一种基于广义有效OODA环的装备体系可靠性建模与预计方法

本发明属于装备体系，具体涉及一种基于广义有效ooda环的装备体系可靠性建模与预计方法。

背景技术：

1、如图3所示，武器装备体系(weapon system of systems，wsos)是指由多个功能上相互联系、相互作用的装备协同工作、有机整合而形成的新质作战力量。例如某协同编队作战体系，各平台可承担态势感知、任务规划、指挥决策、行动控制、火力打击等功能，在信息化战争中发挥歼击要害，破坏体系的重要作用。

2、装备体系以逻辑空间为载体，以信息空间为核心，以数据为基础，具有资源共享、信息融合的综合化特性。装备体系结构要求用以“事理”为核心，替代传统的以“物理”为核心，体现在两者的可靠性设计上有本质区别：装备体系的可靠性设计需要站在体系设计的角度，充分考虑装备体系中的各系统、网络及要素，分析装备体系的失效机理与模式，有针对性的制定可靠性设计准则，着重于表征装备体系应对内外部干扰失效并持续完成任务的能力；而装备系统的可靠性是一种评价装备是否容易发生故障的特性，着重于减少或消灭故障。

3、武器装备体系具有节点易损毁、时间强约束、任务高动态、拓扑快演化等特征，其局部异常情况(包括节点故障、功能退化、结构拓扑失效等内部扰动，以及任务变化、对抗干扰、环境冲击、拦截破坏等外部扰动)可能诱发体系任务链条断开、拓扑结构崩溃、信息传输中断、杀伤网络瘫痪等全局性异常或失效，增加其整体运行的内在风险，使体系性能发生降级，降低任务执行效率，甚至导致顶层任务失败。为适应战争需求，针对体系任务受强对抗环境影响大、可靠性动态影响难以评价等问题，开展装备体系的可靠性建模与预计方法研究，对确保装备体系在跨域、捷变、强干扰等复杂作战条件下安全可靠地完成各项任务具有重要作用。

4、如图1所示，装备体系有多系统集成、维数大、可变元素多、具有复杂涌现性和演化性等问题，因此目前的面向复杂系统的可靠性工程方法已经无法有效的解决与处理装备体系相关问题。体系可靠性是体系战斗力生成和保持的重要基础，不仅直接影响着装备的作战模式、作战规模以及持续作战能力，影响效能的发挥和提高，影响装备的全寿命周期费用，而且直接反映了体系战备完好性和完成作战任务的成功率，对于战争进程具有重要的影响。因此，为提升装备体系的作战能力，亟需开展装备体系可靠性建模与评估方法研究，为提升装备体系作战效能提供有力支持。

5、目前，我国在装备体系可靠性方面的研究还处在初期阶段，主要集中在概念和框架上，还没有形成一套完整的、可以处理体系问题的工程化方法论框架。现有的基于复杂网络建模方法仅针对其网络拓扑特性进行建模描述、分析平台复杂网络指标，但复杂网络指标尚无确定的评价与衡量标准，且对装备体系节点的异质性和连边的有向性考虑不足。

6、近年来，我国在装备体系的研究重点已从随机过程、复杂网络和多智能体系统转向ooda环和杀伤链理论，但是在装备体系可靠性建模与预计方法研究处于初步初级阶段，且多为静态可靠性模型，未充分考虑装备体系动态变化过程中各要素、层次、状态以及结构和功能逻辑关系等因素；而基于实时对抗仿真的评估方法计算资源消耗大，成本高，效率低，难以满足作战任务过程中体系可靠性评估的实时性要求，建模的标准化程度不足，不利于评估结果的可信性提升，尚缺乏系统的可靠性建模与评估的理论、方法与工具支撑。

7、因此，本发明通过考虑内外部干扰和动态重构策略，提出了一种基于有效ooda网络的装备体系可靠性建模与预计方法，以指导装备体系结构设计，确保装备体系在作战任务中能够可靠地执行，从而提升其作战效能。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决装备体系可靠性建模与预计方法研究中，基于实时对抗仿真的评估方法计算资源消耗大、成本高、效率低的问题，以及难以满足作战任务过程中体系可靠性评估的实时性要求，为此提供了一种基于有效ooda网络的装备体系可靠性建模与预计方法。

2、为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

3、一种基于广义有效ooda环的装备体系可靠性建模与预计方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

4、步骤1：初始化异质有向网络并构建有效ooda网络模型；

5、步骤1.1：初始化异质有向网络

6、其中，v＝(s,d,w)为平台，s＝{si|s1,s2,...,si}为探测节点，d＝{dj|d1,d2,...,dj}为决策节点，w＝{wm|w1,w2,...,wm}为打击节点；

