淺談空間軟件網絡構建技術

摘 要 在航天器飛行過程中，多傳感器輸入數據樣本點之間，存在復雜的數據傳輸與計算關系。傳統軟件定義這些數據為矢量或矩陣的形式。通過軟件開發人員人工分析數據之間具有局部聯系，這些工作簡單枯燥，耗費軟件開發人員大量精力。隨著空間飛行器任務越來越復雜，數據量成倍數增長，亟待解決的問題就是：為數據找到新的高效的表示和編碼方法。本文提出一種基于網絡構建技術的方法，為解決空間軟件編碼問題提供了一種新思路。

關鍵詞 網絡構建;空間軟件;編碼

萬維網是以網絡格式表示的海量數據的典范，頁面可以映射為節點，邊就是也頁面之間的鏈接。筆者探索將此種方法引入空間數據處理系統，將傳統的以矢量或矩陣形式表示的數據轉換成網絡表示的形式，解決效率低下的問題。

1空間數據特征

（1）無序數據。例如：位置、速度、角度、角速度、時間信息、軌道信息等。

（2）有序數據：從起飛瞬間開始，執行動作具有順序特征，且不可逆。

（3）數值數據：例如高度和重量。

網絡構建的數據相比以向量表示的數據擁有更多的信息。這些附加信息有幾個部分組成，其中最重要的就是樣本之間的關系結構或者拓撲信息。網絡拓撲結構的優勢還有可以用交互的方式進行編碼。如何改變非結構化數據？本文引入網絡構建技術，作為非結構化數據與結構化數據的橋梁[1]。

首先，處理常用的數據距離定義有：歐氏距離;加權歐式距離;曼哈頓或者城市街區距離;切比雪夫距離閔可夫斯基距離馬氏距離等。本文使用馬氏距離度量目標軟件

接下來處理有序和無序兩類數據，本文引入二元屬性（出現，不出現）的方法來刻畫對象間的相似性。例如：太陽相關數據，地球相關數據，恒星相關數據，飛行器自身產生的數據等。我們定義感興趣的類別為出現，其他類別為不出現狀態。因此，當比較兩個向量時，會有四種不同的情況：

M11：表示兩個向量同時出現的次數;M10：表示僅第一個向量出現的次數;M01：表示只有第二個向量出現的次數;M00：表示兩個向量都不出現的次數

常用的相似度算法有：杰卡德相似度，sorensen相似度，簡單匹配相似度等。通過實驗對比分析各種相似度匹配算法后，本文使用定義buser相似度算法，

因為在這里引入平方根項，可以消除在其他相似度計算公式（杰卡德相似度）中常見樣本大小誤差。方法及步驟如下：

假定相似矩陣S 或相異矩陣D，構建網絡的最直接方法是在兩節點之間建立連邊，連邊權重通過的倒數的函數獲得。這種方法生成的網絡通常是完全網絡且需要滿足以下標準：

（1）為了維持節點之間的相互連接，網絡必須包含一個巨大的單元。

（2）為了更好揭示數據節點之間的關系，應盡可能稀疏，這樣可以增加數據分類處理的效率，增加準確性和魯棒性。

在工程實踐過程中發現，連邊的權重與泛化結果正相關?？梢詫嘀匦〉倪B邊看作數據通信中的噪聲，這些噪聲將向算法提供誤導性信息。所以，這些帶噪聲的連邊會扭曲最終的網絡拓撲結構，刪掉這些連邊將是提高算法效率的一個重要預處理步驟[2]。

根據以上推理，可以稀疏化相似性和相異性矩陣使用KNN網絡，這是一種常用的靜態網絡構建技術。簡單地說是將整個網絡剪切成一系列重疊的線性模塊，然后將他們粘貼在一起。構建一個有向網絡，之間互相連接的邊存在的條件是當且僅當兩個點是最相似的k個元素之一。計算過程中，我們需要按照相異矩陣的行進行升序排序，一旦排序完成，就可以用統一的方式對待數據關系密集區和稀疏區域中的數據項。當處于稀疏區域時，knn網絡被激活。實質上是通過啟發式算法完成網絡構建。具體而言采用單鏈路方法，構建連接的稀疏的網絡，同時也可以維持原來數據集的簇結構。實驗表明當K=3時，對目前中等規模軟件網絡拓撲效果最優。原因分析為，函數嵌套堆棧最大深度為8層，數據間距離計算結果為1～8之間的球形分布，對軟件編碼規模和密度非常靈活，實現效果高于傳統軟件工程師人工分析的正確率。

Knn網絡構建技術也可以被描述為優化函數，不需要建立對稱矩陣。每個節點的出度與參數K對應，但是節點入度保持變化（至少是K）。這種實驗現象的產生可以用非對稱特性來解釋。另外，優化函數可以通過循環信念傳播算法實現。使得本算法可以推廣到任意復雜度的軟件。只需要選擇合適的網絡直徑d，就可以表征網絡代替原有的節點相似性度量。

仿真實驗：在某空間軟件設計編碼的過程中，筆者使用KNN網絡構建技術度量數據分類的準確性，所用的核函數均是高斯核，結果表明有4類樣本的類間樣本用直線連接起來，另一類樣本間沒有連接?？梢娔繕塑浖?，各類之間的差別是微弱的，本實驗算法把輸入空間的樣本映射到高維特征空間，實現了對軟件樣本在特征空間的優化的目的。

參考文獻

[1] 黃鳳崗，宋克歐.模式識別[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社， 1998：79.

[2] 沈清，湯霖.模式識別導論[M].北京：國防科技大學出版社，1991：19.

作者簡介

葛瑩（1983-），女，北京人;學歷：碩士，職稱：工程師，現就職單位：北京控制工程研究所，研究方向：空間網絡軟件。