一种基于层级-熵的指挥控制网络重构方法与流程

一种基于层级
‑
熵的指挥控制网络重构方法
技术领域
1.本发明涉及信息技术领域，具体涉及一种基于层级
‑
熵的指挥控制网络重构方法。


背景技术：

2.指挥控制网络不仅具有层次关联复杂、通信链路交错、网络动态变化的特征，而且还具有信息流动交互频繁、节点负载分布不均等特点，使得网络一旦受到攻击，易造成一些节点(边)失效，甚至引起整个网络瘫痪，这就需要考虑网络重构问题。可以通过增加/删除节点(边)的方法来实现指挥控制网络的重构，但是增加节点的重构方法将造成网络成本的增加；删除节点的重构方法将使得网络规模减少、网络功能受损。因此，国内外关于指挥控制网络重构方法的研究主要集中在边的不同重构策略上。
3.现有的指挥控制网络重构方法大多依据节点重要度、节点相似度等，没有综合考虑节点重要度与边重要度，难以兼顾网络的局部与全局信息；同时，没有考虑指挥控制网络的层级特征，难以满足指挥控制网络抗毁重构的需要。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的上述问题，本技术提供一种基于层级
‑
熵的指挥控制网络重构方法，其构建了基于层级
‑
熵的节点连边重构概率计算模型，增加了调节系数，既考虑了指挥节点层级，又考虑了作战链路熵，有效提高指挥控制网络抗毁重构效能。
5.为实现上述目的，本技术的技术方案为：一种基于层级
‑
熵的指挥控制网络重构方法，包括：
6.根据作战链路熵的概念，建立基于层级
‑
熵的节点连边重构概率计算模型；
7.获取节点升级度、越级度、转隶度；
8.通过所述节点升级度、越级度、转隶度，构建指挥控制网络的组合重构策略。
9.进一步的，根据作战链路熵的概念，建立基于层级
‑
熵的节点连边重构概率计算模型，具体为：
10.获取指挥控制网络的作战链路熵e为：
[0011][0012]
其中，n为网络节点数，e为网络抗毁熵，用来衡量网络的抗毁性能；i
c
为节点v
c
的重要度系数，定义为：
[0013][0014]
其中，b
c
为节点v
c
的作战链路介数；
[0015]
考虑到指挥控制网络显著的层级性特征，同时兼顾指挥控制网络的全局信息和局部信息，建立基于层级
‑
熵的节点连边重构概率计算模型，具体如下：
[0016]
假设节点i和j的作战链路熵分别为e
i
、e
j
，节点i和j所处的层级分别为d
i
、d
j
，且d
i
,
d
j
≥1，α为调节系数且α∈[0,1]，则任意两个节点i和j连边重构概率计算如下：
[0017][0018]
从上式看出，通过(1
‑
α)调节连边重构概率的层级影响，(1
‑
α)值越大，表示网络层级性在连边重构概率中的比重越大，网络重构的层级性影响越明显；当α＝0时，表示节点连边重构概率完全依据其层级性；当α＝1时，表示节点连边重构概率仅受到节点熵的影响，不依赖于其层级性。
[0019]
进一步的，获取节点i的升级度j1(i)公式为：
[0020]
j1(i)＝λ1c
′
l
(d
i
) λ2i
′
l
(d
i
)
[0021]
其中，λ1、λ2为调节系数，且满足λ1 λ2＝1；d
i
为节点i的所处层级，d
i
＝1为最高层级，节点不能在升级重构，所以有：d
i
≥2；c
′
l
(d
i
)为节点i的归一化信息处理能力，计算方式如下：
[0022]
c
′
l
(d
i
)＝(c
i
‑
min(c
i
(d
i
)))/(max(c
i
(d
i
))
‑
min(c
i
(d
i
)))
[0023]
式中，max(c
i
(d
i
))和min(c
i
(d
i
))为节点i在指挥层级d
i
中信息处理能力的最大值和最小值；
[0024]
i
′
l
(d
i
)为节点i在指挥层级d
i
的所有节点中的相对重要度，计算方式如下：
[0025]
i
′
l
(d
i
)＝i
i
/i
i
(d
i
)
[0026]
式中，i
i
为节点i的重要度，i
i
(d
i
)为节点i在指挥层级d
i
中的重要度。
[0027]
