一种航空相依网络故障传播分析方法技术

机场、航路和管制扇区是航空系统安全运行的核心，三者之间紧密耦合，任何一个部分发生故障势必波及至其他两个方面。本发明专利技术一种航空相依网络故障传播分析方法提出了由机场网络、航路网络与管制扇区网络组成的航空相依网络模型的方法，建立航空相依网络的故障传播规则，利用马尔科夫过程分析故障在三个网络的传播对整个航空网络的影响。同时结合华北区域的实际数据，对华北航空相依网络的故障传播机理进行分析。发现网络的结构和交通管制规则均影响故障在航空网络的传播。故障失效计算发现在管制网络产生的故障传播最快，在机场网络产生的故障传播最慢。

A fault propagation analysis method for aviation dependent network

Airport, route and control sector are the core of the safe operation of the aviation system. They are tightly coupled. Any part of the fault will inevitably spread to the other two aspects. A method for fault propagation analysis of aviation dependent network is presented in this paper. An aviation dependent network model composed of airport network, route network and control sector network is proposed. Fault propagation rules of aviation dependent network are established. The propagation of faults in three networks is analyzed by Markov process. Ringing. At the same time, combined with the actual data of North China region, the fault propagation mechanism of North China aviation interdependent network is analyzed. It is found that the network structure and traffic control rules affect the propagation of faults in the aviation network. Fault failure calculation finds that the fault propagation is the fastest in the control network and the slowest in the airport network.

