基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的多目標(biāo)跟蹤和特征管理方法

摘要：針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)下多目標(biāo)跟蹤時(shí)目標(biāo)數(shù)量不斷變化這一復(fù)雜情況，文中對(duì)多目標(biāo)的跟蹤和特征管理方法進(jìn)行了研究。該方法由數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、多目標(biāo)跟蹤、特征管理，和信息融合所組成。其中未知數(shù)量多目標(biāo)的跟蹤和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)通過(guò)馬爾科夫蒙特卡羅數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)信息融合來(lái)整合本地信息，獲取所有相鄰傳感器的本地一致性，最終實(shí)現(xiàn)特征管理。試驗(yàn)證明，本方法能夠在分布式的傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對(duì)多目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確有效地跟蹤和特征管理。
關(guān)鍵詞：傳感器網(wǎng)絡(luò)；多目標(biāo)跟蹤；特征管理；數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)；信息融合

近來(lái)傳感器技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致了一個(gè)新概念的誕生一傳感器網(wǎng)絡(luò)，即一個(gè)由本地傳感器節(jié)點(diǎn)所組成的具有感知、處理和通信能力的一種廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)。為了更深入地挖掘傳感器網(wǎng)絡(luò)所具有的能力，筆者提出了一種可擴(kuò)展分布式的多目標(biāo)跟蹤和特征管理方法，該方法能夠通過(guò)一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)多個(gè)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)跟蹤和特征管理。
傳統(tǒng)的多目標(biāo)跟蹤方法，如MHT跟蹤器，不適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)。而現(xiàn)有基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的算法僅基于如下情況：所跟蹤目標(biāo)的數(shù)量已知不變，并且它們的運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)于本地傳感器已知。而在本文中，筆者放寬了以上假設(shè)，形成對(duì)于分布式多目標(biāo)的跟蹤和特征管理算法DMTIM。文中在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和多目標(biāo)跟蹤運(yùn)用了馬爾科夫鏈蒙特卡羅數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)MCMCDA的方法，實(shí)時(shí)對(duì)未知數(shù)量的多目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。MCMCDA方法能夠獨(dú)立地對(duì)軌跡進(jìn)行起始和終止，并能夠跟蹤未知數(shù)量的多目標(biāo)。每個(gè)傳感器能夠運(yùn)用MCMCDA有效地跟蹤一組未知數(shù)量的目標(biāo)，并且能夠?qū)δ繕?biāo)的特征進(jìn)行分布式地管理。
本文結(jié)構(gòu)如下：分布式多目標(biāo)的跟蹤與特征管理算法概述；多目標(biāo)跟蹤問(wèn)題及其概率模型；DMTIM關(guān)鍵算法敘述：馬爾科夫鏈蒙特卡羅數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法；DMTIM組成部分介紹，包括數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、多目標(biāo)跟蹤、特征管理和信息融合；DMTIM算法仿真試驗(yàn)及評(píng)估。

1 分布式多目標(biāo)跟蹤和特征管理
文中研究重點(diǎn)是傳感器網(wǎng)絡(luò)中多目標(biāo)的跟蹤和特征管理方法。每個(gè)傳感器擁有自己的觀測(cè)區(qū)域，且擁有與其鄰近傳感器通信的能力。如圖1所示一個(gè)簡(jiǎn)單的二傳感器的系統(tǒng)，大圓圈代表傳感器的觀測(cè)區(qū)域。每個(gè)傳感器能夠?qū)Χ嗄繕?biāo)進(jìn)行跟蹤并在觀測(cè)區(qū)域內(nèi)管理目標(biāo)特征。該問(wèn)題的難點(diǎn)在于觀測(cè)區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的數(shù)量會(huì)隨時(shí)間而變化，因此我們必須尋求一種可擴(kuò)展的，在相鄰傳感器中具有本地一致性的方法。

隨機(jī)出現(xiàn)在R范圍內(nèi)，直到在時(shí)間點(diǎn)時(shí)消失。對(duì)于每個(gè)時(shí)間點(diǎn)，目標(biāo)保持其存在的概率為1-pz，消失的慨率為pz。對(duì)于每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，在R范圍內(nèi)所出現(xiàn)目標(biāo)的數(shù)量都具有一個(gè)位置分布，該位置分布包含參數(shù)λbV，其中λb表示單位時(shí)間單位范圍內(nèi)的出現(xiàn)率，V表示觀測(cè)范圍R的大小。并特定每個(gè)新目標(biāo)的初始位置都在R范圍內(nèi)。
設(shè)為目標(biāo)k的離散時(shí)間運(yùn)動(dòng)，其中nx是狀態(tài)變化的維度。并設(shè)為時(shí)刻t目標(biāo)k的狀態(tài)。目標(biāo)t的運(yùn)動(dòng)服從公式(1)：

其中屬于白噪聲過(guò)程，包含在了目標(biāo)非直線運(yùn)動(dòng)模型。并運(yùn)用一個(gè)探測(cè)概率pd來(lái)計(jì)算目標(biāo)狀態(tài)的噪聲。目標(biāo)不被發(fā)現(xiàn)并被視為跟蹤丟失的慨率為1-pd。本文設(shè)定了錯(cuò)誤報(bào)警，其數(shù)量也遵循含有參數(shù)λfV的位置分布，其中λf是單位觀測(cè)范圍單位時(shí)間內(nèi)的錯(cuò)誤報(bào)警率。設(shè)n(t)為時(shí)間點(diǎn)t觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)量，該數(shù)量包括了噪聲觀測(cè)和錯(cuò)誤報(bào)警。設(shè)為時(shí)間點(diǎn)t的第j個(gè)觀測(cè)值，其中ny是每一個(gè)觀測(cè)向量的維度。每個(gè)被測(cè)物體都會(huì)在該采樣時(shí)間產(chǎn)生一個(gè)特定的觀測(cè)值，如公式(2)所示，其中為觀測(cè)值模型。

其中是白噪聲過(guò)程，u(t)足錯(cuò)誤報(bào)警的隨機(jī)過(guò)程。目標(biāo)是觀測(cè)目標(biāo)類型或?qū)傩孕畔?，狀態(tài)變量可以擴(kuò)展到包括目標(biāo)類型的信息。因此多目標(biāo)識(shí)別的問(wèn)題即是從觀測(cè)值中計(jì)算出，其中k=1，…，K。
2．2 多目標(biāo)跟蹤方法
設(shè)為時(shí)間t的所有值，Y={y(t)：1≤f≤T}為時(shí)間t=1到t=T的所有計(jì)算值。設(shè)Ω為所有Y的集合，且ω∈Ω，有如下參數(shù)：