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基于D-S證據(jù)理論算法的改進(jìn)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

電子設(shè)計(jì) ? 來源:微計(jì)算機(jī)信息 ? 作者:張遠(yuǎn)智,任曉奎 ? 2021-04-02 09:54 ? 次閱讀
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不停車收費(fèi)系統(tǒng)即(NO STop ElectrONic Toll collection System,簡稱ETC)是智能交通系統(tǒng)(ITS)的重要內(nèi)容,它的關(guān)鍵是利用車載智能識(shí)別卡與收費(fèi)站車輛自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的無線電收發(fā)器之間,通過無線電波實(shí)現(xiàn)車輛自動(dòng)識(shí)別和數(shù)據(jù)交換,獲取通過車輛的類型和所屬用戶等相關(guān)數(shù)據(jù),并由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制指揮車輛通行,其過路過橋費(fèi)通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),從用戶所在數(shù)據(jù)庫中的專用賬戶或用戶擁有的智能儲(chǔ)值卡中自動(dòng)交納,從而實(shí)現(xiàn)不停車自動(dòng)收費(fèi)。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)是正確提取通行車輛的車型和牌照數(shù)據(jù),以及車載IC 卡中的信息,信息融合及判斷的準(zhǔn)確度決定了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。本文將給出改進(jìn)的D-S 理論信息融合算法在ETC 系統(tǒng)中的應(yīng)用研究。

1 D-S 證據(jù)理論概述及改進(jìn)

Dempster-Shafer 證據(jù)理論(簡稱D-S 證據(jù)理論)源于20 世紀(jì)60 年代Dempster 在多值映射方面的工作,他將證據(jù)的信任函數(shù)與概率空間的概率的最大最小值相關(guān)聯(lián),構(gòu)造了不確定推理模型的一般框架。此后Shafer 又在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展,形成了能夠處理不確定、不精確、不完整信息的證據(jù)理論。它憑借其能夠表示“不確定性”、“未知”等概念的優(yōu)點(diǎn),在數(shù)據(jù)融合中得到廣泛重視。

1.1 D-S 證據(jù)理論概述

設(shè)有一個(gè)有限假設(shè)空間,Θ為空間中所有命題的窮舉集合,D-S 理論用“識(shí)別框架(Frame. of Discernment)”描述構(gòu)成整個(gè)假設(shè)空間的所有命題的集合Θ,識(shí)別框架中的各元素要求互相排斥,而集合中的命題稱為識(shí)別框架的原命題。定義1 設(shè)Θ為給定識(shí)別框架,Ω=2Θ為Θ的冪集,則函數(shù)m:Ω→[0,1],在滿足下列條件:

時(shí),稱m 為Ω 上的基本概率分配;?A∈Ω,m(A)稱為基本概率分配函數(shù)(BPA),m(A)≥0的命題稱為證據(jù)的焦元。

定義2 設(shè)Θ 為一識(shí)別框架,m(A)為Ω 上的基本概率分配函數(shù),滿足下列的函數(shù)稱為信任函數(shù):

雖然D-S 證據(jù)理論在實(shí)際得到廣泛的追捧,但在應(yīng)用中人們發(fā)現(xiàn)其自身也存在一些不足和缺點(diǎn),特別是在高沖突證據(jù)組合的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致合成的結(jié)果違背直覺。前人如Zadeh 和Yager、Smets 他們也在這個(gè)問題上做了許多詳細(xì)的研究,并提出了針對(duì)性的意見及妥善的改進(jìn)方法。可惜隨著科技的進(jìn)步這一問題終究沒有得到很好的解決。

1.2 D-S 證據(jù)理論的改進(jìn)

D-S 的合成法則如下:

m1 與m2 是識(shí)別框架Θ 的兩個(gè)獨(dú)立證據(jù),Ω 為Θ 的冪集,A、B 為冪集中的元素,則這兩個(gè)證據(jù)組合后得到的組合證據(jù)為:

它的作用就是避免在合成時(shí)將非零的概率賦給空集Φ。

雖然D-S 理論有諸多優(yōu)點(diǎn),但在實(shí)際的應(yīng)用中卻不是令人滿意,往往有時(shí)與直覺相違背,主要的原因是存在證據(jù)沖突,這是不可小覷的問題。所以做了如下的改進(jìn),取沖突權(quán)值為歸一化常數(shù)的對(duì)數(shù):

如果上述兩個(gè)證據(jù)之間不存在沖突,則Cov(Bela,Belb)=∞;如果證據(jù)間完全沖突,則Cov(Bela,Belb)=0。在充分認(rèn)識(shí)到證據(jù)間的沖突下,令σ=1-K 為沖突因子,當(dāng)σ=0 時(shí)證據(jù)之間不存在任何沖突,當(dāng)σ=1 時(shí)證據(jù)之間完全沖突,那么對(duì)D-S 的合成法則改進(jìn)如下:

2 應(yīng)用研究

在 ETC 系統(tǒng)中,合法車輛即為識(shí)別框架中唯一一個(gè)對(duì)象,屆時(shí),證據(jù)理論的基本問題就是從系統(tǒng)中的只讀式非接觸IC 卡、數(shù)碼相機(jī)和車輛檢測(cè)器等相關(guān)信息出發(fā)來進(jìn)行信息融合,判明車輛的合法可能程度,并且這些相關(guān)信息均可作為的證據(jù)的載體。D-S 融合模型如圖1 所示:

下面列舉數(shù)據(jù)進(jìn)行說明融合的過程:

假設(shè)識(shí)別框架U{車牌照X,車型Y,IC 卡數(shù)據(jù)Z},并提供兩個(gè)證據(jù)m1 與m2(牌照加車型和卡號(hào)加車型)對(duì)命題的識(shí)別框架的支持度分別為:

上述列舉是在理想情況下得到的一組數(shù)據(jù),在實(shí)際中數(shù)據(jù)的概率并非如此,現(xiàn)在對(duì)兩種算法進(jìn)行Matlab 仿真,取隨機(jī)30 組數(shù)據(jù),并進(jìn)行計(jì)算。如表1、圖2:

結(jié)果表明,通過改進(jìn)的合成法則驗(yàn)證了預(yù)期要達(dá)到的結(jié)果,曲線的逼真度好于之前,使融合效果更為理想。

3 結(jié)語

鑒于 D-S 證據(jù)理論因沖突信息比較大的情況下會(huì)出現(xiàn)融合的問題,本文在分析已有的改進(jìn)思想的基礎(chǔ)上,通過引入沖突因子,針對(duì)改進(jìn)方法和原有的問題,成功地將其應(yīng)用于證

據(jù)理論的修改中。理論的推理和數(shù)據(jù)的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,改進(jìn)的方法,能解決高沖突信息量的證據(jù)融合問題,仿真結(jié)果表明預(yù)期的效果比理想的更穩(wěn)定、更可靠,提高了融合識(shí)別的可靠性和有效性。對(duì)證據(jù)理論在以后更廣泛的應(yīng)用提供了一個(gè)借鑒之處。

責(zé)任編輯:gt

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