作的概率矩陣變?yōu)閜′1=[0.70.50.8000.50.80.8],各設(shè)備的優(yōu)先級權(quán)重矩陣變?yōu)棣亍?=[00.20.300.2000].同樣的,在W2時(shí),p2=[0.50.80.60.40.30.70.60.4]?ω2=[00.20.20.050.10.20.20.05],取k1=0.3,k2=0.1,則p′2=[0.50.80.60.400.70.60.4]?ω′2=[00.20.2000.20.20].W1、W2的頻譜管理方案,由頻譜分配算法模型求解后預(yù)先存入范例庫.在新任務(wù)W3時(shí),p3=[0.60.70.60.30.30.50.80.8]?ω3=[0.10.150.200.10.150.20.1],取k1=0.3,k2=0.1,則p′3=[0.60.70.6000.50.80.8]?ω′3=[00.150.2000.150.20].要得到W3的頻譜管理建議方案,可按1.2.3中式(9)、(10)在CBR范例庫中檢索,先計(jì)算范例之間各特征值的相對距離,然后計(jì)算新范例與范例庫中范例的綜合相似度.綜合相似度閾值假定為0.8,當(dāng)檢索計(jì)算后存在相似范例時(shí),就將選中的相似范例對應(yīng)的頻譜管理方案作為輔助決策建議方案輸出.當(dāng)沒有范例與W3相似時(shí),通過基于GA的頻譜分配算法模型求解,得到頻譜分配輔助決策建議方