空中交通相依网络脆弱性识别与控制方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种空中交通相依网络脆弱性识别与控制方法及系统，所述方法及系统首先构建由机场网络、航路网络以及管制扇区网络相连接的空中交通相依网络模型，并以随机扰动和蓄意扰动的扰动策略对空中交通相依网络的节点进行扰动，然后计算所述相依网络的结构脆弱性的相关特性指标的变化率和功能脆弱性的相关指标的变化率，并识别所述相依网络的结构脆弱性和功能脆弱性的变化规律，最后根据识别结果，通过对相依网络进行流量协调控制来优化相依网络的脆弱性。本发明专利技术结合空中交通相依网络的脆弱性分析结果，对网络的交通流重新进行协调控制，使得空中交通相依网络的交通流趋于有序，以此降低网络的脆弱性。

Air Traffic Dependent Network Vulnerability Recognition and Control Method and System

【技术实现步骤摘要】
空中交通相依网络脆弱性识别与控制方法及系统
本专利技术属于空中交通管理
，尤其是涉及一种空中交通相依网络脆弱性识别与控制方法及系统。
技术介绍
空中交通系统在运行时，经常遇到系统内部或外部的扰动(如机场时刻不合理造成航班起降排队、恶劣天气或军事活动造成机场航路容量下降等)而造成空中交通航班运输性能效率下降，从而引发系统的脆弱性。空中交通系统的脆弱性的表现既威胁空中交通系统的安全性，同时也破坏系统的正常的航班运输功能，因此对空中交通系统的脆弱性的识别与控制的研究具有积极的现实意义。已有相关研究对空中交通系统的扇区网络的特性与级联失效进行研究，以及用关键航空网络模型分析民用航空网络的脆弱性。相关空中交通相依网络研究中，已有对多层网络间的故障传播规律与相依网络的脆弱性进行了研究，但对空中交通相依网络的脆弱性的识别与控制鲜有研究。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术旨在提出一种空中交通相依网络脆弱性识别与控制方法及系统。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：空中交通相依网络脆弱性识别与控制方法，包括如下步骤：S1：构建由机场网络、航路网络以及管制扇区网络相连接的空中交通相依网络模型；S2：以随机扰动和蓄意扰动的扰动策略对空中交通相依网络的节点进行扰动；S3：计算所述相依网络的结构脆弱性的相关特性指标的变化率和功能脆弱性的相关指标的变化率；S4：基于相依网络层网络的结构分析节点失效影响规则、相依网络层网络的功能分析节点失效影响规则以及S3所述的相关特性指标的变化率，识别所述相依网络的结构脆弱性和功能脆弱性的变化规律；S5：根据S4的识别结果，通过对相依网络进行流量协调控制来优化相依网络的脆弱性。进一步的，相依网络的结构脆弱性的相关特性指标为网络最大连通度、网络效率和网络结构熵，相依网络的功能脆弱性的相关特性指标为网络流量熵和网络交通流损失比。进一步的，步骤S5中进行流量协调控制的对象为机场网络。进一步的，步骤S5包括：S51：建立目标函数：式中G1、G2、G2分别代表机场网络、航路网络、管制扇区网络，分别为机场网络、航路网络、管制扇区网络的网络流量熵；S52：输入G1、G2、G3各网络节点的流量ti。S53：依据相依网络的构建方式，建立G1、G2、G3层网络间的连接关系，并建立流量相互影响关系；S54：确定G1的节点流量的约束条件；S55：在S54的约束条件内，以1为步长，遍历G1节点交通流量的所有情形；S56：依据流量相互影响关系，计算网络的流量熵S57：输出遍历所有情形中符合目标函数的G1的网络节点流量；S58：输出三个层网络流量熵的和的最小值。进一步的，步骤S54中所述的约束条件为：0.8ti≤t′i≤Ci，式中i为G1中的节点，t′i为i在流量协调控制过程中的流量，Ci为i的容量。一种空中交通相依网络脆弱性识别与控制系统，包括空中交通相依网络模型构建模块，用于构建空中交通相依网络模型，所述空中交通相依网络模型由机场网络、航路网络以及管制扇区网络相连接组成；节点扰动模块，通过随机扰动和蓄意扰动的扰动策略对所述相依网络的网络节点进行扰动；特性指标计算模块，用于计算所述相依网络的结构脆弱性的相关特性指标的变化率和功能脆弱性的相关指标的变化率；网络脆弱性识别模块，用于识别所述相依网络的结构脆弱性和功能脆弱性的变化规律，该模块功能基于以下内容实现：相依网络层网络的结构分析节点失效影响规则、相依网络层网络的功能分析节点失效影响规则以及所述的相关特性指标的变化率；流量协调控制模块，用于优化所述相依网络的脆弱性，该模块的功能根据所述网络脆弱性识别模块的识别结果，通过用对相依网络进行流量协调控制实现。进一步的，所述相依网络的结构脆弱性的相关特性指标为网络最大连通度、网络效率和网络结构熵，功能脆弱性的相关特性指标为网络流量熵和网络交通流损失比。进一步的，所述流量协调模块进行流量协调控制的对象为机场网络。进一步的，所述流量协调控制模块包括：目标函数建立单元，用于建立目标函数：式中G1、G2、G2分别代表机场网络、航路网络、管制扇区网络，分别为机场网络、航路网络、管制扇区网络的网络流量熵；节点流量输入单元，用于输入G1、G2、G3各网络节点的流量ti；层网络连接单元，用于依据相依网络的构建方式，建立G1、G2、G3层网络间的连接关系，并建立流量相互影响关系；约束条件输入单元，用于输入G1、G2、G3的节点流量的约束条件；情形执行单元，用于在约束条件内，以1为步长，遍历G1节点交通流量的所有情形；网络流量熵计算单元，用于依据流量相互影响关系，计算网络的流量熵节点流量输出单元，用于输出遍历所有情形中符合目标函数的G1的网络节点流量；网路流量熵输出单元，用于输出三个层网络流量熵的和的最小值。进一步的，所述约束条件为：0.8ti≤t′i≤Ci，式中i为G1中的节点，t′i为i在流量协调控制过程中的流量，Ci为i的容量。相对于现有技术，本专利技术所述的空中交通相依网络脆弱性识别与控制方法及系统具有以下优势：本专利技术结合空中交通相依网络的脆弱性分析结果，考虑空中交通的运行规则与航路、管制扇区的实际情况，建立以机场网络、航路网络与管制扇区网络的流量熵值和最小的目标函数，对算例的机场网络的交通流重新进行的协调控制，使得空中交通相依网络的交通流趋于有序，以此降低网络的脆弱性，提高空中交通相依网络的安全性与高效性。附图说明构成本专利技术的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1为本专利技术实施例所述的空中交通相依网络脆弱性识别与控制方法流程示意图；图2为本专利技术实施例所述的空中交通相依网络脆弱性识别与控制系统结构示意图；图3为本专利技术实施例所述的空中交通相依网络模型示意图；图4为本专利技术实施例所述的网络最大联通子图变化率示意图；图5为本专利技术实施例所述的网络效率变化率示意图；图6为本专利技术实施例所述的网络结构熵变化率示意图；图7为本专利技术实施例所述的网络流量熵变化率示意图；图8为本专利技术实施例所述的网络交通流损失比变化率示意图。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本专利技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.空中交通相依网络脆弱性识别与控制方法，其特征在于：包括如下步骤：S1：构建由机场网络、航路网络以及管制扇区网络相连接的空中交通相依网络模型；S2：以随机扰动和蓄意扰动的扰动策略对空中交通相依网络的节点进行扰动；S3：计算所述相依网络的结构脆弱性的相关特性指标的变化率和功能脆弱性的相关指标的变化率；S4：基于相依网络层网络的结构分析节点失效影响规则、相依网络层网络的功能分析节点失效影响规则以及S3所述的相关特性指标的变化率，识别所述相依网络的结构脆弱性和功能脆弱性的变化规律；S5：根据S4的识别结果，通过对相依网络进行流量协调控制来优化相依网络的脆弱性。

