CN110958597A - 一种基于无线电的多目标救援搜索方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线电的多目标救援搜索方法，本发明基于手持救生电台响应模型，设计了改进的手持救生电台响应机制，能够明显降低碰撞概率，减少搜索次数，缩短搜索时间，提升搜索效率；同时，基于手持救生电台响应机制，提供了优化的搜救策略设计方法，对搜救效率的提高具有显著效果；且有效扩展应用范围，如增加手持救生电台的搜索数量、将点对点搜索扩展到组网情况下的多点搜索。且方法易于工程实现，具有较强的通用性、灵活性和扩展性。

Description

一种基于无线电的多目标救援搜索方法

技术领域

本发明属于无线电搜索技术领域，尤其涉及一种基于无线电的多目标救援搜索方法。

背景技术

在救援救生领域，时间就是生命。只有对遇险人员进行快速定位，才能尽快实施救援行动。在没有通信基础设施的野外环境下，由于周围环境限制，北斗/GPS定位设备可能无法正常工作，此时基于超短波的无线电救生设备将发挥关键作用。

对救生电台来说，由于频率资源有限，在同一个频率范围内，只能有一部电台工作(发射/接收)。如果多部电台同时工作，则会出现相互干扰，从而都无法正常工作，因此必须让不同的救生电台在不同的时段分时工作，相互不影响。

实际情况下，遇险人数、时间和地点均随机变化，遇险人员之间并不知情，救援人员也不一定能事先预知。因此，基于无线电的搜索设备(机载救生电台)需要解决一对一(点对点)、一对多(点对多点)、多对一(多点对一点)和多对多(多点对多点)的搜索与探询(无线电通信)等各种情况，这其中都会涉及手持救生电台的随机响应问题，即各手持救生电台何时开始响应某一机载救生电台发出的搜索指令，减少各手持救生电台同时对同一机载台作出响应的碰撞问题；即无线通信领域的“碰撞”问题。

如何有效降低“碰撞概率”从而提升搜索效率，现有的技术方案中，大多采用“随机退避”技术，即随机退避一个时间后再响应搜索指令。比如，事先确定一个基本时间单位(与搜索指令时长有关)τ₀，每个手持救生电台收到搜索指令后随机选择一个数字n_i∈[0：M-1]，i＝[1，M]，M为一个正整数，代表最大的选择范围，相应的随机退避时间就为τ_i＝n_i*τ₀，手持救生电台收到机载台发出的搜索指令后，等待τ_i＝n_i*τ₀后发出响应指令。一方面，由于每部手持救生电台均是随机选择一个数字，随机退避时间不可避免会产生碰撞(相同)，即τ_i＝τ_j，随着电台数量的增多，碰撞概率迅速增加；另一方面，为了能够完成对所有手持救生电台的搜索，需要较多的搜索次数N，导致较长的搜索时间和较低的搜索效率，无法满足快速搜索要求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提出一种基于无线电的多目标救援搜索方法，本发明通过设计改进的手持救生电台响应机制，利用“确认-响应”机制，有效降低因随机退避时间导致的碰撞概率，减少搜索次数和搜索时间，从而大大提高搜索效率。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决。

一种基于无线电的多目标救援搜索方法，包括以下步骤：

步骤1，基于一个或多个机载救生电台搜索多个待救援目标的过程，每个待救援目标携带手持救生电台，并对每个机载救生电台发出的救援信号进行响应；建立手持救生电台响应模型；

其中，救生电台为无线通信设备，具备话音、数据传输、定位、测距和测向功能，机载救生电台用于发出搜救信号，手持救生电台能够手动或自动发出遇险信号；

步骤2，基于选择性投掷法，对手持救生电台响应模型进行改进，得到改进的手持救生电台响应机制；

步骤3，采用改进的手持救生电台响应机制建立搜索策略，对手持救生电台进行搜索，快速确定待救援目标位置。

进一步地，所述建立手持救生电台的响应模型，其具体过程为：

基于手持救生电台退避时间随机变化机制，将搜索成功率P_s与搜索次数N的关系，抽象成如下表述：

设定有K个M面球体，对应于K部手持救生电台，球面上标示0，1，2，...，M-1；

将每次搜索过程抽象为K个M面球体的投掷；每次投掷球体，每个球体随机显示不同数字i(i＝0，1，…M-1)的概率分别为

每次投掷后，将没有重复显示的数字对应的球体做标记，代表没有碰撞，即对应手持救生电台的响应被搜索到；重复出现相同数字对应的球体代表出现碰撞，即对应手持救生电台的响应没有被搜索到，需要重新投掷；则投掷N次后的搜索成功率P_S＝f(M，K，N)。

