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改进的D-S证据理论算法

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2013年第6期 文章编号:lOO9—2552(2013)06—0141一o4 中图分类号:TP301 文献标识码:A 改进的D—S证据理论算法 薛连斌 , 康 健 (1.黑龙江省T程咨询评审中心,哈尔滨150008;2 哈尔滨工程大学信息与通信学院,哈尔滨150001) 摘要:针对Ds证据理论存在的诸如一票否决、证据冲突过大的问题,提出了一种改进方法。 该方法利用指数函数对证据进行重新定义,有效避免了零焦元元素对融合结果的影响,引入关 联系数的概念解决冲突系数不能够有效反映证据之间冲突关系的情况。利用关联系数矩阵对焦 元元素的关联程度作为权重对原证据进行加权,并利用DS证据理论合成公式对加权后的数据进 行融合。通过仿真分析了调节因子的取值范围,并通过与其他算法进行比较,得出新算法在解 决一票否决问题方面的优越性。 关键词:信息融合;DS证据理论;调节因子;关联系数;焦元 An improved D-S evidence theory algorithm XUE Lian.bin .KANG Jian (1.The Appraisal Center of Heilongjiang Provincial Engineering Consnitlaon,Harbin 150008,China; 2.School of Information Technology,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China) Abstract:Aiming at one ticket veto and too much conflict evidence existing in DS evidence theory,an improved method is proposed.The method redefines the evidence though exponential function and it avoids the influence caused by focal element on fusion result.The situation that conflict coefifcient can not effectively reflect the conlfict relationship between evidences is solved by introducing the definiiton of correlation coefifcient.The original evidences are weighed by the connection degree of focal elements using correlation coefifcient matrix and fuse the weighed data by DS evidence theory.The range of regulatory factor is analyzed though the simulation.The proposed method is compared to other methods nad the experimental result shows that the proposed method has advantage in one ticket veto. Key words:information fusion;DS evidence theory;regulatory factor;correlation coefifcient;focal 0 引言 论更弱的公理系统,扩展了可应用范围,且当概率值 证据理论是由德普斯特首先提出_1 J,并由沙佛 已知时,Ds证据理论就等价成了概率论,不失理论 进一步发展起来的一种处理不确定性的理论【2 J,因 性。目前Ds证据理论广泛应用到故障检测 J、 此证据理论又被称作为DS(Dempster—Shafer)证据 图像识别 】、模式识别 】、信息融合、不确定性 理论。Ds证据理论用先验概率分派函数去获得后 决策等方面¨。。n】。 验的证据区间,证据区间量化了命题的可信程度。 1 DS证据理论 可将证据分派给假设或命题,提供了一定程度的不 定义1设日表示某有限集合,称为假设空间, 确定性,即证据既可指定给互不相容的命题,也可指 且该空间为完备的、互不相交的空间,假定 表示 定给相互重叠、非互不相容的命题。与传统的 量测空间,也称为实验结果空间。对于给定的假设 Bayes理论相比较,Bayes理论需要有统一的识别框 h∈H, 是量测空间 上的概率,因此证据空间 架、完整的先验概率和条件概率知识,而实际情况下 收稿日期:2012一i1—3O 很难达到这些要求。另外,DS证据理论满足比概率 作者简介:薛连斌(1964一),男,高级工程师,研究方向为信号 处理。 .-.——141.--—— 定义为: 例1假设有一集合为Q={A,B,C].,其中A, , (1) C为集合Q的焦元元素,mass函数对各个焦元的支 Q={日, , ^。, JI2,…, ^ } 其中,17,EN表示日中假设的个数。 定义2设日表示某有限集合,P(H)表示日的 持程度如表l所示。 表1 ma8fl函数对焦元的支持度 所有子集构成的集类,如果满足: B(咖)=0, (日)=1 (2) 对日中的任意子集A ,i=1,2,…,n有: B(. Ai)≥ .I,三 ∑ (一1)l l+1 (-n,A‘) (3) 则映射B:P(日) [O,1】称为信任测度。 定义3设日表示某有限集合,P(H)表示日的 所有子集构成的集类,如果满足: L(咖)=0,L(日)=1 (4) 对日中的任意子集A ,i=l,2,…,凡有: Ai ∑(一1) f+ 戤.U,Af) (5) } ” 则映射L:P(日) [0,1】称为似然测度。 