0  引言

粒子濾波是一種基于蒙特卡羅思想的非線性非高斯狀態估計濾波方法^［1］，在故障診斷、目標跟蹤等相關領域取得了一定的應用效果。段琢華等人^［2］提出一種基于粒子濾波器的移動機器人傳感器故障診斷方法，并驗證了該方法可以有效識別移動機器人一種或多種故障。程建等人^［3］將粒子濾波理論應用于紅外目標跟蹤，在粒子濾波理論框架下，紅外目標的狀態后驗概率分布用加權隨機樣本集表示,通過隨機樣本的Bayesian迭代進化實現紅外目標的跟蹤。然而隨著迭代次數的增加，粒子重要性權重的方差越來越大，使得粒子的權重集中到很少數粒子上，其他粒子的重要性權值將會很小，這就是粒子退化現象。DOUCET A等人^［4］已從理論上證明了粒子退化現象出現的必然性。粒子退化問題將會嚴重影響粒子濾波精度。

針對粒子濾波存在的粒子退化問題，國內外學者進行了大量的研究。張琪等人^［5］提出一種基于權值選擇的粒子濾波算法.按照粒子權值的大小選擇較好的粒子用于濾波,以增加樣本的多樣性,從而緩解粒子濾波的退化問題。夏飛等人^［6］在重采樣階段采用了一種權值排序、優勝劣汰的重采樣算法,對各粒子的歸一化權值按從小到大的順序排列，并根據權值方差大小淘汰粒子,從而得到了改進的粒子濾波算法,在一定程度上解決了標準粒子濾波的退化問題。但是上述兩種方法仍然是基于傳統采樣的框架，未能徹底解決粒子退化的問題。

蝴蝶算法(Butterfly Algorithm，BA)是由ARORA S和SINGH S^［7］提出的一種基于蝴蝶覓食行為的全局優化算法。通過仿真指出該算法優于其他自然啟發式算法，相較于其他算法具有更高的收斂精度和更快的收斂速度。受此算法特點啟發，本文引入蝴蝶算法優化粒子濾波采樣過程，并通過仿真實驗驗證蝴蝶優化粒子濾波算法能夠改善基本粒子算法存在的濾波粒子退化問題。

1  粒子濾波算法

粒子濾波是一種基于蒙特卡羅思想的貝葉斯估計方法 ^［8］。假設有非線性系統的狀態空間模型:

其中，f(·)和h(·)分別為狀態轉移方程和觀測方程。x_t為系統在t時刻的狀態變量，z_t為系統在t時刻的觀測值，w_t和v_t為相互獨立的噪聲，分別為系統的過程噪聲和觀測噪聲，u_t為系統在t時刻的輸入量。

濾波就是計算后驗濾波概率密度p(x_t|z_1:t)，已知p(x_t|z_1:t)是p(x_0:t|z_1:t)的邊沿概率密度。假設t-1時刻濾波概率密度p(x_t-1|z_1:t-1)已知,系統狀態x_t服從一階馬爾可夫過程且系統觀測z_t獨立。通過下式

得出包含t-1時刻觀測值的t時刻系統狀態先驗概率密度p(x_t|z_1:t-1):

式（3）即為預測過程，其中，p(x_t|x_t-1)是系統的狀態轉移概率密度。利用t時刻的觀測值z_t，通過更新修正p(x_t|z_1:t-1)，得到t時刻系統狀態的后驗概率密度p(x_t|z_1:t)，由貝葉斯定理可得狀態更新方程:

其中

然而，對于非線性非高斯系統而言，在過程中式(3)和式(4)消去中間參量和其他位置參量的計算卻很困難，很難得到完整的解析式來表達這樣的概率密度函數。因此，粒子濾波采用序貫蒙特卡羅采樣方法，從后驗概率密度p(x_t|z_1:t)采樣大量的隨機樣本點來近似待估計的分布，這些隨機樣本點稱為粒子。用大量的粒子來近似整個后驗分布，當粒子數量足夠多時，后驗分布能被準確近似，是一種全局近似最優濾波。假設從后驗概率密度p(x_t|z_1:t)采樣得到N個粒子，則后驗概率密度可以通過下式近似表示：

其中，xit表示從后驗概率密度中采樣得到的粒子，δ(·)表示Dirac delta函數。

但是在實際中卻很難從函數p(x_t|z_1:t)中采樣?？梢韵葟囊粋€事先已知且容易采樣的參考分布q(x_t|z_1:t)中采樣，通過在q(x_t|z_1:t)中采樣x粒子進行加權來近似計算p(x_t|z_1:t)。當選取重要概率密度為