【技术实现步骤摘要】
一种航空相依网络故障传播分析方法
本专利技术涉及航空相依网络，尤其是一种航空相依网络故障传播分析方法。
技术介绍
现实世界中一个网络与其他网络常常相互耦合、紧密联系。任何网络发生故障，都会在网络之间传播和放大，并将影响其他网络的功能，产生这种现象的根源就是网络间存在的相依性，具有这种特性的网络就是相依网络。目前国内外学者针对航空相依网络的研究主要包括，多层的相依网络的故障传播的模式与应用；病毒在相依网络传播的阀值与扩散的速率；不同连接形式的相依网络对网络间病毒的传播模式；电网与通信网络的相依网络的故障演化。航空网络由机场、航路和管制扇区网络组成，是典型的相依网络。实际中，故障在某一网络产生后，传播过程中对相关联的机场、航路、管制扇区均有影响，并且每层网络的故障产生于传播对航空网络的影响方式与作用机理均不一致。但目前没有发现对航空相依网络的故障传播机理研究的相关内容。
技术实现思路
本专利技术提出了由机场网络、航路网络与管制扇区网络组成的航空相依网络模型，建立航空相依网络的故障传播规则。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种航空相依网络故障传播分析方法，步骤为：步骤1.建立航空相依网络模型；步骤2.使航空相依网络模型中某些节点处于故障失效状态，从而引发故障传播过程；步骤3基于建立的航空相依网络模型统计三种不同状态的节点的测度并结合航空相依网络模型中节点故障比例的关系得出故障在航空相依网络模型中的传播规律。进一步的，所述航空相依网络模型建立的步骤为：步骤1.建立机场网络模型建立方法为以机场为节点，方法为：机场间具有备降关系的建立边，构建机场网络模型；步骤2.建立航路网络模型，航路网络模型的建立方法为：以全向信标台、测距台或者无方向性导航台为节点，以节点间的航路为边构建航路网络模型；步骤3.建立管制扇区网络模型，管制扇区网络模型建立的方法为以扇区为节点，以扇区间的航班的移交关系为边，不考虑临时开放与闭合的扇区，将高扇合并到相应低扇中构建管制扇区网络；步骤4.建立所述航空相依网络模型，方法为：通过机场网络模型、航路网络模型，管制扇区网络模型之间的互相联系，构建航空相依网络模型，其中，机场网络模型与航路网络模型的连接为机场与最近的全向信标台、测距台或者无方向性导航台连接，机场网络模型与管制扇区网络模型的连接为管制网络对机场网络的管理与指挥，以及机场网络对管制网络的管理进行信息的反馈，航路网络模型与管制扇区网络模型的连接为管制网络对相应航路点的指挥与控制，以及航班经过该导航点相应的管制点给予的信息反馈。进一步的，所述航空相依网络模型中的节点和边包括三种故障状态，包括初始状态H0，故障累积状态Hn，失效状态HN，初始状态定位为假设节点或者边运行最佳的状态，网络的状态与节点和边均有关系，节点i的初始状态表示为：其中vi为节点i的属性，Fi为节点i的性能，Yi为节点i的裕度；节点i与j之间的连边初始状态表示为：其中eij为节点i与j之间的连边的属性，Fij为节点i与j之间的连边的性能，Yij为节点i与j之间的连边的裕度；故障累计状态定义为网络的节点或者边处于故障累积状态，节点或者边仍然可以正常工作，网络运行受到干扰，但仍未达到全面崩溃状态，节点i的故障累积状态表示为：节点i与j之间的连边故障累积状态表示为：失效状态定位为节点或者边的故障累积到一定程度后，裕度小于0，则节点或者边处于失效状态，节点i的失效状态表示为：节点i与j之间的连边失效状态表示为：进一步的，故障在所述航空相依网络模型中以两种方式进行传播，包括在同一网络模型内的传播与不同网络模型间的传播，当处于同一网络模型内的传播时，节点失效后荷载重新分配规则如下：其中失效的节点的负荷为Ff，αf为失效节点f的相邻的节点的集合，ΔFi为失效节点f的相邻的节点i在节点f失效后的荷载重新分配，j∈αf，荷载重新分配后，状态转移如下：进一步的，当故障在不同网络模型中传播时使用的规则如下：规则1.故障发生在管制网络，与故障管制节点相连的航路节点和机场节点同时发生故障；规则2.故障发生在航路网络，与故障航路节点相连的机场节点同时发生故障，与故障航路节点相连的管制节点状态变为故障累积状态；规则3.故障发生在机场网络，与故障机场节点相连的管制节点和航路节点状态变为故障累积状态。进一步的，使用测度作为研究故障传播规律的判断标准，统计测度公式为：其中式中S为相依网络模型中节点状态的测度，s(q)为网络遭到q比例的故障失效后，所述网络模型中三种不同状态的节点的总和，N相依网络模型中节点的总和。进一步的，通过测度与航空相依网络中节点故障比例的关系发现在管制网络产生的故障传播最快，在机场网络产生的故障传播最慢。与现有技术先比，本专利技术的有益效果在于：本专利技术创新地提出了由机场网络、航路网络与管制扇区网络组成的航空相依网络模型，建立航空相依网络的故障传播规则，利用马尔科夫过程分析故障在三个网络的传播对整个航空网络的影响。最后结合华北区域的实际数据，对华北航空相依网络的故障传播机理进行分析。本专利技术的另一目的在于提出一种航空相依网络故障传播分析系统，包括故障传播规则设置模块、航空相依模型构建模块、计算分析模块，所述故障传播规则设置模块接收用户设置的空中交通管理规则及节点状态转移规则，航空相依模型构建模块利用实际数据对所述三种网络模型的节点容量和边的容量进行建模，计算分析模块利用建立的相依网络模型中节点故障比例和测度的关系并结合故障传播规则设置模块中的规则得出故障在航空相依网络模型中的传播规律。进一步的，所述一种航空相依网络故障传播分析系统，还包括扩展模块，扩展模块用于实时监测航空相依网络模型中节点的状态，当节点发生故障时发出提示，并预报下一时刻会出现故障的节点。本专利技术所述的一种航空相依网络故障传播分析系统与上述一种航空相依网络故障传播分析方法的有益效果相同，在此不再赘述。附图说明图1是机场网络模型示意图；图2是航路网络模型示意图；图3是管制扇区网络模型示意图；图4是航空相依网络模型示意图；图5是华北地区机场网络模型示意图；图6是华北地区机场航路网络模型示意图；图7是华北地区管制扇区网络模型示意图；图8是华北航空相依网络故障传播统计图；图9是实施方案中使用的一种节点连接示意图。附图标记说明：G1-机场网络模型；G2-航路网络模型；G3-管制扇区网络模型；E12-机场网络与航路网络的连接；E13-机场网络与管制网络的连接；E23-航路网络与管制网络的连接。具体实施方式本专利技术提出了由机场网络、航路网络与管制扇区网络组成的航空相依网络模型，依据建立的航空相依网络模型分析了故障传播规律。本专利技术使用的航空相依网络模型包括：机场网络、航路网络、管制扇区网络。机场点是航空器飞行的起点与终点，在一次飞行中，目的机场的备降机场是安全飞行的重要部分。以机场为节点，机场间具有备降关系的建立边，构建机场网络，假设这些边无向、无权重，构建的机场网络模型如图1中G1所示。航路与机场共同构成航空器飞行的空域环境，实际飞行中航空器一般是向着或背着导航点飞行，以全向信标台、测距台或者无方向性导航台为节点，以节点间的航路为边构建航路网，构建的航路网络模型如图2中G2所示。管制扇区是航空器飞行管制的基本单元，是航空器安全飞行的基础和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种航空相依网络故障传播分析方法，其特征在于，包括步骤：步骤1.建立航空相依网络模型；步骤2.使航空相依网络模型中某些节点处于故障失效状态，从而引发故障传播过程；步骤3基于建立的航空相依网络模型统计三种不同状态的节点的测度并结合航空相依网络模型中节点故障比例的关系得出故障在航空相依网络模型中的传播规律。

