一种缓解空中交通CPS级联失效的方法与流程

一种缓解空中交通cps级联失效的方法
技术领域
[0001]
本发明属于空中交通cps级联失效缓解领域，尤其是涉及一种缓解空中 交通cps级联失效的方法。


背景技术：

[0002]
空中交通管理系统具备了典型的信息物理系统的特征，通过3c (computation,communication,control)技术的有机融合和深度协作， 实现了对物理环境的感知和管制信息的处理，以此达到交通流与信息流相互 依存的目的。然而国内外学者对空中交通cps的研究相对较少，2016年，roys,sridhar b基于cps建立了评估模型，分析信息网络受到攻击产生中断 而对空中交通管理系统的威胁程度；2017年，ren l对航空系统中foc、ansp 等如何向cps转变做了详细描述；2018年，李飞提出了基于cps技术构建下 一代航空电力系统的思路，分析了航空电力信息物理融合系统需要解决的关 键技术[7]，以上研究为以后空中交通cps研究奠定了基础。
[0003]
但是现有技术并未完全解决空中交通拥堵问题。2015年8月15日，华 盛顿特区空中交通管制中心发生计算机故障，导致该中心的空域扇区几乎完 全关闭，导致大面积航班延误；2018年6月30日，受雷雨天气影响，上海 浦东机场航班发生大面积延误，通行能力下降40％左右。当特殊情况发生时， 影响的飞行范围从单条航路会蔓延到一个地区，甚至是整个空中交通系统， 导致级联失效的发生，从而引起空域容量下降、航班延误或取消。一旦发生 级联失效现象，网络可能迅速崩溃，甚至瘫痪。


