浅谈空间软件网络构建技术

摘 要 在航天器飞行过程中，多传感器输入数据样本点之间，存在复杂的数据传输与计算关系。传统软件定义这些数据为矢量或矩阵的形式。通过软件开发人员人工分析数据之间具有局部联系，这些工作简单枯燥，耗费软件开发人员大量精力。随着空间飞行器任务越来越复杂，数据量成倍数增长，亟待解决的问题就是：为数据找到新的高效的表示和编码方法。本文提出一种基于网络构建技术的方法，为解决空间软件编码问题提供了一种新思路。

关键词 网络构建;空间软件;编码

万维网是以网络格式表示的海量数据的典范，页面可以映射为节点，边就是也页面之间的链接。笔者探索将此种方法引入空间数据处理系统，将传统的以矢量或矩阵形式表示的数据转换成网络表示的形式，解决效率低下的问题。

1空间数据特征

（1）无序数据。例如：位置、速度、角度、角速度、时间信息、轨道信息等。

（2）有序数据：从起飞瞬间开始，执行动作具有顺序特征，且不可逆。

（3）数值数据：例如高度和重量。

网络构建的数据相比以向量表示的数据拥有更多的信息。这些附加信息有几个部分组成，其中最重要的就是样本之间的关系结构或者拓扑信息。网络拓扑结构的优势还有可以用交互的方式进行编码。如何改变非结构化数据？本文引入网络构建技术，作为非结构化数据与结构化数据的桥梁[1]。

首先，处理常用的数据距离定义有：欧氏距离;加权欧式距离;曼哈顿或者城市街区距离;切比雪夫距离闵可夫斯基距离马氏距离等。本文使用马氏距离度量目标软件

接下来处理有序和无序两类数据，本文引入二元属性（出现，不出现）的方法来刻画对象间的相似性。例如：太阳相关数据，地球相关数据，恒星相关数据，飞行器自身产生的数据等。我们定义感兴趣的类别为出现，其他类别为不出现状态。因此，当比较两个向量时，会有四种不同的情况：

M11：表示两个向量同时出现的次数;M10：表示仅第一个向量出现的次数;M01：表示只有第二个向量出现的次数;M00：表示两个向量都不出现的次数

常用的相似度算法有：杰卡德相似度，sorensen相似度，简单匹配相似度等。通过实验对比分析各种相似度匹配算法后，本文使用定义buser相似度算法，

因为在这里引入平方根项，可以消除在其他相似度计算公式（杰卡德相似度）中常见样本大小误差。方法及步骤如下：

假定相似矩阵S 或相异矩阵D，构建网络的最直接方法是在两节点之间建立连边，连边权重通过的倒数的函数获得。这种方法生成的网络通常是完全网络且需要满足以下标准：

（1）为了维持节点之间的相互连接，网络必须包含一个巨大的单元。

（2）为了更好揭示数据节点之间的关系，应尽可能稀疏，这样可以增加数据分类处理的效率，增加准确性和鲁棒性。

在工程实践过程中发现，连边的权重与泛化结果正相关。可以将权重小的连边看作数据通信中的噪声，这些噪声将向算法提供误导性信息。所以，这些带噪声的连边会扭曲最终的网络拓扑结构，删掉这些连边将是提高算法效率的一个重要预处理步骤[2]。

根据以上推理，可以稀疏化相似性和相异性矩阵使用KNN网络，这是一种常用的静态网络构建技术。简单地说是将整个网络剪切成一系列重叠的线性模块，然后将他们粘贴在一起。构建一个有向网络，之间互相连接的边存在的条件是当且仅当两个点是最相似的k个元素之一。计算过程中，我们需要按照相异矩阵的行进行升序排序，一旦排序完成，就可以用统一的方式对待数据关系密集区和稀疏区域中的数据项。当处于稀疏区域时，knn网络被激活。实质上是通过启发式算法完成网络构建。具体而言采用单链路方法，构建连接的稀疏的网络，同时也可以维持原来数据集的簇结构。实验表明当K=3时，对目前中等规模软件网络拓扑效果最优。原因分析为，函数嵌套堆栈最大深度为8层，数据间距离计算结果为1～8之间的球形分布，对软件编码规模和密度非常灵活，实现效果高于传统软件工程师人工分析的正确率。

Knn网络构建技术也可以被描述為优化函数，不需要建立对称矩阵。每个节点的出度与参数K对应，但是节点入度保持变化（至少是K）。这种实验现象的产生可以用非对称特性来解释。另外，优化函数可以通过循环信念传播算法实现。使得本算法可以推广到任意复杂度的软件。只需要选择合适的网络直径d，就可以表征网络代替原有的节点相似性度量。

仿真实验：在某空间软件设计编码的过程中，笔者使用KNN网络构建技术度量数据分类的准确性，所用的核函数均是高斯核，结果表明有4类样本的类间样本用直线连接起来，另一类样本间没有连接。可见目标软件，各类之间的差别是微弱的，本实验算法把输入空间的样本映射到高维特征空间，实现了对软件样本在特征空间的优化的目的。

参考文献

[1] 黄凤岗，宋克欧.模式识别[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社， 1998：79.

[2] 沈清，汤霖.模式识别导论[M].北京：国防科技大学出版社，1991：19.

作者简介

葛莹（1983-），女，北京人;学历：硕士，职称：工程师，现就职单位：北京控制工程研究所，研究方向：空间网络软件。