一种相依指挥控制网络耦合方法

技术领域

本发明涉及信息技术领域，涉及一种相依指挥控制网络耦合方法，尤其涉及一种基于相依强度与链路均衡性的指挥控制网络耦合方法。

背景技术

现代化战争下，指挥控制网络越来越表现出层次关联复杂、通信链路交错、网络动态变化以及多网相依特征，使得单个故障会在整个网络中扩散，从而引发级联失效现象，极大地影响了网络的作战效能，如何对相依指挥控制网络的整体特征和动态行为进行分析已成为信息化战争研究的重点问题。但现有建模方法主要基于单层网络，忽略了网络间的相互影响。相依网络[文献：Wang Z，Li C F，Jin X，et a1.Evolutionary dynamics of theinterdependent security games 0n complex network[J].Applied Mathematics andComputation，2021，399：126051.]是一种广义的复杂网络，描述了两个或多个网络间的相依关系。在相依网络中，耦合策略(不同子网间的连边策略)是指用于描述和控制不同网络之间相互依赖关系的一种方法或策略。耦合策略涉及到如何将不同网络中的节点和边缘联系起来，以及如何在不同网络之间传递信息。开展相依指挥控制网络耦合策略研究对表达子网络间的交互关系具有重要意义，也对抑制相依指挥控制网络的级联失效、揭示其内在结构和外在行为至关重要。

现有相依网络耦合策略主要存在两方面的问题，一是忽略了网络间相依强度的问题，相依强度表示了相互耦合的两个网络节点间联系的紧密度，是一个网络对另一个网络影响和控制程度。[文献：李云.考虑耦合强度的相互依赖网络级联故障模型研究[D].东北大学，2015.]，相依强度越大的两个节点越容易形成依赖关系。其次，未考虑到相依边链路均衡性问题。相依链路均衡性用来衡量依赖关系的平衡性，体现在相依边两端节点的差异性。[文献：Yang X H，Feng W H，Xia Y，et al.Improving robustness of interdependentnetworks by reducing key unbalanced dependency links[J].IEEE Transactions onCircuits and Systems II：Express Briefs.202067(12)3187-3191.]，不均衡的依赖边失效后，会导致故障大规模的传播，造成网络性能突变现象。

基于此，本发明利用节点介数，定义了相依指挥控制网络节点间的相依强度；利用桥接系数，定义相依指挥控制网络的链路均衡性；结合相依强度与链路均衡性，设计了相依指挥控制网络耦合方法。该方法充分考虑了相依节点间的信息交互强度与链路差异性，在满足节点能量相互支持的同时起到抑制级联故障的作用，为信息化战争下的相依指挥控制网络模型构建提供了一定的参考。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提出一种相依指挥控制网络耦合算法系统，该系统主要由智能电子设备、基于相依指挥控制网络耦合算法模块组件以及它们之间的接口组成。该系统是由智能电子设备设定相依指挥控制网络耦合算法的初始参数，并通过接口将初始参数传向相依指挥控制网络耦合算法模块，由相依指挥控制网络耦合算法模块择优选取节点构建相依关系，生成相依指挥控制网络模型，并通过与智能电子设备的接口将生成的相依指挥控制网络模型传给智能电子设备，由智能电子设备将相依指挥控制网络模型存储下来并基于用户的指令进行显示。

在本发明中，元件可以使用“被配置为”来描述执行一个或多个功能。一般来说，被配置为执行或被配置为用于执行一个功能的元件能够执行该功能，或者适合执行该功能，或者可操作地执行该功能，或者是以其他方式执行该功能。应当理解的是，“X，Y，Z中的至少一个”和“X，Y，Z中的一个或多个”可理解为只有X，只有Y，只有Z，或者X，Y，Z中的两个或多个的任意组合(例如，XYZ，XY，YZ，XZ，等等)。类似的逻辑也可应用于“至少一个……”和“一个或多个……”语句中出现的任何两个或多个对象。在本说明书中使用的，单数形式的“一”或“该”均包括复数的指代对象，除非该内容和上下文另外明确地指明。即例如，提及“装置”包括两个或更多个此类装置的组合。除非另外指明，“或”连接意图以其作为布尔逻辑算符的正确含义使用，包括择一性的特征选择(A或B)和合取性的特征选择(A或B)两者。智能电子设备包括但不限于计算机、手机、平板电脑等各类终端设备。

本发明所提出的系统包括至少一个计算机处理器、系统存储器以及至少一个计算机可读存储介质。至少一个计算机可读存储介质上载有其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可执行指令。

其中，至少一个处理器包括第一计算机处理器、第二计算机处理器、第三计算机处理器。相依指挥控制网络耦合算法模块组件至少包括第一计算机处理器，其用于根据基于节点介数计算相依强度。相依指挥控制网络耦合算法模块组件至少包括第二计算机处理器，其用于基于桥接系数计算相依边的链路均衡性。相依指挥控制网络耦合算法模块组件至少包括第三计算机处理器，其用于基于相依强度与链路均衡性设计相依指挥控制网络耦合算法，生成相依指挥控制网络模型。

