带有层级结构的指控网络级联失效模型构建方法技术

带有层级结构的指控网络级联失效模型构建方法，具体步骤如下：S1：定义指控网络中节点的初始负载和容量；S2：用指控网络失效节点负载重分配方法使网络中所有完好节点的负载发生一次更新；S3：衡量指挥控制网络的级联抗毁性能；S4：建立指挥控制网络级联失效模型。S5：根据建立的级联失效模型调节模型中的参数，采用提出的级联抗毁性测度评估指挥控制网络抗毁性，使得指控网络级联抗毁性达到最优。该方法结合了指控网路层级结构，考虑了指控网络中严格的隶属关系，更能有效和准确反映指控网络级联失效的内在机理和外在行为。

【技术实现步骤摘要】
带有层级结构的指控网络级联失效模型构建方法
本专利技术属于军事指挥与控制学领域，具体说是一种带有层级结构的指控网络级联失效模型构建方法。
技术介绍
随着信息化战争的不断演变，指挥控制网络作为信息化战争体系与体系对抗的神经中枢，不仅成为我方取得战争胜利的关键，也成为敌方攻击的首要目标。为适应信息化作战需求，指挥控制网络将各级各类指挥控制节点连接成纵向一体化贯通、横向互联互通的复杂网络。指控网络表现出结构无标度性、负载分布层次性、节点重要度差异性大等特点，指控网络的复杂性也增加了网络的脆弱性，网络的局域节点随机失效或受到攻击后，由于级联机制的作用可能对整个网络产生较大影响，甚至导致全网崩溃。因此，为提高指控网络的抗毁性，级联失效成为网络科学研究的重点。但是，目前已有的关于复杂网络级联失效模型存在一定的局限性，难以有效分析指控网络抗毁性的问题。复杂网络级联失效重点研究级联失效模型，包括初始负载与容量分配、失效节点负载重分配策略和网络级联抗毁评估等。节点初始负载的定义是基于节点重要度的，现有初始负载定义方法主要采用节点的度、介数或者其函数形式表示。关于失效节点负载重分配策略的问题，目前采用的普遍策略是按照一定的择优原则按照比例将失效节点的负载分配给邻居节点，例如基于节点的度或介数，邻居节点初始容量或者节点空闲容量来分配失效节点的负载。现有关于指控网络级联失效模型均未考虑指控网络严格层级特性，存在以下两点不足：一是指控网络的层级特性使得顶层的指挥节点处于最重要的地位，但其度不一定最大，且最底层的叶子节点介数为零，单纯以节点度、介数或者其函数形式定义节点初始负载不能准确反映指控网络中节点的重要性；二是指控网络存在按级指挥、越级指挥和协同指挥等多种指挥关系，每个节点都有其组织地位，低层级的指挥节点可能无法承担高层级节点的负荷或者职能，常规负载分配策略难以适用于指控网络。评估级联失效对网络造成的损坏程度是分析级联失效的重要环节之一，目前用于评价级联失效抗毁性的指标主要有故障规模(又叫节点故障率)、节点存活率(又叫节点失效比例)、网络连通系数、标准化崩塌规模等。然而上述评估指标都只从网络中节点存活个数的角度来评估网络抗级联失效的能力，没有深入研究每次级联失效结束后网络各个节点还能承受负载的能力。
技术实现思路
鉴于现有网络级联失效模型没有考虑层级结构特性难以有效分析指控网络抗毁性的问题，已有级联失效模型不能直接应用于指控网络；故，本申请提出一种带有层级结构的指控网络级联失效模型构建方法，该方法结合了指控网路层级结构，考虑了指控网络中严格的隶属关系，更能有效和准确反映指控网络级联失效的内在机理和外在行为。为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：带有层级结构的指控网络级联失效模型构建方法，具体步骤如下：S1：定义指控网络中节点的初始负载和容量；S2：用指控网络失效节点负载重分配方法使网络中所有完好节点的负载发生一次更新；S3：衡量指挥控制网络的级联抗毁性能；S4：建立指挥控制网络级联失效模型。进一步的，上述方法还包括：S5：根据建立的级联失效模型调节模型中的参数，采用提出的级联抗毁性测度评估指挥控制网络抗毁性，使得指控网络级联抗毁性达到最优。