无人装备系统网络拓扑弹性优化研究.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:录用日期:作者简介:孟乐()男硕士:.通信作者:张搏()男博士硕士生导师:.:./.无人装备系统网络拓扑弹性优化研究孟 乐张 琳孟宪良王振洋张 搏(.空军工程大学 西安 .部队 甘肃 临夏.部队 乌鲁木齐)摘要:针对无人装备系统的网络拓扑结构优化着力提升网络拓扑弹性增强装备系统抵抗风险能力这一问题主要是对无人装备系统网络结构特点进行分析以无人装备系统的弹性度量和弹性优化理论为基础构建出 优化算法通过增加优化边的策略达到提升无人装备系统的弹性的目的最后通过案例验证了该方法的科学性和有效性表明该方法能够极大程度上提升网络拓扑弹性增强网络结构的强度和韧性对恶意攻击的抵御能力显著增强对提升装备系统的作战效能具有重要意义关键词:无人装备系统网络拓扑弹性弹性优化 优化算法本文引用格式:孟乐张琳孟宪良等.无人装备系统网络拓扑弹性优化研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:引言当前随着人工智能算法、大数据、技术以及区块链等技术的发展和应用无人装备技术发展日趋成熟并大量投入到作战活动中在现代信息化战争中扮演着重要的角色 无人装备具备智能化、小型化、模块化等特点作战样式向蜂群式、集群化的方式转变装备系统结构呈现分布式、网络化等特点复杂程度越来越高这也使得无人装备系统成为当前研究的热点方向目前为了提升装备系统能够在复杂的作战环境中保持系统的性能并能完成相应的作战任务不少学者对装备系统的鲁棒性进行研究旨在提升装备系统性能 鲁棒性是指在故障情况下系统保持工作性能的能力目前对于装备系统的鲁棒性研究主要是在故障情况下系统如何保持或者具备一定的性能 而弹性 来源于拉丁语 意为“回弹”的意思主要描述系统对外界干扰的抵抗能力以及恢复能力是装备系统综合能力的体现 因此不难发现鲁棒性和弹性均能够体现装备系统在干扰情况下具有一定性能或者功能的能力而弹性是对装备系统外界干扰或自身故障到系统恢复全过程特性的综合体现不仅包含了鲁棒性所具备部分特性同时也包含对装备系统的可靠性和可恢复性等网络拓扑弹性 是通过比照物理弹性系统中对材料强度的结构弹性的研究演化而来表现为系统对外界干扰的预防和准备着重突出装备系统的可靠性指标表现为静态特征无人装备网络拓扑弹性是指无人装备网络结构的强度和韧性反映无人装备网络对外界干扰的抵抗能力和免疫能力因此提升无人装备系统的网络拓扑弹性有利于增强装备系统抵御风险的能力能够提升当前作战系统的作战效能当前国内外学者对装备体系的弹性进行深入研究并取得了不少成果 田璐等针对海上舰船系统受到敌方攻击后根据装备节点的任务重要度结合自适应遗传算法构建了 恢复策略对减少系统性能损伤提升系统的鲁棒性具有重要意义齐小刚等对随机故障和恶意攻击下的网络信息系统引发节点和线路故障提出了基于迭代计算的优化算法能够通过增加链路提升网络系统的弹性康东等针对遭受打击的指挥信息系统快速恢复故障、降低性能损失这一问题通过构建双层相依网络构建动态模型并提出弹性策略极大提升了指挥信息系统网络抵御外界干扰的能力孟乐等针对复杂装备系统在意外干扰情况下系统性能受到减损通过对装备系统的节点重要度和弹性度量的分析构建了基于节点重要度的弹性恢复策略提升复杂装备系统的作战效能 不难发现装备系统弹性的优化侧重于恢复策略 的构建多是简单传统的作战模式对呈现分布式特点的多节点装备系统研究较少本文中主要是对无人装备的网络拓扑弹性进行研究通过对无人装备系统的结构特点和网络拓扑弹性优化理论分析构建了网络拓扑弹性的优化算法和流程为优化边的选取提供了依据和方法极大提升无人装备系统的网络拓扑弹性增强装备系统的抗干扰性、可靠性和稳定性 无人装备系统网络拓扑弹性状态指标无人装备作为当前的新型作战力量系统结构复杂多变呈现网络化、分布式的特点 而网络拓扑弹性作为衡量作战系统网络结构是否合理的综合指标也是优化网络的重要依据因此无人装备系统网络拓扑弹性理论是研究无人作战体系的基础也是提升作战系统性能的关键.