【技术特征摘要】
1.一种航空相依网络故障传播分析方法，其特征在于，包括步骤：步骤1.建立航空相依网络模型；步骤2.使航空相依网络模型中某些节点处于故障失效状态，从而引发故障传播过程；步骤3基于建立的航空相依网络模型统计三种不同状态的节点的测度并结合航空相依网络模型中节点故障比例的关系得出故障在航空相依网络模型中的传播规律。2.如权利要求1所述一种航空相依网络故障传播分析方法，其特征在于，所述航空相依网络模型建立的步骤为：步骤1.建立机场网络模型，建立方法为：以机场为节点，机场间具有备降关系的建立边，构建机场网络模型；步骤2.建立航路网络模型，航路网络模型的建立方法为：以全向信标台、测距台或者无方向性导航台为节点，以节点间的航路为边构建航路网络模型；步骤3.建立管制扇区网络模型，管制扇区网络模型建立的方法为以扇区为节点，以扇区间的航班的移交关系为边，不考虑临时开放与闭合的扇区，将高扇合并到相应低扇中构建管制扇区网络；步骤4.建立所述航空相依网络模型，方法为：通过机场网络模型、航路网络模型，管制扇区网络模型之间的互相联系，构建航空相依网络模型，其中，机场网络模型与航路网络模型的连接为机场与最近的全向信标台、测距台或者无方向性导航台连接，机场网络模型与管制扇区网络模型的连接为管制网络对机场网络的管理与指挥，以及机场网络对管制网络的管理进行信息的反馈，航路网络模型与管制扇区网络模型的连接为管制网络对相应航路点的指挥与控制，以及航班经过该导航点相应的管制点给予的信息反馈。3.如权利要求1所述一种航空相依网络故障传播分析方法，其特征在于，所述航空相依网络模型中的节点和边包括三种故障状态，包括初始状态H0，故障累积状态Hn，失效状态HN，初始状态定位为假设节点或者边运行最佳的状态，网络的状态与节点和边均有关系，节点i的初始状态表示为：其中vi为节点i的属性，Fi为节点i的性能，Yi为节点i的裕度；节点i与j之间的连边初始状态表示为：其中eij为节点i与j之间的连边的属性，Fij为节点i与j之间的连边的性能，Yij为节点i与j之间的连边的裕度；故障累计状态定义为网络的节点或者边处于故障累积状态，节点或者边仍然可以正常工作，网络运行受到干扰，但仍未达到全面崩溃状态，节点i的故障累积状态表示为：节点i与j之间的连边故障累积状态表示...

【专利技术属性】
技术研发人员：王兴隆，潘维煌，赵末，赵嶷飞，齐雁楠，
申请(专利权)人：中国民航大学，
类型：发明
国别省市：天津,12