进一步地，所述基于选择性投掷法，对手持救生电台的响应模型进行改进，其具体为：

首先，选择性投掷法：对于每次球体投掷过程，标记没有重复显示的数字对应的球体，表示被搜索到，取走被标记的球体；然后，对剩下的球体再次随机投掷，再取走被标记的球体，重复以上过程直至所有球体被取走，表示所有手持救生电台都被搜索到，结束搜索过程；

然后，将选择性投掷法应用于手持救生电台响应模型，得到改进的手持救生电台响应机制：当手持救生电台接收到搜索指令后，判断是否作出过响应，若是，则不作出响应，否则，发出响应信号；

进一步地，所述判断是否作出过响应，具体为：每个机载台发出的搜索指令具有编号，手持救生电台能够识别并记录对应编号，在后续搜索过程中，对已经记录的编号不作出响应。

进一步地，所述判断是否作出过响应，具体为：每个所述手持救生电台发出的响应信号具有编号，每个机载台在收到具有对应响应编号信号后，在后续搜索指令中加入上次搜索到的响应编号；手持救生电台识别自身响应编号，若搜索指令中具有自身响应编号，则不作出响应，否则，发出响应信号。

进一步地，所述采用改进的手持救生电台响应机制建立搜索策略，对手持救生电台进行搜救为：基于上述改进的手持救生电台响应机制，建立搜索函数，将快速搜索问题转化为搜索函数最小化问题，据此建立目标函数，并求解目标函数，得到搜索策略，即每个手持救生电台的响应种类数和总搜索次数，其具体过程为：

首先，设定搜索指令时长S_T，搜索响应指令时长R_T；手持救生电台的退避选择有M种，退避时长TB＝[0，(M-1)*R_T]，最大退避时长TB_Max＝(M-1)*R_T，则一次完整的搜索过程总时长SR_T＝S_T+TB_Max+R_T＝S_T+M*R_T；

其次，经过N次搜索后的成功率P_{S_N}满足设定成功率P_S，需要的总时间为T_total＝N*SR_T＝N*(S_T+M*R_T)；

最后，构建搜索总时间与搜索次数、退避种类的搜索函数T_total＝f(M，N)；进而建立目标函数：min f(M，N)；根据搜索要求求解目标函数，得到对应的搜索策略，即每个手持救生电台的响应种类数和总搜索次数；

其中，搜索要求为搜索成功率。

更进一步地，所述根据搜索要求求解目标函数，得到对应的搜索策略，其具体为：

首先，设定搜索指令时长S_T，搜索响应指令时长R_T、机载台总数、手持救生电台总数和手持救生电台的响应种类M；

其次，根据搜索成功率要求，得到不同手持救生电台的响应种类M与所需的搜索次数的对应关系；

最后，选取使搜索总时间最短的手持救生电台的响应种类M，进而得到对应的搜索策略。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明基于手持救生电台响应模型，设计了改进的手持救生电台响应机制，能够明显降低碰撞概率，减少搜索次数，缩短搜索时间，提升搜索效率；同时，基于响应机制，提供了优化的搜救策略设计方法，对搜救效率的提高具有显著效果；且有效扩展应用范围，如增加手持救生电台的搜索数量、将点对点搜索扩展到组网情况下的多点搜索。且方法易于工程实现，具有较强的通用性、灵活性和扩展性。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明的实现流程框图；

图2是本发明实施例中传统响应机制对应的碰撞概率结果图；其中，(a)为一次搜索指令下不同手持救生电台数量k对应的无碰撞概率图，(b)为不同手持救生电台数量与一次搜索指令下未发生碰撞的平均电台数量关系图，(c)电台数量与一次搜索的电台数量占电台总量的比例关系图；

图3是本发明实施例中传统响应机制下不同成功率时的搜索次数与电台数量变化图；

图4是本发明实施例中改进的手持救生电台响应机制下不同成功率时的搜索次数与电台数量变化图，其中，(a)为每个机载台发出的搜索指令具有编号的情况，(b)为手持救生电台的响应具有编号的情况；