技术实现要素：

[0004]
有鉴于此，本发明提出一种缓解空中交通cps级联失效的方法以解决空 中交通cps发生级联失效现象，网络可能迅速崩溃，甚至瘫痪的问题。
[0005]
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
[0006]
一种缓解空中交通cps级联失效的方法，包括以下步骤：
[0007]
s1：将空中交通cps级联失效过程设定为三种运行状态，包括正常状态、 拥堵状态、失效状态；
[0008]
s2：根据实际流量对空中交通cps节点容量进行计算；
[0009]
s3：判断航路网与管制网正常运行过程中所有节点是否均满足节点流量 小于节点容量，当节点流量大于节点容量时，执行步骤s4；
[0010]
s4：对失效节点开始进行流量再分配，将其流量全部分配至相邻节点， 并且信息流只在管制网中传递，交通流只在航路网中传递；与失效节点相连 节点流量增加量为δl；
[0011]
s5：失效进一步扩散，识别出流量大于节点容量的节点，该节点的状态 由正常状态变为拥堵状态，将超出其容量的流量δl'分配至与该节点相邻的 正常状态的节点；
[0012]
s6：判断航路网或管制网所处状态，若网络中存在节点l
i
＞c
i
且φ＝0， 则网络处于崩溃状态，级联失效结束；若航路网或管制网存在节点l
i
＞c
i
且 φ＞0，则网络处于流量
再分配状态，跳转至步骤s5；若航路网或管制网节 点均小于l
i
≤c
i
，网络恢复正常运行状态，级联失效结束。
[0013]
进一步的，步骤s1中利用的正常状态是指流量小于容量，网络运行正 常；
[0014]
拥堵状态是指流量大于容量，处于此状态之下的节点无法再接受来自其 它失效节点所分配的流量，只能允许其流量向其他正常节点流出，直至此节 点的流量小于或等于其容量，恢复至正常状态；
[0015]
失效状态是指容量为零，原有流量分配至其邻接节点。
[0016]
进一步的，航路点或管制席位失效的具体流程如下：
[0017]
a1：正常运行状态：此时所有节点的流量全都小于其容量；
[0018]
a2：进入失效状态：某一节点d失效后，d的流量就会按照相应的规则分 配到其邻接节点g、f、e；
[0019]
a3：失效扩散状态：节点e接收来自d失效后分配的流量，由原来的正 常状态变为拥堵状态，然后将超过其容量的那部分流量分配到其邻接节点h、 j；
[0020]
a4：失效结束状态：当出现以下两种情况时，级联失效发生终止：一是 经过流量再分配后，所有节点的流量均小于其容量，网络达到平衡状态；二 是某一节点失效，其他节点经过流量再分配后，都处于拥堵状态，无法再接 受流量，网络处于崩溃状态。
[0021]
进一步的，定义网络正常率来表征级联失效的缓解程度λ，具体公式如 下：
[0022]
λ＝n
p
/n
[0023]
其中，n
p
为经过流量分配后处于正常状态的节点数量；n为节点的总 数，
[0024]
λ越大，缓解策略效果越好。
[0025]
进一步的，步骤s1中利用的节点容量c
i
计算方法为
[0026]
c
i
＝l
i
+θ*l
iμ
[0027]
其中，l
i
为节点i的流量；μ表示0和1之间的流量可调参数；θ表示 大于0的容量可调参数，θ越大，容量越大。
[0028]
进一步的，分别采用节点度分配、介数中心性分配、剩余容量分配等策 略，对航路网与管制网级联失效进行缓解。
[0029]
进一步的，采用度分配缓解策略计算步骤s1中利用的与失效节点相连 节点流量增加量为δl方法如下：
[0030][0031]
其中，ki为节点i的度；
[0032]
采用度分配缓解策略计算步骤s1中利用的超出失效节点容量的流量δl' 方法如下：
[0033][0034]
其中，φ为节点j的邻接节点中处于正常状态的节点总数。
[0035]
进一步的，采用介数中心性分配缓解策略计算步骤s1中利用的与失效 节点相连节点流量增加量为δl方法如下：
[0036][0037]
其中，b
j
表示节点j的介数中心性；γ表示与i相邻节点的集合；
[0038]
采用介数中心性分配缓解策略计算步骤s1中利用的超出失效节点容量 的流量δl'方法如下：
[0039][0040]
其中，φ为节点j的邻接节点中处于正常状态的节点总数。
[0041]
进一步的，采用剩余容量分配缓解策略计算步骤s1中利用的与失效节 点相连节点流量增加量为δl方法如下：
[0042][0043]
其中，c
j-l
j
表示节点j的剩余容量；π表示与i相邻节点的集合；
[0044]
采用剩余容量分配缓解策略计算步骤s1中利用的超出失效节点容量的 流量δl'方法如下：
[0045]
其中，φ为节点j的邻接节点中处于正常状态的节点总 数。
[0046]
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
[0047]
本发明提出的一种缓解空中交通cps级联失效的方法将节点划分为正 常、拥堵、失效三种状态，分别采用节点度分配、介数中心性分配、剩余容 量分配等策略，对航路网与管制网级联失效进行缓解，并通过网络正常率指 标表征级联失效缓解程度。在节点介数中心性分配方式下，抵御级联失效的 能力更强，最先从崩溃状态开始恢复；节点剩余容量分配下，级联失效最先 恢复到原始的正常状态，各节点接收额外容量的能力得到充分利用，具备更 好的缓解效果。
附图说明
[0048]
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的 示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在 附图中：
[0049]
图1为本发明实施例所述的一种缓解空中交通cps级联失效的方法示意 图；
[0050]
图2为本发明实施例所述的空中交通cps级联失效示意图。
具体实施方式
[0051]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特 征可以相互组合。
[0052]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、
ꢀ“
上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、
ꢀ“
顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示 的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或
暗 示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此 不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述 目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征 的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包 括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的 含义是两个或两个以上。
[0053]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语
ꢀ“