【技术特征摘要】
1.空中交通相依网络脆弱性识别与控制方法，其特征在于：包括如下步骤：S1：构建由机场网络、航路网络以及管制扇区网络相连接的空中交通相依网络模型；S2：以随机扰动和蓄意扰动的扰动策略对空中交通相依网络的节点进行扰动；S3：计算所述相依网络的结构脆弱性的相关特性指标的变化率和功能脆弱性的相关指标的变化率；S4：基于相依网络层网络的结构分析节点失效影响规则、相依网络层网络的功能分析节点失效影响规则以及S3所述的相关特性指标的变化率，识别所述相依网络的结构脆弱性和功能脆弱性的变化规律；S5：根据S4的识别结果，通过对相依网络进行流量协调控制来优化相依网络的脆弱性。2.根据权利要求1所述的空中交通相依网络脆弱性识别与控制方法，其特征在于：相依网络的结构脆弱性的相关特性指标为网络最大连通度、网络效率和网络结构熵，相依网络的功能脆弱性的相关特性指标为网络流量熵和网络交通流损失比。3.根据权利要求1所述的空中交通相依网络脆弱性识别与控制方法，其特征在于：步骤S5中进行流量协调控制的对象为机场网络。4.根据权利要求1所述的空中交通相依网络脆弱性识别与控制方法，其特征在于：步骤S5包括：S51：建立目标函数：式中G1、G2、G2分别代表机场网络、航路网络、管制扇区网络，分别为机场网络、航路网络、管制扇区网络的网络流量熵；S52：输入G1、G2、G3各网络节点的流量ti。S53：依据相依网络的构建方式，建立G1、G2、G3层网络间的连接关系，并建立流量相互影响关系；S54：确定G1的节点流量的约束条件；S55：在S54的约束条件内，以1为步长，遍历G1节点交通流量的所有情形；S56：依据流量相互影响关系，计算网络流量熵S57：输出遍历的所有情形中符合目标函数的G1的网络节点流量；S58：输出三个层网络流量熵的和的最小值。5.根据权利要求4所述的空中交通相依网络脆弱性识别与控制方法，其特征在于：步骤S54中所述的约束条件为：0.8ti≤ti′≤Ci，式中i为G1中的节点，ti′为i在流量协调控制过程中的流量，Ci为i的容量。6.空中交通相依网络脆弱性识别与控制系统，其特征在于：包括空中交通相依网络模型构建模块，用于构建空中交通相依网络模型，所述空中交通相依网络模...

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