基于作战链路熵的指控网络抗毁测度方法与流程

本发明属于军事指挥与控制学领域，具体说是一种基于作战链路熵的指控网络抗毁测度方法。

背景技术：

指控网络是现代战争信息传输的载体，是一体化联合作战的基础，是确保各系统互联、互通和互操作的基础网络。在信息化战争中，指控网络作为夺取信息优势进而转化为决策和行动优势的基础，是连接预警探测、指挥控制和火力打击等系统的纽带，也是各作战要素充分发挥作战效能、同步遂行作战任务的重要保障。然而，信息时代指挥控制系统的结构和功能越来越复杂，对其进行直接研究显得越发困难。常规网络抗毁性测度方法主要集中于图论和统计物理理论两个方面。

基于图论的抗毁性研究利用连通度、坚韧度、完整度、粘连度、离散度、核度等测度分析，这些测度精确较高但计算复杂度是np问题，难以适用于大规模的指控网络。基于统计物理的抗毁性研究通过对复杂网络进行多次仿真，观察节点或边移除过程中网络性能的变化来刻画网络的抗毁性，主要从网络结构鲁棒性方面进行性能评估。评价指标主要包括最大联通子图、代数连通度、自然连通度、网络结构熵等。这些指标虽能在一定程度上能够测评指控网络的抗毁性，但缺少指控网络的结构层级性、负载非均匀性等特点的分析不能准确评估指控网络的抗毁性。

鉴于上述基于图论和统计物理理论两个方面的网络抗毁性测度不能适用指控网络的问题，所以，有必要提出一种新的适用于指控网络抗毁性测度，以加强指控网络的抗毁性。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明通过深入分析指控网络的结构和功能特性，根据复杂网络理论和ooda作战理论，引入了作战链路熵的概念，给出了作战链路熵的计算方法，提出了基于作战链路熵的抗毁性测度，从网络结构鲁棒性角度分析网络的抗毁性。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：基于作战链路熵的指控网络抗毁测度方法,具体步骤如下：

步骤一：将作战节点分为感知节点、指控节点和火力打击节点三类；

步骤二：统计作战链路总条数：所有感知节点到所有火力打击节点之间的最短路径总条数；

步骤三：计算感知节点到火力打击节点之间的最短路径中经过指定节点的条数；

步骤四：计算网络节点的作战链路介数；

步骤五：计算网络节点重要度；

步骤六：计算网络作战链路熵。

进一步的，所述的感知节点指具有预警、探测、侦察、监视能力的作战单元，如预警雷达、侦察雷达等；指控节点指具有空情融合、指挥决策、信息协同与分发能力的作战单元，如指挥机构、情报处理机构等；火力打击节点指具有拦截、攻击、毁伤等能力的作战单元，如各类防空武器等。

进一步的，计算所有感知节点到所有火力打击节点之间的最短路径总条数的公式为：

其中，m(oi,fj)为感知节点oi到火力打击节点fj之间的最短路径条数，n为感知节点的个数，n为作战节点的总数目，m为指控节点的数目。

进一步的，计算感知节点到火力打击节点之间的最短路径中经过指定节点的条数的公式为：

其中mc(oi,fj)为感知节点oi到火力打击节点fj之间的最短路径中经过节点vc的条数，n为感知节点的个数，n为作战节点的总数目，m为指控节点的数目。

进一步的，计算网络节点的作战链路介数公式为：

式中，i≠j≠c,即感知节点、火力打击节点与经过最短路径的节点vc不能相同。

更进一步的，所述的网络节点重要度计算公式为：

式中，表示指控网络中所有节点的作战链路介数和。

更进一步的，所述的作战链路熵为：

式中，ln为自然对数。

作战链路介数可以用于衡量节点或链路在指控网中的重要程度，作战链路介数越大，该节点或链路在作战活动中流转的信息量也越多。若指控网络节点的作战链路介数分布越均匀，则面对蓄意攻击时抗毁能力也越强，因此，提出了基于作战链路熵的网络抗毁测度。

本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：作战链路熵测度相对于其他测度更为稳定，既从网络结构方面考虑又从作战功能方面考虑，能够更全面、有效地评价指控网络结构的鲁棒性。

附图说明

本发明共有附图10幅：

图1为指控网络模型图；

图2为网络节点遭受攻击时作战链路熵变化图；

图3为网络边遭受攻击时作战链路熵变化图；

图4为是随机攻击下信息结构鲁棒性测度对比图；

图5为度攻击下结构鲁棒性测度对比图；

图6为介数攻击下信息结构鲁棒性测度对比图；

图7为聚集系数攻击下信息结构鲁棒性测度对比图；

图8为作战链路介数攻击下结构鲁棒性效率测度对比图；

图9为作战链路熵三维图；

图10为本方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。根据ooda作战理论，指挥控制系统的作战过程为：感知节点收集到态势信息并汇聚到指控节点，数据经过分析处理之后，各级各类指控节点经过协同与决策后形成指挥命令并下达至火力打击节点形成战斗力。

