一种基于时变网络的集群对抗能力评估方法技术

本发明专利技术提供一种基于时变网络的集群对抗能力评估方法，步骤如下：1，构建时变网络；2，定义对抗能力指标体系；3，构建智能集群运动仿真模型；4，设定智能集群感知及对抗规则；5，计算对抗能力指标；通过以上步骤，本发明专利技术基于时变网络分析为进一步验证集群对抗效果，检验集群单元设计提供数据和理论支撑；此外，通过计算机模拟仿真，迭代收敛快，有利于降低试验成本，实现了基于时变网络的集群对抗能力评估，可针对集群对抗效果进行有效验证和进一步优化提高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于时变网络的集群对抗能力评估方法
本专利技术提出一种基于时变网络的集群对抗能力评估方法，用于仿真验证集群对抗试验效果，优化提高时变网络连通可靠性和生存可靠性，属于集群仿真技术与网络科学交叉领域。
技术介绍
集群对抗是指由多个具备感知功能的个体组成的系统进行群体与群体对抗作战的一种作战对抗模式，最早来源于战场上的军事需求。通常单个个体本身不具备强大的能力，不能满足日益复杂的任务要求，但当这些个体集群形成群体后，借鉴如狼群、蜂群等生物群体的“自组织”模式，它们能够通过感知周围环境，与近邻个体进行信息交互，对环境态势做出判断，并对自身行为进行控制，从而涌现形成强大的集群搜索、攻击、避让以及协作等能力，具有自组织、自适应的特性。2016年美国空军正式提出《2016—2036年小型无人机系统飞行规划》，规划了航空、太空和网空三大不同作战域的无人机集群对抗作战设想。2018年1月，驻叙利亚境内的俄军防空系统发现13架无人机形成集群对俄军事基地展开袭击，无人机集群首次用于实战。集群不仅反映了新型作战方式在军事上的应用前景，同时，利用集群强大的感知、搜索和协作能力和效率，集群在农业、快递物流、应急救援以及遥感对地观测等民用领域也具有重要的应用价值。因此，针对集群的研究近年来逐渐成为热点。近年来，针对集群的研究，相关学者多借鉴如鱼群、鸟群、蜂群等生物群体特征，开发了不同类型了多主体集群仿真计算模型。1987年美国Reynolds提出了计算机模拟的Boid模型，该模型遵循三条基本原则：(1)靠拢原则；(2)速度一致原则；(3)防碰撞原则。此外，匈牙利Viseck等人在此基础上运用统计物理手段，进一步研究和模拟了噪声、密度和速度对于集群运动的影响。早在2002年，美军联合部队司令部的“阿尔法计划”对无人机集群对抗的效能进行了评估研究；2012年美国海军研究生院也进行了无人机集群仿真评估验证，提出一种无人集群作战条令与体系设计一体化框架。如何高效的评估集群对抗能力，这些研究并未给出明确答案。随着信息技术的高速发展，网络作为物理实体结构连接和功能交互的纽带，在现实生活中无处不在。借鉴复杂网络理论，本专利技术将集群抽象为时变网络，采用基于时变网络的分析方法对集群对抗过程中的对抗效果、连通可靠性、生存可靠性进行评估：即将每个个体视为一个网络节点，并将交互半径范围内的个体视为邻居节点，添加邻居节点之间的连边。由于邻居节点和连边随集群运动和对抗过程的演化不断发生变化，集群对抗仿真即可转化为监测不同参数下时变网络性能指标动态变化的过程。集群具有以下三个优势：1.每个组成单元功能单一，成本较低，组合后形成的集群系统综合能力强，具有比单个单元更高的费效比；2.