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致力信息融合研究 推动自动控制创新——西安交通大学韩崇昭教授

2014-04-25

韩崇昭,我国著名的自动控制专家,西安交通大学电子与信息工程学院教授,博士生导师。任中国自动化学会理事、中国自动化学会智能建筑与楼宇自动化专业委员会副主任、总装备部“导航、定位与测控技术专业组”专家组成员。他的主要研究领域是多传感信息融合、随机控制与自适应控制、工业过程控制与优化、非线性频谱分析以及决策理论与决策支持系统等,近年来主要从事信息融合理论研究。发表论文300多篇,以第一作者出版著作有《决策、对策与管理》、《随机系统理论》、《泛函分析及其在自动控制中的应用》、《多源信息融合》等7本。

韩崇昭教授在自动控制方面有很高的学术造诣,并在许多重大工程项目中做出重要贡献。

1.非线性频谱分析方法的研究成果及其在三峡大坝建设等项目中的应用

韩崇昭教授在非线性系统理论研究方面做出了许多贡献,早年曾对非线性随机系统做过深入研究,关于双重最优控制有一定建树。韩崇昭从1990 年起开始非线性频谱分析理论的研究,在关于用Volterra 级数描述的非线性动态系统的稳定性研究方面也做出了有价值的结果,特别在由微分方程和差分方程直接计算Volterra 核、广义频率响应函数模型辨识、基于非线性频谱分析的动态系统故障检测与诊断方法等方面有独到学术见解。在国家自然科学基金项目等支持下,建立了一种非线性频谱分析方法,并用来对很大一类物理对象进行状态检测与故障诊断。实验结果表明这种算法非常有效,而且所获得的模型具有通用性和抗干扰能力。已经把这种方法应用于某型直升机电动舵机故障检测诊断系统等的试验研究和导弹引擎电子系统等的故障检测与预报试验,均取得非常好的效果。

随后,这一重要研究成果应用于三峡工程大型施工机械的故障检测与预报以及大坝建设混凝土生产输送浇筑全过程的计算机综合监控系统,取得重大的经济效益和社会效益,为此获得陕西省2004 年度科学技术一等奖。

2.信息融合理论的研究成果及工程应用

1990 年代起,韩崇昭教授受美籍华人学者李晓榕教授邀请,合作开展信息融合方面的研究。从 2002 年起,韩崇昭教授领导的研究小组承担了国家国家重点基础研究发展规划(973计划)项目“复杂自然环境时空定量信息获取与融合处理的理论与应用”中的“多源数据融合的理论、算法与应用”课题(编号:2001CB309403)和“目标与环境共存时的信息获取”课题(编号: 2001CB309405)。他们在理论上取得一系列重要成果,提出了基于方向可调滤波器的遥感图像融合方法、基于力场分析的主动轮廓模型、基于像素灰度归类的背景重构算法、基于多源信息融合的图像跟踪算法、基于广义粗集理论和随机集理论的多分类器融合算法和改进的多目标跟踪算法,与国外合作建立了线性估计融合的统一理论等。

他们在实验室开发了分布式半实物仿真的“目标与环境共存时的信息获取实验系统”,其中“多雷达信息融合实时多目标跟踪系统”是由DSP 阵列实现的快速并行处理系统,其成功开发引起国内应用部门的高度重视。为中国船舶工业总公司系统工程部开发的“基于昆虫复眼机理红外阵列传感信息融合的多目标航迹处理系统”, 其性能有一系列创新,评价者认为“为开展研制具有大空域、全方位、多批次目标边搜索边跟踪能力的新型光电系统奠定技术基础”。为装甲兵学院开发的“4×4 轮式装甲侦察车多目标搜索定位跟踪系统”,要求具有多目标多传感器搜索、定位、识别、跟踪功能,为我国新一代侦察车的研制做出了贡献。为空军工程大学开发的多雷达数据融合系统,可解决航空数据网络中的关键技术问题。

与此同时,他们还在 973计划项目的支持下完成了“多天线GPS/INS 融合姿态测量系统”的研究开发,获得了高精度高动态的性能。该系统从原理上突破了欧美对GPS 使用的限制,可广泛应用于导弹、火箭弹、制导炸弹、无人机等飞行控制以及各类飞机、船舶、车辆动态测量等领域。该技术原理样机已推广应用到南极考察船等重要工程项目。