图5是本发明实施例中不同手持救生电台响应种类M情况下，搜索次数与搜索成功率之间的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例及效果作进一步详细描述。

参考图1，本发明一种基于无线电的多目标救援搜索方法，包括以下步骤：

步骤1，基于一个或多个机载救生电台搜索多个待救援目标的过程，每个待救援目标携带手持救生电台，并对每个机载救生电台发出的救援信号进行响应；建立手持救生电台响应模型；

其中，救生电台为无线通信设备，具备话音、数据传输、定位、测距和测向功能，机载救生电台用于发出搜救信号，手持救生电台能够手动或自动发出遇险信号；

由于手持救生电台退避时间随机变化，搜索成功率P_S与搜索次数N的关系，属于概率和统计问题，可以抽象成如下表述：

基于手持救生电台退避时间随机变化机制，将搜索成功率P_S与搜索次数N的关系，抽象成如下表述：

设定有K个M面球体，对应于K部手持救生电台，球面上标示0，1，2，...，M-1；

将每次搜索过程抽象为K个M面球体的投掷；每次投掷球体，每个球体随机显示不同数字i(i＝0，1，…M-1)的概率分别为

每次投掷后，将没有重复显示的数字对应的球体做标记，代表没有碰撞，即对应手持救生电台的响应被搜索到；重复出现相同数字对应的球体代表出现碰撞，即对应手持救生电台的响应没有被搜索到，需要重新投掷；则投掷N次后的搜索成功率P_S＝f(M，K，N)。

需要投掷多少次后，K个球体才能全被标记，代表所有手持救生电台均被搜索到，即P_S＝1。具体分析如下：

传统方案中，采用完全重复投掷法，即每次投掷后，将没有重复显示的数字对应的球体做标记，代表没有碰撞，即对应手持救生电台的响应被搜索到；然后对所有这些球体再次随机投掷，直至所有球体均被记录过，全部搜索完毕。对于实际情况下的电台搜索，每次搜索的手持救生电台均未减少，手持救生电台的碰撞概率相同，但由于发生碰撞的手持救生电台会等概率随机变换，前期搜索到的手持救生电台即使发生碰撞，也不会影响搜索结果，只要搜索次数足够多，就能全部搜索到。该方式需要多次投掷才能满足成功率要求，效率较低。

由于每次投掷的结果随机出现，要想投掷一次就出现“全不同”的数字(一次搜索就能全部搜到)的概率P_S较低，且随着电台数量K的增加而迅速减少。

即：

出现碰撞的概率P_Collision＝1-P_S。不同手持救生电台数量K、一次搜索指令就能全部搜索成功的概率P_S如图2(a)所示。由于碰撞随机出现，一次搜索指令能搜索到的手持救生电台的平均数量如图2(b)所示。事实上，当M、K足够大且M＝K时，利用极限理论可以推知平均搜索成功率P_{S_mean}(平均数量/总数量)趋近于一个常数，即

e＝2.7182818284…，电台数量与一次搜索的电台数量占电台总量的比例关系图，如图2(c)所示，由图可知，随着电台数量的增加，一次搜索平均搜索到的电台比例即平均搜索成功率趋近于一个常数。

步骤2，基于选择性投掷法，对手持救生电台响应模型进行改进，得到改进的手持救生电台响应机制；

本发明在手持救生电台响应模型的基础上，引入选择性投掷法：对于每次球体投掷过程，标记没有重复显示的数字对应的球体，表示被搜索到，取走被标记的球体；然后，对剩下的球体再次随机投掷，再取走被标记的球体，重复以上过程直至所有球体被取走，表示所有手持救生电台都被搜索到，结束搜索过程。

然后，将选择性投掷法应用于手持救生电台响应模型，得到改进的手持救生电台响应机制：当手持救生电台接收到搜索指令后，判断是否作出过响应，若是，则不作出响应，否则，发出响应信号。

步骤3，采用改进的手持救生电台响应机制对机载救生电台的搜索指令进行搜救响应，快速确定待救援目标位置。

示例性地，当每个机载台发出的搜索指令具有编号时，对于该具有编号的搜索指令，手持救生电台的响应机制为：识别并记录对应编号，在后续搜索过程中，对已经记录的编号不作出响应。