进一步的，获取节点i的越级度j2(i)公式为：
[0028]
j2(i)＝λ1c
′
l
(d
i
) λ2l
′
lj
(d
i
) λ3i
′
l
(d
i
)
[0029]
其中，λ1、λ2、λ3为调节系数，且满足λ1 λ2 λ3＝1；若节点i的所处层级为最高层级(d
i
＝1)和次高层级(d
i
＝2)，不能越级重构，所以有：d
i
≥3；
[0030]
l
′
lj
(d
i
)为节点i到最高层级节点的归一网络距离，计算方式如下：
[0031]
l
′
lj
(d
i
)＝(l
ij
(d
i
)
‑
min(l))/(max(l)
‑
min(l))
[0032]
式中，min(l)为指挥控制网络的最短距离，max(l)为指挥控制网络的最大距离。
[0033]
进一步的，获取节点i的转隶度j3(i)公式为：
[0034]
j3(i)＝λ1c
′
l
(d
i
) λ2l
′
lj
(d
i
) λ3i
′
l
(d
i
‑
1)
[0035]
其中，λ1、λ2、λ3为调节系数，且满足λ1 λ2 λ3＝1；d
i
≥2；i
′
l
(d
i
‑
1)为节点i在指挥层级(d
i
‑
1)的所有节点中的相对重要度；即有：
[0036]
i
′
l
(d
i
‑
1)＝i
i
/i
i
(d
i
‑
1)
[0037]
进一步的，单一重构方式每次只选择升级、越级、转隶3种重构方式中的一种；组合重构方式是根据一定规则选择适当的重构方式，考虑到转隶重构方式具有不改变原有指挥控制层级关系的特点，提出了指挥控制网络的组合重构策略如下：
[0038][0039]
当转隶度大于等于average(j1(i) j2(i) j3(i))时，选择转隶重构方式进行指挥控制网络的重构；否则，选择max(j1(i),j2(i),j3(i))的节点作为替代节点进行重构。
[0040]
本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：本方法引入调节系数，
构建基于层级
‑
熵的节点连边重构概率计算模型，通过基于层级
‑
熵的指挥控制网络重构方法，提高了网络重构效果，降低了网络重构成本，满足了指挥控制网络重构的需要。
附图说明
[0041]
图1为重构方式示意图；
[0042]
图2为不同修复概率p0对网络重构效果的影响图；
[0043]
图3为不同修复概率p0对网络重构成本的影响图；
[0044]
图4为可调参数α对网络重构效果的影响图；
[0045]
图5为可调参数α对网络重构成本的影响图；
[0046]
图6为不同网络重构方法的重构效果分析图；
[0047]
图7为不同网络重构方法的重构成本分析图；
[0048]
图8为不同网络重构方式的重构效果分析图；
[0049]
图9为不同网络重构方式的重构成本分析图。
具体实施方式
[0050]
本发明的实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施的，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
[0051]
实施例1
[0052]
网络重构是保障网络信息传输能力、提高网络抗毁性能的重要手段，但是现有网络重构方法大多没有综合考虑节点重要度、边重要度与指挥控制网络的层级特征，难以兼顾网络的局部与全局信息。基于层级
‑
熵的节点连边重构概率的计算模型，构建指挥控制网络的组合重构策略，既考虑了指挥节点层级，又考虑了作战链路熵，有效提高指挥控制网络抗毁重构效能。因此提出基于层级
‑
熵的指挥控制网络重构方法。
[0053]
为了验证本发明的可行性和有效性，进行了四个实验，分别是修复概率p0对网络重构性能的影响实验、可调参数α对网络重构性能的影响实验、不同网络重构方法的重构性能分析实验和不同网络重构方式的重构性能分析实验。为验证本文所提重构方法的有效性，建立了指挥控制网络仿真系统。该网络参数设置如下：网络层级为d＝5，节点数量为n＝1000，失效节点控制在200以内。采用基于负载的蓄意攻击策略[30