定义4设日表示某有限集合,B和 分别定义 在P(日)上的信任测度和似然测度,则对任意的A E P(H),定义其信任区间为: 【曰(A),B(L)】 [0,l】 (6) 且称映射m:P(日)一[O,1】为mass函数,满足 条件为: m( )=0,∑m(A)=1 (7) 根据以上几个定义可以得到DS证据理论的合 成公式。 定义5假设m 表示日上的mass函数,则多组 mass函数的融合规则为: rm(咖)=0 = ml(跏:c ≠ 其中, K=∑m1(E) (F)>0 (9) 以上是DS证据理论的基本公式,DS证据理论 的应用范围很广,但是该理论自身存在一定的缺陷, 如何克服这些缺陷是国内外学者门研究的重点。 2 DS证据理论的缺陷 对于一些证据比较接近,以及非特殊情况下的 数据,利用Ds证据理论能够得到相应合理的结果, 但当证据出现一些极端情况时,融合结果变得很差。 DS证据理论最主要的一项缺点就是一票否决 现象,即当mass函数中存在焦元值为0的情况时, 无论其他的mass函数如何支持该焦元,最后的结果 不变,仍然为0。利用例1来具体分析这一现象。 利用Ds证据合成公式得到的融合结果以及证 据冲突如表2所示。 表2不同组证据融合后结果及冲突 从表2可以看出,由于第二组证据对焦元元素 A的支持度为0,导致无论其他证据如何对焦元元 素A进行支持,最终得到焦元元素A的结果仍然为 O,这与所认知是相悖的、不合理的。此外,证据冲突 值是表示两组证据间的冲突程度,从表1可以看出, 除了第二组证据,其他组证据间的冲突程度并不是 很大,但是由于特殊情况即第二组证据出现焦元赋 值概率为0的情况时,证据冲突系数并没有很好的 反映证据之间冲突问题,因此需要对算法进行改进 来得到针对特俗情况下更加合理的融合值。 3 改进算法 为了避免0值元素对DS证据理论的影响,采 用指数函数的形式来重新定义每组证据的焦元元 素。具体的定义形式为: Mf=e (1O) 其中,m 表示第i组证据对集合内焦元元素的支持 程度,r为调节因子,对于r的取值在下面进行讨论。 表示重新定义后第i组证据的焦元元素概率分 布情况,因此需要对M 进行归一化处理。处理后 的 表示为: ( )= ): (11) ∑ i=1 通过以上处理可以有效的避免焦元元素为0时 对融合结果的影响。为了克服冲突系数不能有效反 应证据间的冲突情况的现象,将从焦元元素的角度 反应每组证据对该焦元元素的支持程度,通过关联 系数来侧面的反应证据之间的冲突程度。 假设识别框架为Q={ ^】, ^2,…, },m 表 == , -_・- 示第i组证据对识别框架内焦元元素的概率赋值情 况。则两组不同证据之间的关联系数表示为: A( (12) \ 遥 i 葛 I 娥 其中, 是识别框架内的焦元元素,从公式(12)可 以看出,当证据中出现焦元元素为0的情况时,计算 结果为0,这说明不同证据间对该焦元的支持程度 、 ~ ~ ; ~ ; ~ n n 调节因子r 为0,即关联性差。而当不同证据对同一焦元的支 持程度相同时,计算结果为1,说明两组证据对这一 焦元的关联性强。 对于n组证据,可得到不同证据间的关联系数 矩阵。关联系数矩阵表示为: A11 Al2 A A21 A22 : ● A= Af1 A A (13) : ● A 1 AJI2 A 其中,关联系数矩阵A为对称阵,且对角线上的元 素为1,这是因为自身元素之间具有完全关联的特 性,且满足A E[0,1]。A 取值间接的大小反映了 两组证据之间的冲突程度,A 越大说明关联性越高, 侧面的反映了焦元证据的可靠性越高。综合所有证 据间的关联程度,得到焦元的绝对关联度为: D ‘ ^I)=∑A ‘ ^ ) (14) 将得到的焦元绝对关联度作为原证据的权重, 得到新的证据,新证据表示为: i( k)=mi( )×Di( ) (15) 最后,利用Ds证据合成公式对得到的新证据 进行融合。 4 算法仿真 为了验证本文算法在解决一票否决以及冲突过 大问题的优越性,利用本文提出的算法对例1的数 据进行仿真,并与国内外一些经典算法进行比较 分析。 首先,讨论本文算法中调节因子r的取值情况, 利用例I中的前两组数据,根据r的不同取值得到 相应的融合结果。图1给出了随着调节因子r的不 同,相应的融合后的焦元取值变化曲线。 一焦元^ 焦元B-焦元c 图I 调节因子r与取值焦元变化的关系 从图1中可以看出,当调节因子r的取值超过1 时,焦元的变化为衰减趋势,这是由于调节因子的设 定影响了证据的概率分配,从而得到的融合结果不 够理想。而当调节因子r的取值小于1时,焦元元 素的取值相对平稳,而当调节因子r为0.7时,三个 焦元的取值都比较平稳,对最后的融合结果影响 不大。 因此,在接下来的仿真中,调节因子r的取值为 0.7。利用本文算法对例1中的两组数据进行仿真, 并与Yager[1 ]、Mushy[13]、Xia以及DS证据理论等 算法进行比较,得到的结果如表3所示。 裹3两组证据的融合结果 从表3中可以看出,当证据为2组时,DS证据 合成公式以及Yager算法出现了一票否决现象,而 Murphy算法和Xia的方法只是对两组证据进行了 平均加权。由于出现O元素,本文算法将对A焦元 元素支持的一部分归结到不确定度,不盲目的对证 据进行平均,同时也对冲突比较大的焦元元素进行 合理赋值。 从表4中可以看出,当证据为3组时,Ds证据 合成公式以及Yager算法仍然没有解决一票否决的 现象,由于有新证据支持焦元元素A,使得Murphy 算法和Xia的方法对焦元元素A的支持度上升的比 较快。而本文算法在焦元元素A获得支持后,不确 定度也随之降低,符合人们的正常认知。 一143一 表4 三组证据的融合结果 参考文献: [1]DEMPSTER A P.Upper and lower probabili如s induced by a multi— vlaued mapping[J].Annals of Mathematical Statistics。1967,38 (2):325—339. 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