当每个手持救生电台发出的响应信号具有编号时，对于手持救生电台发出的具有响应编号的信号，机载台的响应机制为：每个机载台在收到具有对应响应编号信号后，在后续搜索指令中加入上次搜索到的响应编号；手持救生电台识别自身响应编号，若搜索指令中具有自身响应编号，则不作出响应，否则，发出响应信号。

通过以上搜索响应配合过程，即可实现多目标的快速定位，大大提高了搜索效率。

对于传统响应机制下的搜索策略结果如图3所示，对于手持救生电台的响应机制下的优化求解结果如图4(a)所示，对于机载台的响应机制下的优化求解结果如图4(b)所示，对比以上三幅图可知，本发明方法在相同搜索成功率下，每次搜索的结果相当于在前一次的基础上降低了碰撞概率，且每次碰撞率大幅降低，成功率提升效果明显，仿真结果表明两者的搜索次数相差4-5倍。

另一方面，本发明对于上述两种响应机制，在建立搜救策略时，建立搜索函数，将快速搜索问题转化为搜索函数最小化问题，据此建立目标函数，并求解目标函数，得到搜索策略，即每个手持救生电台的响应种类数和总搜索次数。

搜索策略的建立过程：

首先，设定搜索指令时长S_T，搜索响应指令时长R_T；手持救生电台的退避选择有M种，退避时长TB＝[0，(M-1)*R_T]，最大退避时长TB_Max＝(M-1)*R_T，则一次完整的搜索过程总时长SR_T＝S_T+TB_Max+R_T＝S_T+M*R_T；

其次，经过N次搜索后的成功率P_{S_N}满足设定成功率P_S，需要的总时间为T_total＝N*SR_T＝N*(S_T+M*R_T)；

最后，构建搜索总时间与搜索次数、退避种类的搜索函数T_total＝f(M，N)；进而建立目标函数：min f(M，N)；根据搜索要求求解目标函数，得到对应的搜索策略，即每个手持救生电台的响应种类数和总搜索次数；

其中，搜索要求为搜索成功率。

本发明中，如果M较小，一次完整的搜索时间SR_T较短，由于碰撞概率较高，需要多次搜索才行。如果M较大，SR_T较长，由于碰撞概率降低，需要的搜索次数显著减小。因此，需要折中考虑，才能在尽量短的时间内获得尽可能高的搜索成功率。

具体求解目标函数的过程为：

首先，设定搜索指令时长S_T，搜索响应指令时长R_T、机载台总数、手持救生电台总数和手持救生电台的响应种类M；

其次，根据搜索成功率要求，得到不同手持救生电台的响应种类M与所需的搜索次数的对应关系；

最后，选取使搜索总时间最短的手持救生电台的响应种类M，进而得到对应的搜索策略。

示例性地，假设S_T＝100ms，R_T＝80ms；有3部机载台，不同M情况下，搜索次数与搜索成功率之间的关系如图5所示。

不同M情况下，一次完整搜索时间分别为SR_T3＝100+3*80＝340ms、SR_T4＝420ms、SR_T5＝500ms、SR_T6＝580ms和SR_T7＝660ms。

搜索成功率P_S≥95％下的搜索次数分别为7、5、4、4和3次；P_S≥99％下的搜索次数分别为10、8、6、6和5次。相应的总搜索时间见表1所示。由表1可知，M＝3、M＝4和M＝6明显不是好的选择，M＝5和M＝7中，M＝5相对更好。

表1不同随机退避时间下的搜索时间对比

本发明具备较强的通用性和扩展性，能够扩展至无线通信中的“搜索-应答”这一类通用问题。本发明中机载救生电台简称为机载台。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于无线电的多目标救援搜索方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，基于一个或多个机载救生电台搜索多个待救援目标的过程，每个待救援目标携带手持救生电台，并对每个机载救生电台发出的救援信号进行响应；建立手持救生电台响应模型；