‑
31]，仿真重复50次，最后取平均值作为实验结果。
[0054]
(1)修复概率p0对网络重构性能的影响实验
[0055]
为观察修复概率p0对网络重构性能的影响，采用重构效果评价和重构成本评价两个指标，定义如下：
[0056]
重构效果：其中n
re
‑
after
和n
re
‑
before
分别为重构前和重构后的网络节点数；
[0057]
重构成本：c
re
＝δe，其中δe为新增连边数量。
[0058]
不失一般性，假定作战链路熵和指挥层级同等重要，将可调参数设为α＝0.5，修复概率p0分别取0.1、0.3、0.5、0.7、0.9，经过50次仿真，仿真结果如图2和图3所示。从图2可知，随着p0的增加，网络重构效果逐渐明显。从图3可知，随着p0的增大，网络重构成本增加明
显。因此，p0的选取需要结合重构效果和重构成本来综合考虑，不是越大越好；p0＝0.3重构效果明显、且重构成本也不太高。
[0059]
(2)可调参数α对网络重构性能的影响实验
[0060]
选取修复概率p0＝0.3，可调参数α分别取0.1、0.3、0.5、0.7、0.9，经过50次仿真，仿真结果如图4和图5所示，当可调参数α较小时，节点连边重构概率主要由其所在层级决定，熵大的节点并不能获得较大的连边重构概率，且存在较少的重构连边，网络重构成本较低，但重构效果较差；当可调参数α较大时，节点连边重构概率主要由其熵决定，存在更多的重构连边，网络资源分配更加均匀，网络重构效果就越好，但网络重构成本也相应增加。
[0061]
(3)不同网络重构方法的重构性能分析
[0062]
选取修复概率p0＝0.3，对比平均修复概率、重点修复概率、节点重要度可调、节点适应度、本发明提出的层级
‑
熵等不同网络重构方法的重构性能，经过50次仿真，仿真结果如图6和图7所示，由图6可知，本发明提出的层级
‑
熵网络重构方法的重构效果最优，平均修复概率的网络重构方法的重构效果最差。由图7可知，平均修复概率的网络重构方法的重构成本最低，重点修复概率的网络重构方法的重构成本最高。
[0063]
(4)不同网络重构方式的重构性能分析
[0064]
设定可调参数α＝0.5，选取修复概率p0＝0.3，升级度调节系数λ1＝0.5,λ2＝0.5，越级度调节系数λ1＝0.3,λ2＝0.4,λ3＝0.3；转隶度调节系数λ1＝0.3,λ2＝0.4,λ3＝0.3。对比升级、越级、转隶及组合4种重构方式的算法重构性能，仿真结果如图8和图9所示。由图8可知，升级重构方式的重构效果最好，组合、越级重构方式的重构效果次之，转隶重构方式的重构效果最差。其原因是：
[0065]
a、转隶重构方式将失效节点的下一层级节点与失效节点的同级节点相连，大幅增加了同级节点的负担(一般情况下，同一层级节点的负载能力大多相近)，因此转隶重构方式的重构效果最差。
[0066]
b、升级重构方式最好地保持了原有网络的层级关系，因此升级重构方式的重构效果最好。
[0067]
由图9可知，升级重构方式的重构成本最大，越级、转隶重构方式的重构成本次之，组合重构方式的重构成本最小，且趋于一个定值。其原因是：
[0068]
a、升级重构方式将失效节点的下一层级节点升级为失效节点的同层节点，升级重构消耗的资源最多，因此其网络重构成本最大。
[0069]
b、组合重构方式选择节点升级度、节点越级度、节点转隶度的最大值节点作为替代节点进行重构，有效地缓解了资源消耗问题，因此其网络重构成本最小。
[0070]
综上所述，本发明提出的层级
‑
熵的指挥控制网络重构方法可以提高的网络重构效果、降低网络重构成本，这表明本发明方法在指挥控制网络重构方面具有巨大潜力，有助于指挥控制网络抗毁重构理论和方法的发展，为解决更现实的抗毁重构问题提供一定的参考。
[0071]
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及
各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。