无人装备系统网络当前传统的集中式作战指挥模式是通过层级式自上而下的指挥作战方式导致作战系统对中心节点或者特定的连接性节点依赖过大这些关键性节点往往就成为敌方精确打击武器首要打击的重点当这些节点装备被摧毁失效时整个装备系统的作战效能就会受到极大的影响而重新构建新的连接链路又需较长的时间导致装备系统的抗干扰能力和恢复能力较差不能满足当前现代化作战发展需求分布式的无人装备系统 是将作战系统中的中心节点装备或者关键节点装备按照功能属性进行分离通过几个小型装备对其进行替换以达到“去中心化”的目的以此避免了关键性装备受到打击后整个装备系统的性能出现了急剧下降甚至瘫痪的现象 通常情况下无人装备系统分布式网络的构建主要考虑 个方面一方面是针对一些关键节点装备在装备系统中的重要性进行重新考虑增强了节点间所增加连边的科学性、合理性另一方面是要将各个分散的节点构建成为一个有弹性和具备打击能力的体系通常情况下作战装备系统由若干个子装备网络系统构成各子装备系统中包含若干具备着侦察预警、指挥控制和火力打击等功能的节点装备子装备网络系统既可以协同配合也可以独立完成作战任务因此子装备网络为最小的作战单元 在作战装备网络中一般包含着各种功能的节点装备然而指挥控制装备作为网络系统中完成指挥控制、信息处理和数据传送等功能的关键节点是整个系统完成任务的核心在作战装备系统中发挥着至关重要的作用 同时在分布式网络中通常情况不是由单一节点装备完成指挥控制功能等作战任务而是由多个分别具备此功能的节点装备构成因此这些节点装备称为平衡节点即为关键性节点.网络拓扑弹性及其状态表征无人装备系统在遭受敌方打击后系统中的节点装备或者信息连边受到毁伤损失整个装备系统的性能出现下降通常情况下系统的性能下降程度与系统损失的节点装备(信息连边)的数量成非线性变化即与敌方的打击强度成非线性变化的关系敌方的打击强度越大装备系统的性能下降程度随之增加 无人装备系统所受的打击强度可用打击损伤的装备节点数量与系统中总的装备节点的比值 进行表示或者用装备节点单位时间通过的任务流与整个作战网络的任务流的比值进行表示 当 为 时此时整个装备系统孟 乐等:无人装备系统网络拓扑弹性优化研究未受到外界打击装备系统的性能处于最大值整个装备网络正常工作当 大于一个定值 时装备系统网络由于装备节点或者任务流过少装备系统将无法完成既定的作战任务并处于瘫痪状态此时可将 定义为装备系统的临界打击阈值同时用()表示在打击强度 下装备系统的性能值通常情况下用装备系统中的正常节点或连边的数量在整个系统中所占的比例进行体现 无人装备系统在受到打击后少数装备节点脱离整个网络系统虽然其单个装备仍存在作战能力但是在欠缺任务流或者信息流的情况下无法完成既定的作战任务故将其视为损失节点 同时在无人装备系统中欠缺平衡节点的子装备网络系统因其欠缺指挥通信节点装备无法产生任务流和通信流子装备系统同样无法完成作战任务也将其认定为损失节点装备或失效节点装备 因此系统的性能()主要考虑装备系统的网络拓扑结构在受到攻击后系统包含平衡节点的极大簇中的正常工作的装备节点在整个装备系统中所占的比值以此作为该攻击强度下无人装备系统所体现的性能 因此无人装备系统的性能和攻击强度呈现如图 所示的关系图 无人装备系统性能图.通过图 不难发现随着装备系统遭受的攻击强度不断增大系统的性能不断降低直至攻击强度为 时装备的性能为 此时 为装备系统的临界阈值即表示装备正常工作节点装备占总装备节点的比例通常情况下特定装备系统的 为一特定值 因此可将无人装备系统的弹性定义为无人装备网络拓扑结构抵抗外界干扰(敌方攻击)的能力是装备系统所特有的一种稳态特性而这种能力正体现在系统在不同攻击强度下表现的综合能力 具体表现如式()()()无人装备系统弹性优化模型.