7、为节点类型映射函数，其中每个节点v∈v都属于一个特定的节点类型；

8、为通讯链路，各节点之间通过连边进行连接，连边表示从si到dj的信息传输；

9、ψ:e→ζ为边类型映射函数，其中每条边e∈e都属于一个特定的关系；

10、步骤1.2：构建有效ooda网络模型：

11、eooda_network＝{a,v,e}

12、其中，a＝[asd,adw]为转移矩阵，表示不同节点之间连接的邻接矩阵集合，asd表示节点s和节点d的邻接矩阵；adw表示节点d和节点w的邻接矩阵；

13、步骤2：模拟装备体系受到的干扰和进行的重构，计算装备体系的ooda环数量；

14、步骤2.1：模拟装备体系受到的干扰，建立节点失效模型；

15、初始化仿真数据，令仿真时间tsim＝0，仿真时间约束为tsim，时间步长t＝1；

16、步骤2.2：判断仿真时间是否达到终止时刻：

17、若达到终止时刻则结束仿真，转向步骤2.3；

18、否则，转向步骤2.2.1；

19、步骤2.2.1：初始化迭代数据和失效节点列表，令失效次数nsim＝0，失效次数约束为nsim；

20、步骤2.2.2：确定失效策略，包括随机失效和蓄意攻击失效；

21、随机失效实现过程为：根据采样结果随机删除失效节点及其连边，并将失效节点添加至失效节点列表；

22、蓄意攻击失效为最大度失效，实现过程为：根据节点的度将节点按降序排列，然后选取并移除相应数量的失效节点及其连边，并将失效节点添加至失效节点列表；

23、设表示节点si,dj,wm的度；

24、步骤2.2.3：遍历失效节点列表中的每一个失效节点，选择对应的动态重构策略：

25、判断同一平台内的其它同类节点能否进行簇内重构：

26、若可以则转向步骤2.2.4；

27、否则，判断该节点所在平台的相邻平台内同类节点能否进行簇间重构；

28、若可以则转向步骤2.2.5；

29、否则，转向步骤2.2.6；

30、步骤2.2.4：将平台间的相同节点进行替换，转向步骤2.2.7；

31、步骤2.2.5：选择不同平台内协同节点进行功能替代，转向步骤2.2.7；

32、步骤2.2.6：通过蒙特卡洛方法添加新节点或修复失效节点，生成响应节点和连边，转向步骤2.2.7；

33、步骤2.2.7：根据装备体系受到的攻击模式，计算各节点存在概率：

34、当节点仅处于失效和生成条件约束下，计算公式为：

35、

36、其中，和表示自各节点上次修复以来时间的累积分布函数；和表示失效节点自故障以来时间的互补累积分布函数；和表示各节点上次修复后的时间；和表示各节点上次故障后的时间；和表示在最大度攻击下节点是否被移除的示性函数；

37、步骤2.2.8：通过矩阵元素表示各个节点和连边的存在状态；

38、计算每个矩阵元素的存在概率，计算公式为：

39、

40、步骤2.2.9：计算装备体系有效ooda环中通信链路的连通概率，计算公式为：

41、

42、其中，和为通信系统可靠性，由通信系统的分布函数计算得到；

43、和为示性函数，表示节点之间的距离是否在有效通信范围内；

44、步骤2.2.10：计算邻接矩阵元素，以显示该节点此时是否存在且节点之间是否能够连通，计算公式为：

45、

46、其中α(·)表示每个节点和连边的存在性；

47、当节点si,dj,wm存在，且节点之间连通时，对应的元素或

48、否则，元素

49、步骤2.2.11：计算该次迭代中有效ooda环的数量，计算公式为：

50、

51、步骤2.2.12：判断失效次数是否达到终止次数：

52、若达到则结束迭代，转向步骤2.2；

53、否则，转向步骤2.2.1；

54、步骤2.3：计算装备体系在t时刻的有效ooda环数量和可靠性观测值：

55、neol(t)＝sum(neooda(nsim))/nsim

56、rsos(t)＝neol(t)/nooda(0)

57、其中，neol(t)表示仿真平均ooda环数量；nsim表示单次迭代的节点数量，neooda(nsim)表示装备体系在本次迭代中的有效ooda环的数量；nsim表示装备体系的节点数量；rsos(t)表示t时刻的可靠性观测值；nooda(0)表示装备体系内ooda的数量。

58、进一步地，当节点的失效或生成仅服从指数分布，所述步骤2.2.7：计算各节点存在概率；计算公式为：

59、

60、进一步地，当节点的失效和生成仅处于节点最大度攻击失效的条件约束下，所述步骤2.2.7：计算各节点存在概率，计算公式为：

61、

62、其中，和表示在最大度攻击下节点是否被移除的示性函数。

63、进一步地，当节点的失效或生成既服从指数分布，而且处于节点最大度攻击失效的约束下，所述步骤2.2.7：计算各节点存在概率，计算公式为：

64、

65、其中，和表示在最大度攻击下节点是否被移除的示性函数。

66、本发明的构思及原理：

67、首先，根据装备体系的拓扑结构和要素，初始化异质有向网络的节点和链路模型。

68、随后，利用异质有向图提出了装备体系有效ooda网络模型。

69、然后，模拟装备体系受到的干扰和进行的重构，考虑内外部干扰策略和动态重构策略，通过计算装备体系的ooda环数量，创新性建立了基于ooda环的装备体系可靠性建模与预计方法。

70、最后，以包含多个无人系统节点的装备体系为例对可靠性建模与预计方法进行有效性和可行性验证。

71、本发明的优点是：

72、1.本发明为装备体系可靠性定义、建模和预计提供理论与技术指导，进而有效提升了装备体系设计能力与作战效能。

73、2.本发明中，动态重构策略有效提升了装备体系在各种失效模式下的有效ooda环数量和可靠性，使得装备体系提高了在动态环境中的应变能力和任务成功率。