CN116782157A - 一种基于无线电的大规模目标救援搜索方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线电搜索技术领域，具体涉及一种基于无线电的大规模目标救援搜索方法。本发明能够降低碰撞概率，减少搜索次数，显著缩短搜索时间，提升搜索效率；提出了完整的搜索碰撞解决思路、搜索参数选择方法和高效搜索的实现途径，能够解决包括大规模目标批量搜索、未知目标盲搜在内的一大类搜索问题。

Description

一种基于无线电的大规模目标救援搜索方法

技术领域

本发明涉及无线电搜索技术领域，具体涉及一种基于无线电的大规模目标救援搜索方法。

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

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于一种基于无线电的大规模目标救援搜索方法，通过设计改进的手持救生电台响应机制，利用“自适应的确认-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实现。

一种基于无线电的大规模目标救援搜索方法，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，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。

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。

所述采用改进的手持救生电台响应机制建立搜索策略，搜索策略具体为：

设定搜索指令时长S_T、搜索响应指令时长R_T、机载台数量、手持救生电台总数K；

经过N次搜索后的成功率P_{S_N}满足设定成功率P_S，则第一次搜索到第N次搜索每次搜到的手持台数量分别为k_1s，k_2s，...，k_Ns，且

第一次搜索到第N次搜索每次需要搜到的手持救生电台数量分别为K₁，K₂，...，K_N，其中K₁＝K，K₂＝K₁-k_1s，K₃＝K₂-k_2s，...，K_i＝K_i-1-k_(i-1)s，i＝2，3，...，N；

设定第一次搜索到第N次搜索每次搜索手持救生电台相应的退避选择种类分别为M₁，M₂，...，M_N，其中M₁＝K₁+1，M₂＝K₂+1，M₃＝K₃+1，...，M_i＝K_i+1，i＝1，2，...，N；

则第一次搜索到第N次搜索每次搜索手持救生电台的退避时长为TB_i＝[0，(M_i-1)*R_T]，i＝1，2，...，N；每次搜索手持救生电台的最大退避时长为TB_iMax＝(M_i-1)*R_T，i＝1，2，...，N；

则第一次搜索到第N次搜索每次搜索需要的时间为SR_Ti＝S_T+TB_iMax+R_T＝S_T+M_i*R_T，i＝1，2，...，N；

最终经过N次搜索后的成功率P_{S_N}满足设定成功率P_S，需要的总时间为的

进一步的，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x(x＝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可(M，K，N)。

进一步的，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。

进一步的，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。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：具有较高的搜索效率，有效降低因随机退避时间导致的碰撞概率，减少了搜索次数和搜索时间；提出了完整的搜索碰撞解决思路、搜索参数选择方法和高效搜索的实现途径，能够解决包括大规模目标批量搜索、未知目标盲搜在内的一大类搜索问题。

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为本发明基于无线电的大规模目标救援搜索方法的流程图；

图2为当搜索参数K＝10时，不同的退避选择种类与搜索效率(搜索到的电台与搜索时间之比)之间的关系图；

图3为当初次搜索参数K₁＝10时，三种方法的搜索次数和搜索成功率的关系图；

图4为当初次搜索参数K₁＝10时，三种方法的搜索成功率和总搜索时间的关系图；

图5为在搜索成功条件为搜索成功率P_S≥99％时，三种方法的初次搜索参数与平均搜索时间的关系图；

图6为在三种搜索成功条件下：搜索成功率P_S≥90％、搜索成功率P_S≥95％、搜索成功率P_S≥99％，方法2和方法1的搜索时间之比与初次搜索参数K₁、方法3和方法1的搜索时间之比与初次搜索参数K₁的关系图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。

参考图1，本发明基于无线电的大规模目标救援搜索方法，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x(x＝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。

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。

另一方面，本发明对于上述两种响应机制，建立搜救策略，搜索策略具体过程为：

设定搜索指令时长S_T、搜索响应指令时长R_T、机载台数量、手持救生电台总数K；

经过N次搜索，第一次搜索到第N次搜索每次搜到的手持台数量分别为k_1s，k_2s，...，k_Ns，且

第一次搜索到第N次搜索每次需要搜到的手持救生电台数量分别为K₁，K₂，...，K_N，其中K₁＝K，K₂＝K₁-k_1s，K₃＝K₂-k_2s，...，K_i＝K_i-1-k_(i-1)s，i＝2，3，...，N；

参考图2可知，当退避选择种类M＝11时，搜索效率最高。故设定第一次搜索到第N次搜索每次搜索手持救生电台相应的退避选择种类分别为M₁，M₂，...，M_N，其中M₁＝K₁+1，M₂＝K₂+1，M₃＝K₃+1，...，M_i＝K_i+1，i＝1，2，...，N；