下面对本申请中涉及到的词语进行解释说明：

定义1：作战链路，作战过程中信息流由感知节点经过指挥节点到达打击节点形成的一条或多条侦-控-打一体的链路叫做作战链路。作战链路具有时序性、方向性等特征。

定义2：网络节点的作战链路介数，为网络中所有最短路径的作战链路中经过该节点的数量比例。公式如下：

其中，bc为节点vc的作战链路介数，m(oi,fj)为从感知节点oi到火力打击节点fj之间的最短路径条数，mc(oi,fj)表示从感知节点oi到火力打击节点fj之间最短路径路过节点vc条数。

定义3：网络节点的重要度，节点vc的重要度定义节点vc的作战链路介数占网络中所有节点的作战链路之和的比例。公式如下：

其中，bc为节点vc的作战链路介数，为指控网络中所有节点的作战链路介数之和。

定义4：作战链路熵，作战链路熵定义为节点的重要度的负对数与节点重要度的乘积和，公式如下：

其中e为指控网络的作战链路熵，ic为节点vc的重要度。

实施例1

本实施例提供一种基于作战链路熵的指控网络抗毁测度方法,具体步骤如下：

步骤一：建立指控网络模型，分类网络节点；所述的分类网络节点是指将网络节点分为感知节点、指控节点和火力打击节点；

步骤二：计算所有感知节点oi到火力打击节点fj之间的所有最短路径条数b；

步骤三：计算所有感知节点oi到火力打击节点fj之间的最短路径经过相应节点vc的总条数a；

步骤四：计算网络节点的作战链路介数bc：利用步骤二和步骤三求出的参数b、a根据定义2求出网络节点的作战链路介数bc；

步骤五：计算网络节点重要度ic：利用步骤四求出的网络节点的作战链路bc求出网络节点重要度；

步骤六：计算作战链路熵e，由步骤五求出的网络节点重要度ic，根据定义4可求出作战链路熵e。

由复杂网络理论可知，网络的稳定性和完整性可以用熵来度量，熵的宏观意义是系统能量分布均匀性的一种量度，可以表示物体所处状态是否稳定及系统变化的方向，能量分布越均匀，熵越大；反之，则熵越小。研究表明，指控网络表现出复杂网络的无标度特性，即拥有少量的关键节点和大多数的非关键节点，对于指控网络而言，关键节点越不明显，受到蓄意攻击后的抗毁性越好；反之，则面对随机攻击的抗毁性越好。因此，提出了基于作战链路熵的网络抗毁测度，能够更全面、有效地评价指控网络结构的鲁棒性。

实施例2

本实施例将本发明提出的基于指挥控制网络模型的作战链路熵测度在随机攻击和蓄意攻击下的变化进行对比，以及把作战链路熵与度分布熵、介数分布熵、网络连通系数等进行等比，从不同的角度说明本发明所提测度的有效性。

附图1是指挥控制网络模型，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，指挥关系有逐级指挥和越级指挥两种，协同关系有内部协同和外部协同两种。构建的指控网络模型节点数量为n＝341，指挥层次为4。

1)不同攻击策略下指控网络抗毁性分析

指控网络常遭受两种攻击策略分别为随机攻击和蓄意攻击，随机攻击是指以一定概率对指控网络中的节点(或边)进行攻击；蓄意攻击是指按照节点(或边)重要性大小依次攻击节点；本文采用随机攻击策略和蓄意攻击策略对指控网络进行攻击，通过指控网络性能与结构变化分析网络的抗毁能力，其中蓄意攻击策略选取介数攻击。

附图2和附图3分别为节点遭受攻击时作战链路熵变化图和边遭受攻击时作战链路熵变化图。由附图2、图3可以看出，指控网络鲁棒性能随失效节点(或边)比例增加而呈下降趋势，作战链路熵反映了指控网络随着节点或边的失效而导致网络结构遭到破坏的程度。同时说明蓄意攻击相对于随机攻击对指控网络的破坏性更大，表明了指控网络具有无标度特征，即对蓄意攻击呈脆弱性，对随机攻击呈较强的鲁棒性，需要通过保护网络的关键节点(或边)来提高网络的抗毁能力。

2)不同攻击方式下信息结构鲁棒性测度分析

为了进一步验证测度的准确性，将作战链路熵分别与传统的测度进行对比分析，以攻击节点为例，通过对比网络性能变化综合分析指控网络的抗毁性。采用的蓄意攻击策略有：度攻击策略、介数攻击策略、聚集系数攻击策略和本文提出的作战链路介数攻击策略。分析指控网络性能时，所有评价指标均归一化。

由图4、图5、图6、图7、图8所知，随机攻击时，网络连通系数偏离其它测度较大，这是因为连通系数本身存在的缺陷所致，即当连通子图较多时，性能会极速下降。蓄意攻击时，度分布熵结果偏离更大，这是由于度是一个局部性指标，难以衡量网络的整体结构。不同攻击策略时，相比其它鲁棒性参数，作战链路熵更为稳定，评价结果波动性小，且与介数分布熵较为接近，具有良好的测评效果。

3)综合分析

仅攻击节点和仅攻击边是攻击类型中的两个极端情况，不能够全面评估指控网络的抗毁性。实际作战中，节点和边以一定概率混合失效，因此分析指控网络节点和边受到混合攻击时的抗毁性更有意义。由图9可知，将作战链路熵应用到指控网络中，可以很好的评估指控网络的抗毁性。综上，作战链路熵，即从网络结构方面又从作战功能方面考虑，能够更全面、有效地评价指控网络结构的鲁棒性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。