時，重要性權重方差最小，此時為最優重要性概率密度。權值計算方程為:

式（8）中，p(z_t|xⁱ_t-1)無法求解，所以更常見的是選取先驗概率密度為重要性概率密度，即

式子化簡為

將重要性權重歸一化，即

而后驗概率密度可以表示為：

式中，重要性權值如式(11)所示。當N→∞時，由大數定理可知，式（12）逼近于真實后驗概率p(x_t|z_1:t)。

2  蝴蝶優化粒子濾波

2.1 蝴蝶算法

蝴蝶算法是一種自然啟發式全局尋優算法，其主要思想類似于蝴蝶群覓食行為，每一只蝴蝶都會散發一定強度的香味，同時每只蝴蝶都會感受到周圍其它蝴蝶的香味，并朝著那些散發更多香味的蝴蝶移動。蝴蝶的香味取決于三個因素：感知形態、刺激強度以及冪指數。用方程表示為

F=cI^a(13)

其中，F表示香味濃度大小，c為感知形態，I為刺激強度，a為冪指數。

已知目標函數f(x)，蝴蝶算法的基本步驟如下：

(1)初始化具有n只蝴蝶的蝴蝶種群，由目標函數f(xi)決定每一只蝴蝶xi的刺激強度Ii。

(2)計算蝴蝶種群中每一只蝴蝶的適應值，并找到位置最優的蝴蝶。

(3)計算蝴蝶散發的香味。由于外界環境的干擾，產生隨機數p用于決定蝴蝶是進行局部搜索還是全局搜索。

(4)若進行全局搜索，蝴蝶飛向全局適應度最高的蝴蝶，全局搜索可以表示為

其中，xt+1i為第i只蝴蝶在第t次迭代的解向量。g*表示目前所有蝴蝶中的最優解。

(5)若進行局部搜索，蝴蝶進行Lévy隨機飛行。局部搜索可以表示為

為了避免蝴蝶移動陷入局部最優，在算法中引入Lévy飛行，Lévy飛行實質是一種隨機游走，步長分布符合重尾概率分布：

Lévy飛行能夠加快局部搜索，提高搜索效率。本文中，λ的取值范圍為(1,2］。

2.2  融合蝴蝶算法與粒子濾波

在蝴蝶算法中，把蝴蝶看作粒子濾波中的粒子，可以看出蝴蝶算法和粒子濾波存在一定的相似性。首先，蝴蝶算法中蝴蝶不斷地更新自己的位置并向適應度最高的蝴蝶飛去，類似于粒子濾波算法中粒子不斷地逼近真實系統狀態的后驗概率分布。其次，蝴蝶算法中適應度最高的蝴蝶是種群中的最優值，類似于粒子濾波算法中具有最大重要性權重的粒子最可能處于真實的后驗分布。

本文將蝴蝶算法優化思想引入粒子濾波采樣過程，提高粒子濾波性能。但是如果直接將蝴蝶優化算法與粒子濾波結合，會導致許多的問題，所以引入蝴蝶算法優化粒子濾波的過程中需做如下修改：

（1）常規粒子濾波的重要性概率密度選取的是先驗概率密度，丟失了當前時刻的觀測值，所以在計算蝴蝶的適應值時利用最新時刻的觀測值。因此，計算蝴蝶的適應值方程定義為:

其中，R_k是觀測噪聲方差，z_new是最新的觀測值，z_pred表示預測的觀測值。

（2）在蝴蝶的移動過程中，每一只蝴蝶都會向當前已知最優值逼近。而在蝴蝶算法的全局搜索方程中g*-xti已經確定了蝴蝶的移動方向，但是當Lévy飛行出現負值時，蝴蝶卻會朝著最優值反方向移動，造成無效的重復計算。因此，應對Lévy飛行取絕對值。改進后的全局搜索方程變為:

（3）在蝴蝶算法的全局搜索方程式(18)和局部搜索方程式(15)中，當Lévy飛行值和Fi值太小時會導致蝴蝶的位置基本不移動，造成無效的位置更新。所以當蝴蝶更新的位移太小時需要根據實際情況進行適當的擴大。

綜上，引入蝴蝶算法優化后的粒子濾波(BA-PF)具體實現如下：

(1)初始化。選取先驗概率作為重要性概率密度函數，從重要性函數中產生N個粒子組成粒子群，所有粒子的權值為1/N。設置迭代次數T、搜索切換概率p等參數。

(2)預測。通過式(1)計算狀態的預測值。

(3)尋找最優值。把粒子濾波中的每一個粒子看作蝴蝶算法中的一只蝴蝶。通過適應度函數式(17)計算每一個粒子的適應度值，并通過式(19)找到全局最優的粒子g*，即適應度值最大的蝴蝶。