进一步的，指控网络具有明显的层级性，不同层级的节点在指控网络的重要程度不同，由于越级和协同指挥等关系的存在，度大的节点的指挥层级不一定高。因此，结合节点的度和所在层级，本申请提出基于层级-度的指控网络初始负载定义方法，综合考虑网络的拓扑结构和节点的组织地位，节点初始负载定义为：Fi(0)＝α×kiλ+(1-α)×(D+1-di)γ其中，ki和di分别为节点vi的度和指挥层级(组织地位)，D为指控网络总的指挥层级数；α,λ和γ为初始负载调节系数，控制节点度和指挥层级对节点初始负载的影响，λ,γ∈[0,∞)且α∈[0,1]；通过1-α可以调节负载的层级性，1-α值越大，表示网络层级性在负载定义中的比重越大，网络负载分布的层级性越明显；当α＝0时，表示初始负载定义完全依据节点的指挥层级；当α＝1时，表示节点初始负载分配仅受节点度的影响，不考虑其指挥层级。进一步的，根据ML级联失效模型确定节点的容量，假设容量Ci与其初始负载Fi成线性正比，节点容量定义为：Ci＝(1+β)×Fi其中，β≥0为容限系数，是节点容量富余度量，可表征网络成本；β越大，节点的容量越大，节点承受负载的能力越强，因而抗毁性就越强，同时节点的成本越高。进一步的，指控网络失效节点负载重分配方法，具体是：将失效节点负载只分配给邻居节点中的上级或者同级节点，对于任意失效节点vf，其负载Ff按照比例系数F(cj,η,Cj,k)分配给未失效的上级或者同级节点，表达式如下：其中，Γs是与失效节点连接的同级节点的集合，Γd是与失效节点相连的上级节点的集合，Cj、Ck为对应层级邻居节点容量，η∈(0,1)为负载重分配层级系数，η越大负载越倾向于向更高层节点分配；当时，失效节点没有同级邻居节点，负载只分配给上级邻居节点；当时，失效节点既有同级邻居节点也有上级邻居节点，将按照上级指挥能力和同级协同强度分配失效节点负载；当时，失效节点没有上级邻居节点，负载只分配给同级邻居节点；依据上述失效节点负载重分配策略，失效节点vf任意一个同级或者上级邻居节点vj将分担的额外负载增量ΔFf→j，大小为：Fj→F′j＝Fj+ΔFf→j＝Fj+Ff·F(cj,η,Cj,k)失效节点的负载重分配会使得网络中所有完好节点的负载发生一次更新。进一步的，本申请采用节点存活率G和网络承载能力CF来衡量指控网络抗毁性能，节点存活率测度公式如下：其中，N为初始时刻网络中总节点数，N'为某一时刻级联失效终止后，网络中可以正常工作的节点个数；该指标越大，说明攻击对网络的级联破坏性越小，网络抗毁性越好；网络承载能力CF来衡量指挥控制网络的级联抗毁性能，计算公式如下：其中，Fi和Ci分别是未失效节点vi现有负载和初始容量，V是完好节点集合，ConF是网络所有节点初始负载之和；CF越大，负载重分配策略越有效，节点失效后引起的级联故障越弱，网络的抗毁性越强。更进一步的，建立指挥控制网络级联失效模型中将指挥实体抽象成节点，实体之间的关系抽象成边，且不同的边代表不同的联系，包括指挥关系和协同关系；其中，指挥关系，包括按级指挥和越级指挥；协同关系，包括内部协同和外部协同；将指挥控制网络抽象成无向无权的连通图G＝(V,E)，V＝{v1,v2,…,vn}表示n个节点集合，E＝{e1,e2,…,em}代表网络中m条边的集合；G的邻接矩阵为A＝[aij]，A中元素aij定义为：更进一步的，将作战节点按照“军(师)-旅-团-营-连”方式分为五个层级，构造指控网络级联失效模型，步骤如下：Step1：初始化指控网络G的指挥跨度S，指挥层级D，负载参数α,β与γ，容量系数β，负载重分配倾向系数η；Step2：设定一个根节点，即最高层指控节点，其指挥层级d＝1；Step3：按照指挥跨度S，在第i+1层生成第i层的子节点，每个i层节点产生S个子节点，并对应将S个子节点与其父节点连接，其指挥层级d+1；Step4：重复Step3，直至指挥层级d＝D，构建树状指控网络G0，该指控网络的节点数为N＝(SD-1)/本文档来自技高网...