至少一个计算机处理器用于执行计算机可执行指令，以使相依指挥控制网络耦合算法系统执行如下的基于相依指挥控制网络耦合方法。如附图中的流程图和框图，其显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。其中，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。这里参照根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本发明的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。计算机处理器是解释和执行指令的功能单元，也称为中央处理器或cpu，作为计算机系统的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元。

上述计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是但不限于是电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。这里所描述的计算机可执行指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可执行指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。

用于执行本发明操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，编程语言包括面向对象的编程语言-诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言-诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络-包括局域网(LAN)或广域网(WAN)-连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本发明的各个方面。

本发明提供了由上述系统所执行的一种基于相依强度与链路均衡性的相依指挥控制网络耦合方法，方法至少包括以下步骤：基于节点介数给出相依强度新定义；基于桥接系数计算相依边的链路均衡性指数；基于相依强度与链路均衡性设计相依指挥控制网络耦合方法。

根据一种优选的实施方式，基于节点介数，给出相依强度新定义的步骤至少包括：

基于节点介数计算上层网络A中节点i与下层网络节点j之间的相依强度DS(A

DS(A

其中，w

进一步的，基于桥接系数，计算相依边两端节点的链路均衡性。考虑到桥接系数很好地反映了相依边两端节点的链路连接情况，本发明将采用桥接系数来计算相依链路均衡性指数。

根据一种优选的实施方式，基于桥接系数计算相依边的链路均衡性的步骤至少包括：

指挥控制网络边的桥接系数定义式Q

其中，M代表节点i的一阶邻居节点集合，N代表节点j的一阶邻居节点集合，∑

其次，计算链路稳定性指数I。桥接系数越大，表明节点间的联系性就越强，并且以e

根据一种优选的实施方式，将节点i的链路稳定性指数I计算如下：

其中，k

最后，通过相依节点间的稳定性指数之差的绝对值，给出链路均衡性DLB。

根据一种优选的实施方式，通过相依节点间的稳定性指数之差的绝对值，给出链路均衡性DLB的计算方法如下：

其中，A

进一步的，基于相依强度与链路均衡性，设计相依指挥控制网络耦合方法。在相依指挥控制网络中，越是重要的节点，就越需要与重要节点进行相依，才能满足节点间的相互支持。这就要求具有较强指控和协同能力的高层级指控节点所依赖的感知节点同样具有较强侦查和信息传输能力，才能满足其对战场信息掌握的时效性和全面性，以确保作战效率的高效性。

同时，考虑到指控节点的协同能力随着节点的层级逐渐增高，介数值也较大，大部分节点都倾向于指控网络中高层节点进行连接，势必会造成该节点的负载失衡，从而引起整个网络的级联失效。为降低级联失效概率，通常感知节点倾向于上层连边、火力节点倾向于下层连边。因此，在设计相依节点间的耦合方法时，若节点类型为火力节点时，加入层级属性进行调节，计算网络A中节点i与网络B中节点j的连接概率。

根据一种优选的实施方式，基于相依强度与链路均衡性设计相依指挥控制网络耦合的步骤至少包括：

计算网络A中节点i与网络B中节点j的连接概率如下所示：

其中，N

根据一种优选的实施方式，基于相依强度与链路均衡性设计相依指挥控制网络耦合的步骤还包括：

Step1：将网络A节点按照度值由大到小排序得到队列Q

Step2：网络B中节点组成Q

Step3：依次从Q

Step4：判断节点i的类型，计算节点i与Q

Step5：选择节点i、j的邻居节点记为Q

Step6：将节点j从队列Q

Step7：将Q

Step8：结束。

本发明还涉及一种相依指挥控制网络耦合算法系统，该系统主要由智能电子设备、基于相依强度与链路均衡性的指挥控制网络耦合方法模块组件以及它们之间的接口组成。基于相依强度与链路均衡性的指挥控制网络耦合算法模块组件至少包括：第一计算机处理器，用于利用节点介数计算节点间的相依强度；第二计算机处理器，用于利用节点间的桥接系数计算相依边的链路均衡性；第三计算机处理器，其用于依次执行计算节点间的相依强度、相依节点间的计算链路均衡性，利用相依强度与链路均衡求解选取最优节点构建相依关系，建立相依指挥控制网络耦合算法系统，生成相依指挥控制网络模型。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

基于节点介数，给出了相依强度新定义；其次，利用桥接系数，给出了相依边的链路均衡性定义；再次，结合相依强度和链路均衡性，设计了相依指挥控制网络耦合方法。本发明有效描述了相依指挥控制网络的节点信息交互强度和不均衡依赖连接关系，对相依指挥控制网络的耦合策略分析、级联失效控制具有很好的指导意义。