集群不具备中央控制单元，通常采取遵循某种局部规则的分布式控制，如常见的Boid模型和Vicsek模型，通过大量异构单元发挥各自单元的功能，有利于于增强系统功能和提高控制效率；3.拓扑结构具备“自适应”、“自组织”特点，不同环境下生存能力、适应能力群体与单一单元相比更强。通过仿真手段进行集群对抗试验，可降低试验成本、缩短试验周期，为进一步提高集群性能奠定理论和数据基础。综上所述，针对集群对抗这类复杂任务，需要设计一种仿真方法验证集群对抗的有效性和时变网络的可靠性。为实现基于时变网络的集群对抗仿真，一方面，需要建立仿真试验的对抗规则，另一方面需要构建时变网络模型。相比实物试验，仿真试验具有成本低，迭代快的优势。在以上背景下，提出一种基于时变网络的集群对抗能力评估方法。
技术实现思路
(一)专利技术的目的本专利技术目的是提供一种基于时变网络的集群对抗能力评估方法。该方法从时变网络角度考虑集群的对抗性能，并为集群对抗任务提供仿真测试和验证手段。(二)技术方案本专利技术是一种基于时变网络的集群对抗能力评估方法，其具体实施步骤如下：步骤1，构建时变网络每个时刻t，将集群组成的个体单元对象抽象成为时变网络节点，定义交互半径rc，识别节点之间欧式距离在交互半径内的邻居节点，添加邻居节点的连边，预处理网络信息，包括以下内容：(1)预处理节点信息；(2)定义交互半径；(3)预处理连边信息；步骤2，定义对抗能力指标体系为监测集群拓扑结构演化情况和衡量集群对抗效果，本步骤定义对抗能力指标体系，包括对抗效果、时变网络连通可靠性和生存可靠性指标；其中对抗效果即对抗的胜负情况；连通可靠性表示集群的拓扑结构连通性保持能力，连通可靠性越高表明集群的对抗能力越强；生存可靠性表示集群的生存能力，生存可靠性越高表明集群的存活能力越强；步骤3，构建集群运动仿真模型本步骤采用Vicsek模型描述集群个体与邻居之间的运动关系；Vicsek模型规定了个体在运动中需遵循的三条基本原则：靠拢原则、速度一致原则和防碰撞原则，具体包括以下三个子步骤：3.1设置对抗平面区域，关闭阻隔墙，将各个不同集群分隔开来；3.2初始化个体单元的初始位置、速度、方向角和噪音；3.3更新个体单元位置和方向角；步骤4，设定集群感知及对抗规则针对步骤3中构建的集群运动仿真模型，每个个体单元具有释放信息素的性质，本步骤通过赋予集群个体单元感知能力，以达到感知和搜索对方集群的目的；同时，规定两个不同类型集群相遇，集群所形成的时变网络连通子团更大的集群具有更高的获胜概率，集群连通子团大小相同的情况下，两个集群获胜的概率相同；包括三个子步骤：4.1开启阻隔墙，集群个体单元信息素释放、扩散；4.2感知信息素浓度与搜寻对方集群；4.3设定对抗规则，两个集群相遇时按照对抗规则开始对抗；步骤5，计算对抗能力指标根据步骤3和步骤4中建立的集群运动仿真模型和感知、对抗规则，集群在每个时刻t均可按照步骤1所述的时变网络构建方法建立当前时刻t的时变网络；计算每一时刻t的时变网络连通可靠性和生存可靠性指标，用于监测和验证集群对抗仿真的效果，统计每个集群对抗效果。其中，在步骤1中所述的“预处理网络信息”，其作法如下：首先将集群的个体单元抽象为时变网络的节点，节点从1开始顺序编号1～N，每个节点具有唯一的非重复编号；其次，定义交互半径是指给定节点之间的交互半径rc，当任意两个节点欧式距离小于等于交互半径的节点则视为邻居节点；若两个节点的坐标分别为(x1,y1)及(x2,y2)，其欧式距离d的计算公式为：针对连边信息，添加当前时刻所有邻居节点之间的连边，并编号所有连边，对M条连边按照从1开始顺序编号1～M，自环以及多重边不做统计。