现代检测技术151传感器网络与多源信息融合

无线传感器网络与多源信息融合自动检测技术2012/04/05无线传感器网络概述多源信息融合理论WSN中的信息融合15.1.1无线传感器网络(WSN)WSN概述WSN的体系结构WSN的应用关键技术WSN概述无线传感器网络（wirelesssensornetwork,WSN）就是由部署在检测区域内大量的廉价无线传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。构成WSN的三要素：传感器、感知对象、观察者。WSN的构成任务管理中心InternetInternet、卫星或移、卫星或移动通信网络等动通信网络等汇聚节点监测区域传感器节点WSN概述（续）影响力☆美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展报告中将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。☆传感器网络被列为未来3大高科技产业一。☆美国的《技术评论》将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术。☆《商业周刊》预测的未来4大新技术中，无线传感器网络也列入其中等。历史以及发展现状国外：起源于美国，根源可追溯到1978年由国防部高级研究计划署（DARPA）在卡内基-梅隆大学发起的分布式传感器研讨会。具有代表性的项目包括：1993-1999年间由美国国防高级研究计划署(DARPA)资助，加州大学洛杉矶分校(UCLA)承担的WINS项目；1999-2001年间由DAPRA资助UCBerkeley承担的SmartDust项目。历史以及发展现状（续）1998-2002年DARPA资助，加州大学伯克利分校等25个机构联合承担的SensIT计划；1999-2004年间海军研究办公室的SeaWeb计划等。国内：中国的一些研究机构近年开始研究：中国科学技术大学、清华大学、中科院计算所、上海交通大学、上海微系统所、以及湘潭大学等研究单位。历史以及发展现状（续）之所以国内外都投入巨资研究机构纷纷开展无线传感器网络的研究，很大程度归功于其广阔的应用前景和对社会生活的巨大影响。WSN的体系结构传感器节点结构WSN的体系结构（续）传感器网络协议栈WSN的特征☆与无线网络的区别传感器网络集成了监测、控制以及无线通信的网络系统节点数目庞大（上千甚至上万），分布密集能量、处理能力、存储能力、通信能力有限。因环境和能量的耗尽，容易出现故障节点通常固定不动。不同于传统无线网络的高服务质量和高效的带宽的利用，节能是其设计的首要考虑因素。WSN的特征（续）☆节点的限制※电池能量有限※通信能力有限能量消耗和通信距离关系E正比于d^n.{2n4}※计算和存储能力有限WSN的特征（续）☆传感器网络的特点：大规模网络自组织网络动态性网络可靠性网络应用性相关的网络以数据为中心的网络WSN的应用☆军事上的应用传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此非常适合军事上的应用。通过飞机或炮弹直接将传感器节点散播到敌方阵地内部，或者在公共隔离带部署传感网络，就能隐蔽而且近距离的准确收集战场信息。例:传感器网络已经成为美军事C4ISRT系统必不可少的一部分。WSN的应用（续）☆环境观测和预报系统可以用于检视农作物灌溉情况、土壤空气情况、牲畜和家禽的环境状况和大面积的地表监测、气象和地理研究、洪水监测等。例：ALERT系统中就有用于监测降雨量、河水水位和土壤水分，并依此预测爆发山洪的可能性。WSN的应用（续）☆医疗护理用于人体的各种生理数据，跟踪和监控医院内医生和患者的行动，医院的药物管理等。例：一个可以成像的特殊发送器芯片与精巧设计的超低功率无线技术结合，就可以实现可用于一个胃肠道诊断的微型吞服摄像胶囊。患者吞下维C片大小的成像胶囊后，胶囊经过食道、胃和小肠时就可将图象广播出来。