网络拓扑弹性优化理论分析无人装备系统通常由多个无人装备和单装之间的信息连边组成因此在问题研究上可将其简化为复杂网络模型 ()无人装备(平台)用网络的节点(为装备编号)表示装备间的信息(任务流)用网络的连边(表示编号为 和 装备之间的连边)表示 因此无人装备系统可构建出如图 所示的网络拓扑结构 在该网络拓扑结构中根据复杂网络理论装备节点的重要度可以用该节点的度进行计算可采用文献的方法对各节点的重要度进行计算具体步骤如下:步骤:构建邻接矩阵 该矩阵为 阶矩阵元素 定义为节点 到节点 有连边节点 到节点 无连边()步骤:构建度矩阵 具体表现形式如下:()其中对角元素 为节点 的度即与节点 关联的连边条数其余元素均为 步骤:构建 矩阵 ()步骤:构建删除矩阵 节点 对应的删除矩阵 为 矩阵去掉节点 所对应的行和列对应的元素为 阶矩阵步骤:计算节点重要度节点 的重要度 表示为()()()式()中:()为节点 的删除矩阵 的最小特征值()为 个节点对应删除矩阵的特征值()中所取最大值因此通过式()不难发现节点装备、的重要度较高为整个装备系统的关键节点也将是敌方重要打击的装备节点 因此考虑到关键节点受到打击装备系统性能的变化情况对研究装备系统的弹性更具有指导意义图 无人装备系统原始网络.通过对图 中关键节点按照()顺序依次兵 器 装 备 工 程 学 报:/./进行打击后此时装备系统的 此时整个网络结构中不再存在极大簇即再对装备系统任意一节点打击后系统未受打击节点总数小于阈值系统无法维持基本功能即不存在正常工作的节点并处于瘫痪状态 此时整个装备系统网络形成若干个子网络簇如图 所示 其中子网络簇可根据其性质的不同分为有限孤立簇(如图 中蓝色区域)和临界极大簇(如图 中红色区域)若将有限孤立簇视为完整的网络结构继续对其关键节点进行攻击则有限孤立簇内部同样会形成相应的临界极大簇(简称为内核)图 打击后的装备系统网络结构.因此可在内核和临界极大簇的节点之间连接一条连边能够有效的缓解有限孤立簇形成内核而使整个网络崩塌 分别通过构建节点 和、节点 和 之间的连边网络结构如图 所示 通过计算可以得到整个网络拓扑结构的性能变化情况如图 所示图 优化后装备网络结构.同时无人装备系统在增加优化边后装备体系的弹性可表示为 ()()()原网络拓扑结构下:表示弹性()表示攻击强度 下系统的性能 为临界打击阈值优化网络拓扑结构下:表示弹性()表示攻击强度 下系统的性能为临界打击阈值由式()可知构建节点 和节点 的连边使得网络的弹性增加.构建节点 和节点 的连边后网络的弹性值再增加.随着无人装备系统的弹性值的增加系统对外界的抗干扰能力更强图 优化后装备网络性能变化情况.弹性优化模型的构建通过对弹性优化理论的分析发现装备系统构建优化边可以在一定程度上提升整个系统的网络拓扑弹性 为了简化问题研究可以讨论增加一条优化边的情况下装备系统弹性的变化情况以此得到增加连边的各种情况下系统弹性增加的最优解 根据上节优化理论发现无人装备系统在在遭受攻击后网络结构会分离为有限孤立簇和临界极大簇因此在构建优化边时可以对以下 种情形进行分析即可得到弹性优化解情形:优化边 两节点为有限孤立簇 中的 个非孤立节点情形:优化边 两节点为临界极大簇 中的 个非孤立节点情形:优化边 两节点分别为和有限孤立簇 和 中的 个非孤立节点(有限孤立簇 节点数量较 多)情形:优化边 两节点分别为临界极大簇 和有限孤立簇 或者 中的 个非孤立节点具体见图 图 图 情形.图 情形.孟 乐等:无人装备系统网络拓扑弹性优化研究图 情形.图 情形.