安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也 可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可 以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。 对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明 中的具体含义。
[0054]
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0055]
如图2所示，以往学者建立级联失效模型时，大都将节点设置为正常和 失效两种状态，但在空中交通中，当某航路交叉口各个方向均出现大量航班 时，信息流传递不及时，航路网的通行能力会迅速下降但不会失效为零，即 交通拥堵。而当航路点出现拥堵状态时，管制员会及时进行交通流的疏导， 使其尽快恢复正常通行，期间信息流也会在管制网各席位之间频繁交互。基 于以上情况，将空中交通cps级联失效过程设定为三种运行状态：
[0056]
(1)正常状态：流量小于容量，网络运行正常。
[0057]
(2)拥堵状态：流量大于容量，处于此状态之下的节点无法再接受来自 其它失效节点所分配的流量，只能允许其流量向其他正常节点流出，直至此 节点的流量小于或等于其容量，恢复至正常状态。
[0058]
(3)失效状态：容量为零，原有流量分配至其邻接节点。
[0059]
基于以上设定的三种节点状态，航路点或管制席位失效的具体过程为：
[0060]
(1)正常运行状态：此时所有节点的流量全都小于其容量。
[0061]
(2)进入失效状态：某一节点d失效后，d的流量就会按照相应的规则 分配到其邻接节点g、f、e。
[0062]
(3)失效扩散状态：节点e接收来自d失效后分配的流量，由原来的正 常状态变为拥堵状态，然后将超过其容量的那部分流量分配到其邻接节点h、 j。
[0063]
(4)失效结束状态：当出现以下两种情况时，级联失效发生终止。一是 经过流量再分配后，所有节点的流量均小于其容量，网络达到平衡状态；二 是某一节点失效，其他节点经过流量再分配后，都处于拥堵状态，无法再接 受流量，网络处于崩溃状态。
[0064]
空中交通cps级联失效模型建立与节点的流量、容量有关，将管制席位 的容量定义为某一时间段内所能传递的最大信息流；航路网中，将航路点的 容量定义为某一时间段内所能容纳的最大交通流。在现有的研究中，多把容 量与流量定义为正比例关系[16]，但是实际的空中交通运行过程中，航路点 的容量不仅受导航设备、空域条件影响，还与航路网通行能力、管制员等因 素有关，因此根据实际流量将空中交通cps节点容量c
i
定义为
[0065]
c
i
＝l
i
+θ*l
iμ
[0066]
其中，l
i
为节点i的流量；μ表示0和1之间的流量可调参数；θ表示 大于0的容量可调参数，θ越大，容量越大。
[0067]
根据节点流量与容量的关系，保持μ不变，调节参数θ的大小来反映一 个节点所能
容纳最大流量的能力；当θ趋于无穷大时，容量也趋于无穷大， 此时任一节点失效都不会引发级联失效；当θ趋向于无穷小时，容量与流量 趋于相等，此时所有节点都已接近饱和，当某一节点失效，其他节点已无法 接受该节点分配的流量，从而引起严重的级联失效，导致网络崩溃。因此， 一定存在一临界值θ
τ
，当θ＜θ
τ
，节点失效，引发级联失效造成网络严重受损； 当θ≥θ
τ
，节点失效，不会引发级联失效。θ
τ
越小，网络因级联失效而崩溃的 概率越小，节点对导航设备、空域条件的要求越低，进而降低经济成本，减 弱管制员的工作强度。
[0068]
通过上述分析可知，存在θ
τ
，当θ≥θ
τ
时，网络不会因级联失效而崩溃。 实际上航路网或管制网崩溃不易发生，因此主要研究θ≥θ
τ
时，某一节点受 到攻击失效，对其流量进行再分配。
[0069]
当θ≥θ
τ
时，网络中状态正常的节点数量可体现流量再分配方式对级联 失效的缓解程度。定义网络正常率来表征级联失效的缓解程度，具体公式如 下：
[0070]
λ＝n
p
/n
[0071]
其中，n
p
为经过流量分配后处于正常状态的节点数量；n为节点的总数。 λ越大，缓解策略效果越好。
[0072]
如图1所示，采用优化负载分配策略，分别用度、介数中心性和剩余容 量分配策略来缓解空中交通cps级联失效的程度，缓解过程如下：
[0073]
步骤一：航路网与管制网正常运行过程中所有节点均满足l
i
＜c
i
；
[0074]
步骤二：进行选择性攻击，使某一节点失效；
[0075]
步骤三：失效节点开始进行流量再分配，将其流量全部分配至相邻节点， 并且信息流只在管制网中传递，交通流只在航路网中传递；与其相连节点流 量增加量为δl；
[0076]
步骤四：失效进一步扩散，识别出l
i
＞c
i
的节点，以节点j为例，其状态 由正常变为拥堵，将超出其容量的流量δl'分配至与节点j相邻的正常状态的 节点；
[0077]
步骤五：判断航路网或管制网处于何种状态：
[0078]
(1)若网络中存在节点l
i
＞c
i
且φ＝0，则网络处于崩溃状态，级联失效 结束；
[0079]
(2)若航路网或管制网存在节点l
i
＞c
i
且φ＞0，则网络处于流量再分配 状态，跳转至步骤四；
[0080]
(3)若航路网或管制网节点均小于l
i
≤c
i
，网络恢复正常运行状态，级 联失效结束。
[0081]
采用度分配缓解策略计算步骤s1中利用的与失效节点相连节点流量增 加量为δl方法如下：
[0082][0083]
其中，ki为节点i的度；
[0084]
采用度分配缓解策略计算步骤s1中利用的超出失效节点容量的流量δl' 方法如下：
[0085][0086]
其中，φ为节点j的邻接节点中处于正常状态的节点总数。
[0087]
采用介数中心性分配缓解策略计算步骤s1中利用的与失效节点相连节 点流量增
加量为δl方法如下：
[0088][0089]
其中，b
j
表示节点j的介数中心性；γ表示与i相邻节点的集合；
[0090]
采用介数中心性分配缓解策略计算步骤s1中利用的超出失效节点容量 的流量δl'方法如下：
[0091][0092]
其中，φ为节点j的邻接节点中处于正常状态的节点总数。
[0093]
采用剩余容量分配缓解策略计算步骤s1中利用的与失效节点相连节点 流量增加量为δl方法如下：
[0094][0095]
其中，c
j-l
j
表示节点j的剩余容量；π表示与i相邻节点的集合；
[0096]
采用剩余容量分配缓解策略计算步骤s1中利用的超出失效节点容量的 流量δl'方法如下：
[0097]
其中，φ为节点j的邻接节点中处于正常状态的节点总 数。
[0098]
本发明提出一种缓解空中交通cps级联失效的方法将节点划分为正常、 拥堵、失效三种状态，分别采用节点度分配、介数中心性分配、剩余容量分 配等策略，对航路网与管制网级联失效进行缓解，并通过网络正常率指标表 征级联失效缓解程度。在节点介数中心性分配方式下，本发明提出一种缓解 空中交通cps级联失效的方法抵御级联失效的能力较强，最先从崩溃状态开 始恢复；节点剩余容量分配下，级联失效最先恢复到原始的正常状态，各节 点接收额外容量的能力得到充分利用，缓解效果相对较好。
[0099]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本 发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在 本发明的保护范围之内。