胶囊由一个摄象机、LED、电池、特制芯片和天线组成。（如图）WSN的应用（续）WSN的应用（续）☆智能家居家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与Internet连在一起。为人提供人性化的家居环境。例：Avaak提供一个只有1立方英寸大小的自治产品。这个微型的无线视频平台包含有一节电池、无线电、摄像相机、(彩色成像器加镜头)、控制器、天线和温度传感器。（如图）WSN的应用（续）WSN的应用（续）☆建筑物状态监控利用传感器网络监控建筑物的安全状态。例：Microstrain在佛蒙特州的一座重载桥梁上安装了一套该公司研制的系统，将位移传感器安装在钢梁上用来测量静态和动态应力，并通过无线网络来采集数据。该无线系统可以保留在桥梁上用于长期监测桥梁是否处于正常受控状态。（如图）WSN的应用（续）WSN的应用（续）☆完成空间探索借助于航天器在外星体撒播一些传感器网络节点，可以对星球表面进行长时间监测。成本低、节点体积小，相互之间可以进行通信，也可以和地面站进行通信。例：NASA的JPL（JetPropulsionLaboratory）实验室研制的SensorWebs就是为将来的火星探测进行技术准备。该系统已经在实施测试和完善。关键技术网络拓扑控制网络协议网络安全时间同步定位技术信息融合数据管理无线通信技术嵌入式操作系统应用层技术概念扩展（一）:IoTIOT：Anytime、Anywhere、AnythingsConnection，UbiquitousNetworks和UbiquitousComputing的发展愿景，无处不在的网络在物联网时代，通过在各种各样的日常用品上嵌入一种短距离的移动收发器，人类可以从任何时间任何地点的人与人之间的沟通连接扩展到人与物和物与物之间的沟通连接。概念扩展（一）:IoT概念扩展（二）:基于现场总线技术的网络化测控系统一、现场总线：是用于过程自动化和制造自动化的现场设备或仪表互连的现场数字通信网络，二、基于现场总线的仪表单元的优点–彻底网络化–一对N结构–可靠性高–操作性好–综合功能强–组态灵活基于现场总线的FCS系统已有逐步取代DCS的趋势。概念扩展（二）:基于现场总线技术的网络化测控系统概念扩展（三）:面向Internet的网络测控系统15.1.2多源信息融合技术1基本概念和内涵2军事概念与内涵3研究现状4引领单位、人物5应用多源信息融合1.信息融合基础概念与应用内涵2.信息融合的军事概念与内涵3.国内信息融合研究与应用现状4.信息融合引领单位、代表人物与成就1.信息融合基础概念与应用内涵数据融合与信息融合信息融合始于上世纪七十年代——早期称“数据融合”美国，1973年，多声纳信号融合，检测敌方潜艇上世纪八十年代末，演变为信息融合信息源从单类传感器扩展到多类介质和技术手段应用扩展到现实世界各领域迄今为止，尚未有为诸学界一致认同的信息融合定义1.1认识过程的分解现实现实世界世界人与信息化装备对客观事物的认知过程人与信息化装备对客观事物的认知过程1.2信息融合基础概念信息融合是采用信息技术模拟人类认识过程五个阶段中的多源信息处理过程，该过程遍布物理域、信息域和认知域，是人类认识世界和改造世界的重要技术途径和方法。1.3应用内涵民用：医疗领域，工业控制领域，机器人领域，城市交管领域，空管领域，安全防护领域，图像处理领域(X射线/CT扫描/MRI医学图像、遥感矿藏/庄稼/森林图像、目标定位与识别图像等)军用：多传感器多目标检测/定位、识别与跟踪领域，战场态势估计/预测领域，战场态势影响估计领域，战场感知优化控制领域等1.4信息融合发展动因军事需求是发展的推动力•信息自动处理：信息海洋淹没指挥员，信息过多但并不充分;•复杂态势处理：机动/交叉目标跟踪、密集回波检测识别;•复杂战场环境：强电磁干扰、隐身目标、强杂波环境;•战场预警：战略目标首发与识别、威胁预警时间和准确性;•决策指挥：态势估计与预测正确性、威胁估计实时性与准确性;•精确打击：高精度打击、协同瞄准与制导。