附图说明

图1是本发明提供的一种优选实施方式的一种相依指挥控制网络耦合方法的简化流程图；

图2是本发明提供的一种优选实施方式的蓄意攻击下节点存活率G随相依强度调节参数β取值的变化图；

图3是本发明提供的一种优选实施方式的随机攻击下节点存活率G随相依强度调节参数β取值的变化图；

图4是本发明提供的一种优选实施方式的蓄意攻击下两种相依强度对比分析的变化图；

图5是本发明提供的一种优选实施方式的随机攻击下两种相依强度对比分析的变化图；

图6是本发明提供的一种优选实施方式的蓄意攻击下是否考虑链路均衡性对比分析的变化图；

图7是本发明提供的一种优选实施方式的随机攻击下是否考虑链路均衡性对比分析的变化图；

图8是本发明提供的一种优选实施方式的蓄意攻击下不同耦合方法对比图；

图9是本发明提供的一种优选实施方式的随机攻击下不同耦合方法对比图。

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

实施例1

本实施例提供一种相依指挥控制网络耦合方法。为了验证本发明的可行性、适用性和有效性，从四个方面设计仿真分析。分析了不同相依强度调节参数、不同相依强度度量方法、是否考虑链路均衡性、不同耦合策略的网络节点存活率。初始参数设置为：上层网络中包含感知节点数150个、火力节点数170个，下层网络包含160个指控节点；采用随机攻击、蓄意攻击两种攻击策略，随机攻击下取10次实验求均值，随机攻击会随机选择网络中节点进行攻击，蓄意攻击优先选择重要节点进行攻击；采用节点存活率作为网络性能评价指标，节点存活率衡量了网络受到攻击后，属于最大连通子图的节点数，能很好的衡量网络的抗毁性能。

(1)不同相依强度调节参数β对网络节点存活率的影响

为验证不同相依强度调节参数β对网络性能的影响，仿真分析了蓄意攻击与随机攻击下网络节点存活率随着β取值改变的变化，仿真结果如图1、2所示。从图1、2可看出，蓄意攻击下β对网络节点存活率影响较大；随机攻击下β对网络节点存活率无明显影响。在图1中，β为0.1～0.3时，节点存活率逐渐上升；β继续增大，网络节点存活率下降。在图2中，β为0.5时，网络节点存活率最高；β为0.3时次之。综合分析，β最佳取值为0.3。

(2)不同相依强度度量方法对网络节点存活率的影响

为对比不同相依强度度量方法的准确性与适用性，仿真分析了蓄意攻击与随机攻击下两种相依强度度量方法的网络节点存活率变化情况，仿真结果如图3、4所示。从图3、4中可看出，相比于节点度的方法，本发明在蓄意、随机攻击下都具有较高的节点存活率。在图3中，两种攻击策略下，移除前40个节点时，网络节点存活率无差别，是因为初始网络具有一定的抗毁性能，移除少量节点对网络性能没有显著影响；随着移除节点数的增大，节点度的方法的网络节点存活率下降趋势逐渐加快，移除节点150左右，级联故障在网络内迅速传播，造成网络大规模瘫痪。相比于节点度的方法，本发明基于节点介数，更好地区分了网络中度值相同的节点，使得下层网络指控节点拥有的相依节点数较为均衡，避免了一些度值较大的节点拥有较多相依节点，很好地降低了网络性能突变现象。

(3)是否考虑链路均衡性对网络节点存活率的影响

为分析链路均衡性对网络性能的影响，仿真分析了两种攻击策略下是否考虑链路均衡性的节点存活率变化情况，仿真结果如图5、6所示。从图5、6可看出，在删除节点数小于100时，故障只在单层网络内传播，两种策略无明显差别。当移除节点数大于120后，故障逐渐由一个网络传递到另一个网络，由于相依网络级联效应的存在，网络性能开始急剧下降。本发明考虑相依链路均衡性，其网络节点存活率明显更高，尤其是在蓄意攻击具有明显优势，表明网络具有更好的抗毁性能。这是因为在引入链路均衡性后，降低了位于网络中心的位置节点与连通性较差节点相依概率，使得相依边两端节点差异减小，避免易失效节点故障引起重要相依节点失效的现象发生。

(4)不同耦合策略对网络节点存活率的影响

为验证不同耦合策略对网络性能的影响，仿真分析了蓄意攻击与随机攻击下三种耦合策略的网络节点存活率变化情况，仿真结果如图7、8所示。由图7可知，蓄意攻击下采用低度邻居节点耦合策略的网络突变现象非常严重；本发明方法与邻居节点优先方法很好地改变了该现象，但邻居节点优先耦合方法的节点存活率下降趋势比本发明方法要快。由图8可知，随机攻击下在移除20个节点后，本发明方法的节点存活率明显高于其他两种方法。可见，无论是随机攻击、还是蓄意攻击，本发明方法都具有更高的网络节点存活率，这是因为本发明方法更好地区分了网络重要节点、减少了不平衡依赖边的出现可能，在一定程度上抑制了级联故障，从而提高网络的抗毁性能。

综上所述，本发明提出的一种相依指挥控制网络耦合方法，在两种攻击策略下对比其他两种方法都有较高节点存活率，满足节点间相互支持的情况下又保证了网络的鲁棒性。这表明本发明方法在抑制级联故障方面具有一定优势，为相依指挥控制网络模型构建提供了一定的参考。

在全文中，“优选地”所引导的特征仅为一种可选方式，不应理解为必须设置，故此申请人保留随时放弃或删除相关优选特征之权利。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。