其中，救生电台为无线通信设备，具备话音、数据传输、定位、测距和测向功能，机载救生电台用于发出搜救信号，手持救生电台能够手动或自动发出遇险信号；

步骤2，基于选择性投掷法，对手持救生电台响应模型进行改进，得到改进的手持救生电台响应机制；

步骤3，采用改进的手持救生电台响应机制建立搜索策略，对手持救生电台进行搜索，快速确定待救援目标位置。

2.根据权利要求1所述的基于无线电的多目标救援搜索方法，其特征在于，所述建立手持救生电台的响应模型，其具体过程为：

基于手持救生电台退避时间随机变化机制，将搜索成功率P_S与搜索次数N的关系，抽象成如下模型：

设定有K个M面球体，对应于K部手持救生电台，球面上标示0，1，2，...，M-1；

将每次搜索过程抽象为K个M面球体的投掷；每次投掷球体，每个球体随机显示不同数字i(i＝0，1，…M-1)的概率分别为

每次投掷后，将没有重复显示的数字对应的球体做标记，代表没有碰撞，即对应手持救生电台的响应被搜索到；重复出现相同数字对应的球体代表出现碰撞，即对应手持救生电台的响应没有被搜索到，需要重新投掷；则投掷N次后的搜索成功率P_S＝f(M，K，N)。

3.根据权利要求2所述的基于无线电的多目标救援搜索方法，其特征在于，步骤1中，所述基于选择性投掷法，对手持救生电台的响应模型进行改进，其具体为：

首先，选择性投掷法：对于每次球体投掷过程，标记没有重复显示的数字对应的球体，表示被搜索到，取走被标记的球体；然后，对剩下的球体再次随机投掷，再取走被标记的球体，重复以上过程直至所有球体被取走，表示所有手持救生电台都被搜索到，结束搜索过程；

然后，将选择性投掷法应用于手持救生电台响应模型，得到改进的手持救生电台响应机制：当手持救生电台接收到搜索指令后，判断是否作出过响应，若是，则不作出响应，否则，发出响应信号。

4.根据权利要求3所述的基于无线电的多目标救援搜索方法，其特征在于，所述判断是否作出过响应，具体为：每个机载台发出的搜索指令具有编号，手持救生电台能够识别并记录对应编号，在后续搜索过程中，对已经记录的编号不作出响应。

5.根据权利要求3所述的基于无线电的多目标救援搜索方法，其特征在于，所述判断是否作出过响应，具体为：每个所述手持救生电台发出的响应信号具有编号，每个机载台在收到具有对应响应编号信号后，在后续搜索指令中加入上次搜索到的响应编号；手持救生电台识别自身响应编号，若搜索指令中具有自身响应编号，则不作出响应，否则，发出响应信号。

6.根据权利要求1所述的基于无线电的多目标救援搜索方法，其特征在于，所述采用改进的手持救生电台响应机制建立搜索策略，对手持救生电台进行搜救为：基于上述改进的手持救生电台响应机制，建立搜索函数，将快速搜索问题转化为搜索函数最小化问题，据此建立目标函数，并求解目标函数，得到搜索策略，即每个手持救生电台的响应种类数和总搜索次数，其具体过程为：

首先，设定搜索指令时长S_T，搜索响应指令时长R_T；手持救生电台的退避选择有M种，退避时长TB＝[0，(M-1)*R_T]，最大退避时长TB_Max＝(M-1)*R_T，则一次完整的搜索过程总时长SR_T＝S_T+TB_Max+R_T＝S_T+M*R_T；

其次，经过N次搜索后的成功率P_{s_N}满足设定成功率P_s，需要的总时间为T_total＝N*SR_T＝N*(S_T+M*R_T)；

最后，构建搜索总时间与搜索次数、退避种类的搜索函数T_total＝f(M，N)；进而建立目标函数：min f(M，N)；根据搜索要求求解目标函数，得到对应的搜索策略，即每个手持救生电台的响应种类数和总搜索次数；

其中，搜索要求为搜索成功率。

7.根据权利要求6所述的基于无线电的多目标救援搜索方法，其特征在于，所述根据搜索要求求解目标函数，得到对应的搜索策略，其具体为：

首先，设定搜索指令时长S_T，搜索响应指令时长R_T、机载台总数、手持救生电台总数和手持救生电台的响应种类M；

其次，根据搜索成功率要求，得到不同手持救生电台的响应种类M与所需的搜索次数的对应关系；

最后，选取使搜索总时间最短的手持救生电台的响应种类M，进而得到对应的搜索策略。

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