(4)利用式(13)計算每一個粒子的香味F_i，產生隨機數r用以決定粒子利用式(18)進行全局搜索，或者利用式(16)進行局部搜索。當迭代次數達到最大次數M時，停止迭代。

(5)更新優化后粒子的重要性權重并歸一化。

(6)重采樣。若有效粒子N_eff小于有效樣本閾值N_th，即時，則進行重采樣。得到新的粒子集。

(7)狀態估計。利用進行狀態估計。

(8)判斷算法是否繼續，若繼續，則返回步驟（2），否則算法結束。

3  實驗結果及分析

實驗硬件環境為筆記本電腦(Intel Core i7處理器、16 GB內存)，實驗軟件環境為MATLAB 2016a。為了驗證改進粒子濾波的有效性，將蝴蝶優化粒子濾波算法(BA-PF)與常規粒子濾波(PF)和基于無跡卡爾曼濾波優化的粒子濾波(UPF)進行對比，本文采用文獻［9］中的非線性系統,系統的狀態方程和測量方程為:

其中φ1=0.5,φ2=0.2,φ3=0.5,ξ=0.04，過程噪聲w取Gamma(3,2)的伽瑪噪聲，觀測噪聲v取均值為零、方差為0.000 1的高斯噪聲。采用3種算法對上述非線性模型系統狀態進行估計和跟蹤。采用均方根誤差E_RMSE來度量各濾波算法的性能。均方根誤差公式為:

實驗算法參數設置值參考如表1所示。

仿真在不同粒子數N=20、N=40、N=100下對三種粒子濾波算法的濾波精度和運行時間進行對比，如表2所示。圖1為一次獨立仿真條件下粒子數N=20時三種粒子濾波算法的狀態估計，圖2為對應仿真運行中三種粒子濾波算法的估計誤差絕對值。

由圖1、圖2和表2可以看出，BA-PF算法的均方根誤差明顯小于PF算法和UPF算法，同時BA-PF算法在粒子數較少時就能具有很高的濾波精度，這主要是因為BA-PF算法能夠驅動無效粒子向似然概率高的區域移動，增強了粒子的作用效果。而PF算法在粒子數量較少時，容易失去狀態估計，如從時間點t=16到t=22。UPF因為引入無跡卡爾曼濾波，所以濾波精度較PF算法有所提高，但是低于BA-PF算法的濾波精度。

為了測試不同粒子濾波算法的魯棒性，獨立仿真在時間點t=40和t=45時刻設置狀態發生的突變，幅值為15。圖3為粒子數N=20并且發生突變后三種粒子濾波算法的狀態估計結果，圖4為相應三種粒子濾波算法的估計誤差絕對值。從表2中還可知，BA-PF算法的執行時間稍微高于PF算法，但是遠低于UPF算法的執行時間。

從圖3和圖4可以看出在t=40和t=45時刻狀態值發生躍變，PF算法和UPF算法都發生了明顯的估計偏差，其中又以PF算法最為明顯。而BA-PF算法由于引入Lévy隨機飛行，避免了局部最優問題，沒有發生明顯偏差，這說明BA-PF算法對系統狀態突變的適應性強，算法魯棒性高。綜上，由于BA-PF算法在重要性采樣過程中引入蝴蝶優化算法，有效改善了粒子退化現象，提高了濾波精度。

4  結論

本文提出了一種基于蝴蝶優化的粒子濾波算法，引入蝴蝶算法優化常規粒子濾波的重要性采樣過程，驅動遠離真實狀態的粒子向真實狀態可能性較大的區域移動，從而有效改善了粒子濾波存在的粒子退化問題，提高了粒子濾波的濾波精度。同時通過蝴蝶搜索模式的切換和Lévy隨機飛行使BA-PF算法避免陷入局部最優。實驗結果表明，BA-PF算法在粒子數量少量的情況下能實現有效濾波，比PF算法具有更好的濾波性能，算法魯棒性高。

參考文獻

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［9］ DOUCET A, FREITAS N D, WAN E. The unscented particle filter［C］. Neural Information Processing Systems, NIPS, 2001: 584-590.

（收稿日期：2018-03-27）

作者簡介：

劉云濤（1991-），男，碩士，主要研究方向：嵌入式系統、人工智能。