其中，在步骤2中所述的“定义对抗能力指标体系，包括对抗效果、时变网络连通可靠性和生存可靠性指标”，其做法如下：为监测集群拓扑结构演化情况和衡量集群对抗效果，本步骤定义对抗效果、时变网络连通可靠性和生存可靠性指标，其数学表示为：fi＝k(k＝0,1)Rc(i)＝max(G(i))/N(i)Rl(i)＝Nl(i)/N(i)其中fi表示第i个集群的对抗效果，k的值仅在0或1中取值，0表示对抗失败，1表示对抗获胜；Rc(i)表示第i个集群时变网络连通可靠性，max(G(i))表示第i个集群最大连通子团所包含的节点数，N(i)表示第i个集群网络节点总数；Rl(i)表示第i个集群时变网络生存可靠性，Nl(i)表示对抗过程第i个集群生存节点数量。其中，在步骤3.1中所述的“设置对抗平面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于时变网络的集群对抗能力评估方法，其特征在于：其具体实施步骤如下：步骤1，构建时变网络每个时刻t，将集群组成的个体单元对象抽象成为时变网络节点，定义交互半径rc，识别节点之间欧式距离在交互半径内的邻居节点，添加邻居节点的连边，预处理网络信息，包括以下内容：(1)预处理节点信息；(2)定义交互半径；(3)预处理连边信息；步骤2，定义对抗能力指标体系为监测集群拓扑结构演化情况和衡量集群对抗效果，本步骤定义对抗能力指标体系，包括对抗效果、时变网络连通可靠性和生存可靠性指标；其中对抗效果即对抗的胜负情况；连通可靠性表示集群的拓扑结构连通性保持能力，连通可靠性越高表明集群的对抗能力越强；生存可靠性表示集群的生存能力，生存可靠性越高表明集群的存活能力越强；步骤3，构建集群运动仿真模型本步骤采用Vicsek模型描述集群个体与邻居之间的运动关系；Vicsek模型规定了个体在运动中需遵循的三条基本原则：靠拢原则、速度一致原则和防碰撞原则，具体包括以下三个子步骤：3.1设置对抗平面区域，关闭阻隔墙，将各个不同集群分隔开来；3.2初始化个体单元的初始位置、速度、方向角和噪音；3.3更新个体单元位置和方向角；步骤4，设定集群感知及对抗规则针对步骤3中构建的集群运动仿真模型，每个个体单元具有释放信息素的性质，本步骤通过赋予集群个体单元感知能力，以达到感知和搜索对方集群的目的；同时，规定两个不同类型集群相遇，集群所形成的时变网络连通子团更大的集群具有更高的获胜概率，集群连通子团大小相同的情况下，两个集群获胜的概率相同；包括三个子步骤：4.1开启阻隔墙，集群个体单元信息素释放、扩散；4.2感知信息素浓度与搜寻对方集群；4.3设定对抗规则，两个集群相遇时按照对抗规则开始对抗；步骤5，计算对抗能力指标根据步骤3和步骤4中建立的集群运动仿真模型和感知、对抗规则，集群在每个时刻t均按照步骤1所述的时变网络构建方法建立当前时刻t的时变网络；计算每一时刻t的时变网络连通可靠性和生存可靠性指标，用于监测和验证集群对抗仿真的效果，统计每个集群对抗效果；通过以上步骤，本专利技术基于时变网络分析为进一步验证集群对抗效果，检验集群单元设计提供数据和理论支撑；此外，通过计算机模拟仿真，迭代收敛快，有利于降低试验成本，实现了基于时变网络的集群对抗能力评估，可针对集群对抗效果进行有效验证和进一步优化提高。...