【技术保护点】
带有层级结构的指控网络级联失效模型构建方法，其特征在于，具体步骤如下：S1：定义指控网络中节点的初始负载和容量；S2：用指控网络失效节点负载重分配方法使网络中所有完好节点的负载发生一次更新；S3：衡量指挥控制网络的级联抗毁性能；S4：建立指挥控制网络级联失效模型。

【技术特征摘要】
1.带有层级结构的指控网络级联失效模型构建方法，其特征在于，具体步骤如下：S1：定义指控网络中节点的初始负载和容量；S2：用指控网络失效节点负载重分配方法使网络中所有完好节点的负载发生一次更新；S3：衡量指挥控制网络的级联抗毁性能；S4：建立指挥控制网络级联失效模型。2.根据权利要求1所述带有层级结构的指控网络级联失效模型构建方法，其特征在于，上述方法还包括：S5：根据建立的级联失效模型调节模型中的参数，采用级联抗毁性测度评估指挥控制网络抗毁性，使得指控网络级联抗毁性达到最优。3.根据权利要求1所述带有层级结构的指控网络级联失效模型构建方法，其特征在于，步骤S1中定义指控网络中节点的初始负载，具体是：指控网络具有明显的层级性，不同层级的节点在指控网络的重要程度不同，定义节点的初始负载为：Fi(0)＝α×kiλ+(1-α)×(D+1-di)γ其中，ki和di分别为节点vi的度和指挥层级，D为指控网络总的指挥层级数；α,λ和γ为初始负载调节系数，控制节点度和指挥层级对节点初始负载的影响，λ,γ∈[0,∞)且α∈[0,1]；通过1-α可以调节负载的层级性，1-α值越大，表示网络层级性在负载定义中的比重越大，网络负载分布的层级性越明显；当α＝0时，表示初始负载定义完全依据节点的指挥层级；当α＝1时，表示节点初始负载分配仅受节点度的影响，不考虑其指挥层级。4.根据权利要求1所述带有层级结构的指控网络级联失效模型构建方法，其特征在于，根据ML级联失效模型确定节点的容量，假设容量Ci与其初始负载Fi成线性正比，节点容量定义为：Ci＝(1+β)×Fi其中，β≥0为容限系数，是节点容量富余度量，可表征网络成本；β越大，节点的容量越大，节点承受负载的能力越强，因而抗毁性就越强，同时节点的成本越高。5.根据权利要求1所述带有层级结构的指控网络级联失效模型构建方法，其特征在于，指控网络失效节点负载重分配方法，具体是：将失效节点负载只分配给邻居节点中的上级或者同级节点，对于任意失效节点vf，其负载Ff按照比例系数F(cj,η,Cj,k)分配给未失效的上级或者同级节点，表达式如下：其中，Γs是与失效节点连接的同级节点的集合，Γd是与失效节点相连的上级节点的集合，Cj、Ck为对应层级邻居节点容量，η∈(0,1)为负载重分配层级系数，η越大负载越倾向于向更高层节点分配；当时，失效节点没有同级邻居节点，负载只分配给上级邻居节点；当时，失效节点既有同级邻居节点也有上级邻居节点，将按照上级指挥能力和同级协同强度分配失效节点负载；当时，失效节点没有上级邻居节点，负载只分配给同级邻居节点；依据上述失效节点负载重分配方法，失效节点vf任意一个同级或者上级邻居节点vj将分担的额外负载增量ΔFf→j，大小为：Fj→F′j＝Fj+ΔFf→j＝Fj+Ff·F(cj,η,Cj,k)失效节点的负载重分配会使得网络中所有完好节点的负载发生一次更新。6.根据权利要求1所述带有层级结构的指控网络级联失效模型构建方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈波，张多平，王运明，
申请(专利权)人：大连大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21