对于以上构建的 种情形的优化边装备系统的网络拓扑弹性的增量分析如下:情形、:针对有限孤立簇 内的 个节点所构成的优化边 原则上并不会使得网络拓扑结构的有效孤立簇和临界极大簇延缓出现()而当有效孤立簇在孤立前包含攻击的关键节点目标时最多只能够在一个时间序列内延缓有效孤立簇的出现(/为装备系统总的节点数)因此不难发现()与()近似相等因此其优化前后的系统弹性增量为 ()()()同理对于临界极大簇 中的 个节点优化边同样不能有增加系统弹性增量的作用 因此在有效孤立簇和临界极大簇内部增加优化边并造成系统的性能出现明显的改变装备系统的弹性并没有实质性的提升情形:优化边 两节点分别为有限孤立簇 和 中的 个非孤立节点当攻击强度达到 和()时有限孤立簇 和 分别失效而 为 和 内核两节点之间的优化边因此有限孤立簇 的孤立失效会延长延长有限孤立簇 孤立时但是其对临界极大簇的出现并没有实质性的延缓 ()()情形:)当在有限孤立簇 的内核节点与临界极大簇内的节点之间构建增加优化边 有限孤立簇的孤立失效将可以延缓到临界孤立簇的失效因此当 则系统的弹性增量为 ()()()()当在有限孤立簇 的内核节点与临界极大簇内的节点构建增加优化边 时有限孤立簇的孤立失效将可以延缓到临界孤立簇的失效因此在 则系统的弹性增量为 ()()()()在情形 中当 时()()在情形 中当 时()()因此可以由上式计算得到、而通过分析得到 得到 和 因此不难判断情形 和情形 的无人装备系统的网络拓扑弹性增量均大于情形 和情形 的拓扑弹性增量对于情形 和情形 的弹性增量的大小比较可以通过情形 的装备系统网络拓扑弹性增量与情形 的网络拓扑弹性增量进行差值分析:()()()()()()()()因此当 时()()此时弹性增量的差值 即情形 的网络拓扑弹性增量均大于情形 的弹性增量通过上述分析发现情形 中通过对有限孤立簇的内核节点与临界极大簇之间增加优化边时无人装备系统的弹性增量值最大即能够最大程度上对无人装备系统的网络拓扑弹性进行提升 同时通过对比情形 中)和)种情况发现)的弹性增量较)的弹性增量更大此时有限孤立簇 和 中的攻击强度分别为 和(与 之 对 应 的 最 优 边 的 集 合 为 其中 其中元素 为最优边集合中的最优边在原始网络中增加该连边将最大限度地增加装备系统的网络弹性增量是优化装备系统弹性增量的首选 因此提升弹性增量应当按照最优边集合 兵 器 装 备 工 程 学 报:/./中的元素顺序不断重复进行增加直至装备系统的弹性到达预定期望值即可中止该算法程序 因此该算法被称为后验式网络拓扑弹性优化算法(优化算法)算法流程如图 所示图 优化算法流程.案例分析针对某一无人装备网络包含有 个节点装备其中有 个指控通信节点装备 个保障节点装备 个发射火力节点(其中 个含有指控功能为关键节点装备)同时各指控节点配属有自卫功能可对部分目标进行火力打击 保障节点为保障装备负责对各节点装备进行弹药保障和故障维修等在一次作战行动中保障节点是否摧毁不影响战斗行动的进行 现需增加 条边使得整个无人装备系统的网络弹性最大.无人装备系统优化边分析根据已知信息可构建如图 所示的复杂装备网络 通过对图 中关键节点依次进行打击后此时装备系统的 此时整个网络结构能够正常工作的节点装备处于阈值边缘装备系统的性能勉强维持作战能力若此时对装备节点再进行打击装备系统正常节点无法支持装备系统维持正常的功能装备处于瘫痪状态 此时装备系统网络结构如图 所示 同时在图 的基础上进行分析即对有限孤立簇进行打击即可分析出装备系统的内核如图 所示图 无人装备系统网络结构.图 攻击后无人装备网络结构.图 攻击后无人装备网络内核.通过对图 的分析攻击后的网络包含 个临界极大簇 个有限孤立簇以及有限孤立簇生成的内核、和 有限孤立簇 的规模大于有限孤立簇 依据无人装备弹性优化模型理论可以判断出优化边所选择的节点将在有限孤立簇的内核、和 与临界极大簇 中产生 因此通过仿真软件得到增加不同优化边后系统的网络拓扑弹性增量并得到如图 所示的性能变化曲线图并得孟 乐等:无人装备系统网络拓扑弹性优化研究到增加 条优化边后的弹性增量 结果显示增加节点 与节点 连边、节点 与节点 连边、节点 与节点 连边无人装备系统的弹性增量最大其增加优化边数、和 时的装备系统的性能曲线如图 所示图 优化算法下的装备系统性能曲线.同时根据性能曲线图可计算出增加优化边 条至 条后的无人装备系统的网络拓扑的弹性增量如表 所示表 算法下网络拓扑拓扑弹性增量 网络结构原网络增加 条优化边增加 条优化边增加 条优化边弹性增量.