第一次搜索到第N次搜索每次搜索手持救生电台的退避时长为TB_i＝[0，(M_i-1)*R_T]，i＝1，2，...，N；每次搜索手持救生电台的最大退避时长为TB_iMax＝(M_i-1)*R_T，i＝1，2，...，N；

第一次搜索到第N次搜索每次搜索需要的时间为SR_Ti＝S_T+TB_iMax+R_T＝S_T+M_i*R_T，i＝1，2，...，N；

经过N次搜索后的成功率P_{S_N}满足设定成功率P_S，需要的总时间为的

举例说明，设定手持救生电台总数K＝10。

第一次搜索时，K₁＝K＝10，M₁＝K₁+1＝11，即手持台收到搜索后在[0，11]之间随机选择退避间隔；假设第一次搜索搜到了5部手持台，即k_1s＝5。

第二次搜索时，第一次搜到的5部手持台收到搜索指令后不再响应，K₂＝K₁-k_1s＝5，M₂＝K₂+1＝6，即手持台收到搜索后在[0，6]之间随机选择退避间隔。

进行了一次搜索指令后，相当于把(M＝11，K＝l0)简化成了(M＝6，K＝5)的搜索问题，第二次搜索所需要的时间变短；当对大规模目标进行搜索时，能大大缩短满足设定成功率P_S所需要的总时间，且具有较高的搜索效率。

下面结合仿真试验对本发明效果进行进一步说明：

将本发明方法与其他两个方法进行比较。

方法1：采用完全重复投掷法，每次搜索的搜索参数K和退避选择种类M均保持不变，退避选择种类M与搜索参数K相等；

方法2：采用选择性投掷法，每次搜索的搜索参数K不断减小，但退避选择种类M始终与初次搜索参数K₁相等；

方法3(本发明方法)：采用选择性投掷法，每次搜索的搜索参数K不断减小，退避选择种类M随着搜索参数K的减小而减小；

参考图3、图4，当初次搜索参数K₁＝10时(对方法1而言，即搜索参数K＝10时)，本发明方法搜到全部手持台搜索次数稍多于方法2、少于方法1，但本发明方法搜到全部手持台的总搜索时间最短，效率最高。

参考图5，当初次搜索参数K₁＝10～300时(对方法1而言，即搜索参数K＝10～300时)，本发明方法搜到全部手持台的平均搜索时间最小。

参考图6，在三种搜索成功条件下：搜索成功率P_S≥90％、搜索成功率P_S≥95％、搜索成功率P_S≥99％，当初次搜索参数K₁＝10～300时(对方法1而言，即搜索参数K＝10～300时)，本发明方法的搜索时间均为最短，搜索效率均为最高。在99％概率下，本发明方法的搜索时间不到方法1的13％，本发明方法的搜索时间不到方法2的60％，效率提升明显。

由此可见，本发明方法的搜索效率更高，在批量搜索场景中的应用具有较大参考价值。

虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于无线电的大规模目标救援搜索方法，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，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；

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；

所述采用改进的手持救生电台响应机制建立搜索策略，搜索策略具体为：

设定搜索指令时长S_T、搜索响应指令时长R_T、机载台数量、手持救生电台总数K；

经过N次搜索后的成功率P_{S_N}满足设定成功率P_S，则第一次搜索到第N次搜索每次搜到的手持台数量分别为k_1s,k_2s,...,k_Ns，且

第一次搜索到第N次搜索每次需要搜到的手持救生电台数量分别为K₁,K₂,...,K_N，其中K₁＝K，K₂＝K₁-k_1s，K₃＝K₂-k_2s，…，K_i＝K_i-1-k_(i-1)s，i＝2,3,...,N；

设定第一次搜索到第N次搜索每次搜索手持救生电台相应的退避选择种类分别为M₁,M₂,...,M_N，其中M₁＝K₁+1，M₂＝K₂+1，M₃＝K₃+1，…，M_i＝K_i+1，i＝1,2,...,N；

则第一次搜索到第N次搜索每次搜索手持救生电台的退避时长为TB_i＝[0,(M_i-1)*R_T]，i＝1,2,...,N；每次搜索手持救生电台的最大退避时长为TB_iMax＝(M_i-1)*R_T，i＝1,2,...,N；

则第一次搜索到第N次搜索每次搜索需要的时间为SR_Ti＝S_T+TB_iMax+R_T＝S_T+M_i*R_T，i＝1,2,...,N；

最终经过N次搜索后的成功率P_{S_N}满足设定成功率P_S，需要的总时间为的

2.根据权利要求1所述的基于无线电的大规模目标救援搜索方法，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x(x＝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1所述的基于无线电的大规模目标救援搜索方法，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。

4.根据权利要求1所述的基于无线电的大规模目标救援搜索方法，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。