【技术特征摘要】
1.一种基于时变网络的集群对抗能力评估方法，其特征在于：其具体实施步骤如下：步骤1，构建时变网络每个时刻t，将集群组成的个体单元对象抽象成为时变网络节点，定义交互半径rc，识别节点之间欧式距离在交互半径内的邻居节点，添加邻居节点的连边，预处理网络信息，包括以下内容：(1)预处理节点信息；(2)定义交互半径；(3)预处理连边信息；步骤2，定义对抗能力指标体系为监测集群拓扑结构演化情况和衡量集群对抗效果，本步骤定义对抗能力指标体系，包括对抗效果、时变网络连通可靠性和生存可靠性指标；其中对抗效果即对抗的胜负情况；连通可靠性表示集群的拓扑结构连通性保持能力，连通可靠性越高表明集群的对抗能力越强；生存可靠性表示集群的生存能力，生存可靠性越高表明集群的存活能力越强；步骤3，构建集群运动仿真模型本步骤采用Vicsek模型描述集群个体与邻居之间的运动关系；Vicsek模型规定了个体在运动中需遵循的三条基本原则：靠拢原则、速度一致原则和防碰撞原则，具体包括以下三个子步骤：3.1设置对抗平面区域，关闭阻隔墙，将各个不同集群分隔开来；3.2初始化个体单元的初始位置、速度、方向角和噪音；3.3更新个体单元位置和方向角；步骤4，设定集群感知及对抗规则针对步骤3中构建的集群运动仿真模型，每个个体单元具有释放信息素的性质，本步骤通过赋予集群个体单元感知能力，以达到感知和搜索对方集群的目的；同时，规定两个不同类型集群相遇，集群所形成的时变网络连通子团更大的集群具有更高的获胜概率，集群连通子团大小相同的情况下，两个集群获胜的概率相同；包括三个子步骤：4.1开启阻隔墙，集群个体单元信息素释放、扩散；4.2感知信息素浓度与搜寻对方集群；4.3设定对抗规则，两个集群相遇时按照对抗规则开始对抗；步骤5，计算对抗能力指标根据步骤3和步骤4中建立的集群运动仿真模型和感知、对抗规则，集群在每个时刻t均按照步骤1所述的时变网络构建方法建立当前时刻t的时变网络；计算每一时刻t的时变网络连通可靠性和生存可靠性指标，用于监测和验证集群对抗仿真的效果，统计每个集群对抗效果；通过以上步骤，本发明基于时变网络分析为进一步验证集群对抗效果，检验集群单元设计提供数据和理论支撑；此外，通过计算机模拟仿真，迭代收敛快，有利于降低试验成本，实现了基于时变网络的集群对抗能力评估，可针对集群对抗效果进行有效验证和进一步优化提高。2.根据权利要求1所述的一种基于时变网络的集群对抗能力评估方法，其特征在于：在步骤1中所述的“预处理网络信息”，其作法如下：首先将集群的个体单元抽象为时变网络的节点，节点从1开始顺序编号1～N，每个节点具有唯一的非重复编号；其次，定义交互半径是指给定节点之间的交互半径rc，当任意两个节点欧式距离小于等于交互半径的节点则视为邻居节点；若两个节点的坐标分别为(x1,y1)及(x2,y2)，其欧式距离d的计算公式为：针对连边信息，添加当前时刻所有邻居节点之间的连边，并编号所有连边，对M条连边按照从1开始顺序编号1～M，自环以及多重边不做统计。3.根据权利要求1所述的一种基于时变网络的集群对抗能力评估方法，其特征在于：在步骤2中所述的“定义对抗能力指标体系，包括对抗效果、时变网络连通可靠性和生存可靠性指标”，其做法如下：为监测集群拓扑结构演化情况和衡量集群对抗效果，本步骤定义对抗效果、时变网络连通可靠性和生存可靠性指标，其数学表示为：fi＝k(k＝0,1)Rc(i)＝max(G(i))/N(i)Rl(i)＝Nl(i)/N(i)其中fi表示第i个集群的对抗效果，k的值仅在0、1中取值，0表示对抗失败，1表示对抗获胜；Rc(i)表示第i个集群时变网络连通可靠性，max(G(i))表示第i个集群最大连通子团所包含的节点数，N(i)表示第i个集群网络...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟季龙，李大庆，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11