无人装备系统加边策略对比分析为验证 优化算法的科学性本文中选取了常用的 种加边策略并求取其增加优化边后无人装备系统的网络拓扑弹性增量)策略:在无人装备网络中任意选取 个节点增加连边同时不允许出现自环和重复边并重复上述流程达到规定的加边数)策略:对无人装备网络中节点装备的度进行计算选择网络中的节点度最小的 个节点作为增加连边的端点同时不允许出现自环和重复边并重复上述流程达到规定的加边数)策略:对无人装备网络中节点装备的介数的计算选择网络中的节点介数最小的 个节点作为增加连边的端点同时不允许出现自环和重复边并重复上述流程达到规定的加边数因此可得到以上 种优化策略下的无人装备系统的性能曲线如图 所示 并根据性能曲线可求得各策略下的弹性增量如表 所示图 不同策略下的装备系统性能曲线.表 不同策略下的网络拓扑弹性增量 网络结构 原网络弹性增量.通过对 优化算法、策略、策略以及 策略的装备系统性能变化曲线和网络拓扑弹性增量进行分析可得到以下结论:)增加连边均能够促进无人装备系统的网络拓扑弹性的增加增强了装备系统网络结构的强度和韧性提升了装备系统抵御风险的能力)优化算法在恶性攻击下对增强网络拓扑弹性的效果最优 和 策略的网络拓扑弹性增量次之策略对弹性的增加效果最差 这说明 优化算法能够更好地找到关键的薄弱节点装备通过增加节点的优化边可以最大程度的提升装备系统的网络拓扑弹性)通过对比性能变化曲线 优化算法的弹性增加主要在性能的后端前期对性能的降低作用不大其他 种策略在前期均有一定的促进效果因此在选择加边策略是应根据实际需求综合考虑 结论针对无人装备系统在恶性攻击下重要节点装备受损系统性能减损甚至系统功能完全丧失这一问题通过对网络拓扑弹性的弹性度量和弹性优化理论进行分析探寻优化边的理论依据提出了 优化算法同时与其它 种增边策略进行了对比分析得到了如下结论:)在恶性攻击模式下 优化算法针对无人装备系统的网络拓扑弹性增量最大表明该方法一定程度上增强了无人装备系统网络的强度和韧性)优化算法的特点在于遭受打击后能够减缓系统性能后期的下降速度但是对于前期性能的下降速度并没有明显作用因此在后期的工作中应对该算法进行优化以探兵 器 装 备 工 程 学 报:/./寻增加连边的最优解最大程度提升无人装备系统的网络拓扑弹性)本文的 优化算法对有人装备的分布式网络系统同时具有一定的适用性能够极大提升复杂作战环境下装备系统的作战效能参考文献:孟乐张琳赵强等.基于超网络的无人作战装备体系建模研究.火力与指挥控制():.():.():.潘星张国忠张跃东等.工程弹性系统与系统弹性理论研究综述.系统工程与电子技术():.():.李稳国.电力网络拓扑优化与弹性提升方法研究.长沙:湖南大学.:.颜炳莅.分形物流网络拓扑弹性研究.武汉:武汉理工大学.:.田璐李震詹梦园等.基于遗传算法的多波次攻击下舰船弹性优化.舰船电子工程():.():.齐小刚张碧雯刘立芳等.复杂信息网络的弹性评估和优化方法研究.计算机科学与探索():.():.康东李建华王哲等.指挥信息系统相依网络模型弹性策略研究.电光与控制():.():.孟乐张琳孟宪良等.基于节点重要度的作战装备系统弹性恢复策略.装甲兵学报():.():.徐浩樊秀娟冀芮等.多时间尺度恢复策略融合的电力系统弹性优化.科学技术与工程():.():.马敏胡大伟舒兰等.城市轨道交通网络韧性评估及恢复策略.吉林大学学报(工学版)():.()():.徐任杰宫琳谢剑等.基于装备体系韧性的作战网络链路重要度评估及恢复策略.系统工程与电子技术():.():.遆宝中.提升电力信息物理系统韧性的蓄意攻击防御及故障恢复策略研究.北京:华北电力大学(北京).:().陈镜.无人机蜂群作战特点和对抗体系设想.无线电工程():.():.杨勇朱安石路明磊.无人智能化装备建设与运用研究.无线电工程():.():.科学编辑 刘昊 博士(国防大学)责任编辑 唐定国孟 乐等:无人装备系统网络拓扑弹性优化研究