2007 年起,崇昭教授领导的研究小组又承担了国家国家重点基础研究发展规划(973计划)项目“基于视觉认知的非结构化信息处理理论与关键技术”中的“基于多源异构信息融合的空中目标跟踪关键技术”课题(编号:2007CB311006),开展了基于广义糙糙集和Dempster-Shfer 证据的多源信息融合理论。粗糙集理论和Dempster-Shfer 证据理论是多源信息融合的基本理论工具,通过将单个信息源属性变量上的信息函数转换到观察对象集上的信息粒度结构,并根据决策分类关于不同信息源属性特征的信息粒度的下近似和上近似,提出了构造信息融合广义粗糙集的系统理论,以及运用布尔函数方法属性约简、用Dempster-Shfer 证据理论的mass 合成方法,从不同信息源的属性特征上获得对象集上统一的mass函数,获到分类决策规则的系统方法。主要成果包括:

1 针对概念信息的融合问题,提出了形式背景下概念格的信息粒度刻画与表示理论、约简判别准则及其算法以及概念规则挖掘方法。

2 发展了信息融合和信息粒度的不确定性测度理论,提出了无限论域中模糊证据理论,引进了基于模糊蕴含算子的信任函数和似然函数,揭示了模糊证据理论中信任函数与似然函数与容度泛函之间的联系。

3 针对模糊数据的信息融合问题,提出了由三角模 min 和余三角模max 定义的一般关系下的模糊近似,提出了由剩余蕴含算子、S-蕴含算子、一般三角模和一般蕴含算子所定义的广义模糊粗糙集和直觉模糊粗糙集理论。

4 建立了信息系统属性约简的一般理论框架,提出了经典信息系统、不完备信息系统、区间值信息系统、模糊信息系统等复杂系统中基于粗糙集的信息融合和知识获取的新方法。

5 提出了多步邻域系统和多步近似算子的概念,构造性地给出了基于邻域算子系统的粗糙近似的合成规则,为粗糙集由只应用于一步关系近似向多步关系近似的发展迈出了实质性一步。

该研究的突出贡献之一是发明了基于误差传递和差分消除的目标航迹估计方法,显著提高非合作目标的航迹估计精度。开发了空中目标航迹估计系统,应用于某重大型号任务,使得目标航迹估计精度比总装过去所用方法提高一个数量级以上。另一突出贡献是模拟响尾蛇大脑顶盖条件信息融合模式,建立了多源异构信息的统一描述方法,重点是多源异构信息特征空间的描述、特征提取与异构特征的同化,从而达到非结构化信息互补集成的目的,提高目标识别的准确性与可靠性。“基于多源信息融合的多目标跟踪理论、技术与应用系统”成果 2010年度获国家教育系统科技进步一等奖,“基于异构信息融合的非线性动态系统估计技术及应用”成果获2011 年度国家科技进步二等奖。

3.随机系统优化的研究

1982 年起从事大系统理论与应用的研究,主要贡献是随机大系统优化理论与方法。期间,主要研究成果应用于咸阳彩色显像管厂玻璃窑炉的自适应控制、宝鸡氮肥厂合成氨工艺计算机控制等工程应用项目,使企业的成品合格率成倍增长,并多次获得奖励。1987 年正式出版了《随机系统理论》一书,该书被推荐为全国高校使用教材,发行量达到5000 多册,该书1990 年获得部级优秀教材一等奖。1991 年出版了全国研究生统编教材《泛函分析及其在自动控制中的应用》,在国内有重要影响。

后记

三十余年来,韩崇昭教授在大系统优化理论和非线性系统频谱分析的研究方面做出了许多重要贡献,他主持的“大型彩色显像管玻璃窑炉计算机控制系统”获省部级科技进步一等奖,“大规模工业过程优化理论研究”、“中型合成氨工艺综合计算机控制系统”、“随机大工业过程稳态优化理论研究”、“陕西省科技经济社会协调发展宏观决策支持系统”等成果获得省部级二等或三等奖,“砼生产输送浇筑过程计算机综合监控系统研究”成果2004年度获陕西省科技成果一等奖,“基于多源信息融合的多目标跟踪理论、技术与应用系统”成果 2010 年度获国家教育系统科技进步一等奖,“基于异构信息融合的非线性动态系统估计技术及应用”成果获2011 年度国家科技进步二等奖。