多源信息融合1.信息融合基础概念与应用内涵2.信息融合的军事概念与内涵3.国内信息融合研究与应用现状4.信息融合引领单位、代表人物与成就2.1军事概念JDL定义把来自多传感器和信息源的数据加以关联、相关、组合，以获取精确的目标位置估计和完整的目标身份估计，以及对战场情况、威胁及其重要程度进行适度估计。——美国防部实验室联合理事会JDL（JointDirectorsoflaboratories）C3技术专业组（TechnologyPanelC3）数据融合小组（DataFusionSub-panel）2.1JDL推荐融合模型Bowman等2004年推出的JDL推荐融合模型如下：2.1JDL推荐融合模型该模型给出了信息融合五个层级的最新概念、内涵定义与说明，示出了五个层级的级别特征如下表所示：性能度量（MOPS）、效能度量（MOES）与可信度估计性能分析系统状态*—达到目标和真实估计四级：过程估计实体、态势的效能与可信度估计与预测代价/效益分析系统行动方针—态势和效能*三级：影响估计关系、态势与可信度估计关系状态估计实体—实体*实体—关系*关系—关系*二级：态势估计实体状态与可信度估计按属性分类，实体状态估计信号/特征—实体*实体状态—实体*一级：实体估计信号/特征状态与可信度估计特征提取观测—信号或特征*a零级：信号/特征估计产品估计过程关联/相关过程融合级别a更准确地说，这里用星号表示的与特征、信号、实体、关系和态势有关的关联是由系统推断完成的。2.2几个概念关系1973年概念提出本世纪初上世纪90th上世纪80th上世纪70th水下潜艇检测多声纳信号融合水下声纳模拟体制自主工作网络中心战(预警、决策、指控、火力、协同打击)增加零级(多源联合检测)，完善四级(过程反馈控制)陆、海、空、天平台，扩展到技侦、部侦、人工、开源文档、中长期情报部分自控火力联控预警、决策、指控、火力打击增加四级(过程评估与信源控制)陆、海、空平台，多源/多介质传感器(雷达、电侦、光电、红外、水声)部分自动控制信息融合情报预警/作战决策/指挥控制增加二级/三级(态势估计威胁估计)地面和机载/舰载有源/无源传感器人工控制情报预警一级融合/目标定位、识别与跟踪地面有源雷达自主/独立工作数据融合应用领域融合范畴信源类型传感器运行方式名称时间（1）概念沿革（2）零级融合2004年JDL修订模型中，明确提出“零级融合”概念，将原三级融合扩展至五级应对弱信号目标（隐身目标、强干扰环境目标和机动目标）、低小慢目标（巡航弹、直升机、无人机、飞艇、气球）和高超声速目标基于多传感器探测信号/数据融合实现目标联合检测软判定传感器和软判定传感器系统是重要手段2.2几个概念关系（3）五级融合功能关系2.2几个概念关系2.2几个概念关系（4）态势感知态势(Situation)指现实世界中人们所关注的某些事物的状态及变化，军事领域的战场态势指战场环境与兵力分布的当前状态和发展变化趋势。三级态势感知模型(美)EndsleyM.R,1995态势感知环节2.2几个概念关系（5）态势感知与信息融合信息融合系指态势感知诸环节中多源信息的处理过程，其目标是获取及时、准确、连续、完整、一致的态势视图，以支持在社会域(作战空间)中达到相应意图的活动与行为。2.2几个概念关系信息融合对战场态势感知的支撑关系多源信息融合1.信息融合基础概念与应用内涵2.信息融合的军事概念与内涵3.国内信息融合研究与应用现状4.信息融合引领单位、代表人物与成就3.1研究阶段划分我国信息融合专业委员会成立(挂靠航空航天学会)•召开全国信息融合年会(2009烟台、2010杭州、2011筹划西安)•集中了我国信息融合研究与应用的菁英•将使我国信息融合理论、技术与应用研究迈上新台阶•为建立我国信息融合技术体系起到积极推动作用第三阶段2009之后•EdwardL.Waltz和JamesLlinas著作MultisensorDataFusion进入我国，成为我国信息融合启蒙读物,具标志性。•军事应用领域首先响应数据融合研究，国防工业部门研究院所