分布式作战网络可控性分析与优化方法研究

发布时间：2020-04-07 15:37

【摘要】：随着信息和网络技术在战争中广泛地应用,战争形态发生了巨大的变化,工业时代的传统集中式作战模式被打破,分布式网络化作战模式应运而生。所谓的分布式网络化作战是对网络中心战理论是的一种提炼,面向信息时代战争的先进作战样式。在分布式网络化作战模式下,作战单元分布式的部署在整个战场空间中,通过信息网络互联,全范围的侦察战场环境,实时获取情报信息,作战单元可以自主地作出反应,实施网络化的指挥和控制,以更敏捷的战争组织实施高效能的作战。同时,分布式网络化作战模式的上述特性也引起了战争指控方式的变革,网络化的指控成为必然趋势。但由于分布式网络化作战本身的分布式、自主性、灵活性、复杂性等特点,以及对复杂性科学和控制理论认知的程度不足,使得分布式作战体系的网络化控制等问题的研究成为一个极具挑战性的课题。分布式作战体系的核心就是其网络结构,研究分布式作战体系的网络化控制就需要从作战网络的控制着手。作战网络控制研究的首要问题就是回答作战网络是否可控,也就是分布式作战网络的可控性问题。因此,开展分布式作战网络的可控性及其优化方法研究,对提高我军信息化战争条件下的作战、指挥、控制具有重要的理论与实践意义。本课题立足于信息时代作战模式与指控方式变革带来的新需求,着眼于分布式作战网络可控性分析与优化方法,充分借鉴复杂性科学、复杂网络理论和控制论领域的已有研究成果,力图在一定程度上揭示信息时代分布式作战体系网络化控制的本质规律和内在机理。论文的主要贡献体现在以下几个方面:一、本文建立了分布式作战网络的复杂网络模型,在此基础上提出了分布式作战网络的可控性分析框架。首先对分布式作战体系中的作战实体及其交互关系进行了详细分析和概念定义,将作战实体抽象为网络中的节点,而其交互关系抽象为边,引入复杂网络理论和方法构建了分布式作战网络的复杂网络形式化模型。然后利用基于最大匹配的网络可控性求解方法,结合分布式作战网络的复杂网络模型,建立了分布式作战网络可控性分析框架,为后续作战网络可控性优化方法和鲁棒性研究提供基础支撑。二、针对作战网络结构可变的应用背景,本文提出了基于拓扑结构的分布式作战网络可控性优化方法。首先对作战网络可控性优化问题进行了形式化描述,然后基于分布式作战网络的可控性分析框架,研究了基于冗余边重构的可控性优化算法,该方法通过对网络中的边进行分类以获取网络中的冗余边,然后基于网络的控制路径给出了边重构位置的优先级,再依据其位置优先级进行边重构。该方法可以将平均度大于2的网络优化到最优可控,并通过仿真实验对比分析了最优可控网络的三种统计特征。三、针对无法改变网络拓扑的情况,本文提出了基于边指向的分布式作战网络可控性优化策略。根据不同的应用背景,分别提出了三种基于边指向策略的可控性优化方法:基于节点剩余度的优化方法、基于控制路径的优化方法和基于局部结构信息的优化方法。基于节点剩余度的可控性优化方法从直观、便捷、容易操作的角度出发,分析了网络中的边指向对网络可控性的影响,利用一种启发式方法,通过定义节点剩余度分析设计了网络中边的指向。考虑到基于节点剩余度的优化方法忽略了最初的边指向,重新指定了所有边的指向,基于控制路径的优化方法是在初始边指向的基础上,分析网络中的具体控制路径进而确定候选边,再根据不同类型候选边的优化策略,对尽可能少的边反转指向以达到优化可控性的目标。基于局部结构信息的可控性优化方法用于在有些特殊战场环境下无法获得完整的作战网络拓扑结构信息时,该方法首先统计分析了候选边具有的局部结构特征,然后利用一种改进的模拟退火算法建立了边反转策略。通过大量的仿真实验证实了基于边指向的分布式作战网络可控性优化方法的有效性。四、本文提出了节点负荷失效的分布式作战网络可控性分析模型,定义了控制鲁棒性测度指标,并提出了分布式作战网络控制鲁棒性动态优化方法。针对分布式作战网络中出现的负荷失效现象,本文首先对节点负荷失效的控制鲁棒性问题进行了分析,定义了失效节点的概念,引入了两种不同的节点负荷失效模型,分析了不同模型下的网络控制鲁棒性。本文进一步对作战网络控制鲁棒性的优化问题进行了研究,定义了一个基于节点攻击策略的控制鲁棒性测度,进而提出了作战网络控制鲁棒性动态优化方法,并与以前的静态优化方法进行了对比分析,证实了本文提出的动态优化方法显著地提升了网络的控制鲁棒性和网络连通性,并利用网络异质性和度关联系数两个网络统计特征深入研究了优化前后的作战网络控制鲁棒性变化规律。论文最后设计了具体的想定案例,通过体系对抗仿真系统对案例进行了仿真分析,验证本文构建及提出的相关模型方法的正确性和有效性。
【图文】：

作战平台,想定,分层建模,思想

图 6.4 防空想定中的作战平台6.1.3 作战网路构建TOPSIM 中通信网络采用分层建模的思想，将一个通信子网作为上层通信网的一个通信节点，这样的建模思想便于在不同粒度上分析通信网络结构，同时又能

通信网络,模型,拓扑结构,通信子网

图 6.6 TOPSIM 通信网络模型总体类视图TOPSIM 系统中在构建作战实体间的通信网络时提供了便捷的拓扑结构方案，有四类供选择：树形拓扑结构、星型拓扑结构、环形拓扑结构、全连通拓扑结构，，如图 6.7 所示。TOPSIM 系统也可以依据需要任意指定网络的拓扑结构，值得注意的是在构建好每个通信子网后会自动生成整个通信网络。由于作战实体类型不同，
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：E211

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