一种缓解空中交通CPS级联失效的方法技术

本发明专利技术提供了一种缓解空中交通CPS级联失效的方法，S1：将空中交通CPS级联失效过程设定为三种运行状态，包括正常状态、拥堵状态、失效状态；S2：根据实际流量计算空中交通CPS节点容量计算；S3：判断航路网与管制网正常运行过程中所有节点是否均满足节点流量小于节点容量；S4：对失效节点开始进行流量再分配；S5：失效进一步扩散；S6：判断航路网或管制网所处状态。本发明专利技术所述的一种缓解空中交通CPS级联失效的方法解决了空中交通CPS发生级联失效现象，网络可能迅速崩溃，甚至瘫痪的问题。甚至瘫痪的问题。甚至瘫痪的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种缓解空中交通CPS级联失效的方法


[0001]本专利技术属于空中交通CPS级联失效缓解领域，尤其是涉及一种缓解空中 交通CPS级联失效的方法。

技术介绍

[0002]空中交通管理系统具备了典型的信息物理系统的特征，通过3C (Computation,Communication,Control)技术的有机融合和深度协作， 实现了对物理环境的感知和管制信息的处理，以此达到交通流与信息流相互 依存的目的。然而国内外学者对空中交通CPS的研究相对较少，2016年，RoyS,Sridhar B基于CPS建立了评估模型，分析信息网络受到攻击产生中断 而对空中交通管理系统的威胁程度；2017年，Ren L对航空系统中FOC、ANSP 等如何向CPS转变做了详细描述；2018年，李飞提出了基于CPS技术构建下 一代航空电力系统的思路，分析了航空电力信息物理融合系统需要解决的关 键技术[7]，以上研究为以后空中交通CPS研究奠定了基础。
[0003]但是现有技术并未完全解决空中交通拥堵问题。2015年8月15日，华 盛顿特区空中交通管制中心发生计算机故障，导致该中心的空域扇区几乎完 全关闭，导致大面积航班延误；2018年6月30日，受雷雨天气影响，上海 浦东机场航班发生大面积延误，通行能力下降40％左右。当特殊情况发生时， 影响的飞行范围从单条航路会蔓延到一个地区，甚至是整个空中交通系统， 导致级联失效的发生，从而引起空域容量下降、航班延误或取消。一旦发生 级联失效现象，网络可能迅速崩溃，甚至瘫痪。

技术实现思路
<br/>[0004]有鉴于此，本专利技术提出一种缓解空中交通CPS级联失效的方法以解决空 中交通CPS发生级联失效现象，网络可能迅速崩溃，甚至瘫痪的问题。
[0005]为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0006]一种缓解空中交通CPS级联失效的方法，包括以下步骤：
[0007]S1：将空中交通CPS级联失效过程设定为三种运行状态，包括正常状态、 拥堵状态、失效状态；
[0008]S2：根据实际流量对空中交通CPS节点容量进行计算；
[0009]S3：判断航路网与管制网正常运行过程中所有节点是否均满足节点流量 小于节点容量，当节点流量大于节点容量时，执行步骤S4；
[0010]S4：对失效节点开始进行流量再分配，将其流量全部分配至相邻节点， 并且信息流只在管制网中传递，交通流只在航路网中传递；与失效节点相连 节点流量增加量为ΔL；
[0011]S5：失效进一步扩散，识别出流量大于节点容量的节点，该节点的状态 由正常状态变为拥堵状态，将超出其容量的流量ΔL'分配至与该节点相邻的 正常状态的节点；
[0012]S6：判断航路网或管制网所处状态，若网络中存在节点L
i
＞C
i
且Φ＝0， 则网络处于崩溃状态，级联失效结束；若航路网或管制网存在节点L
i
＞C
i
且 Φ＞0，则网络处于流量
再分配状态，跳转至步骤S5；若航路网或管制网节 点均小于L
i
≤C
i
，网络恢复正常运行状态，级联失效结束。
[0013]进一步的，步骤S1中利用的正常状态是指流量小于容量，网络运行正 常；
[0014]拥堵状态是指流量大于容量，处于此状态之下的节点无法再接受来自其 它失效节点所分配的流量，只能允许其流量向其他正常节点流出，直至此节 点的流量小于或等于其容量，恢复至正常状态；
[0015]失效状态是指容量为零，原有流量分配至其邻接节点。
[0016]进一步的，航路点或管制席位失效的具体流程如下：
[0017]A1：正常运行状态：此时所有节点的流量全都小于其容量；
[0018]A2：进入失效状态：某一节点D失效后，D的流量就会按照相应的规则分 配到其邻接节点G、F、E；
[0019]A3：失效扩散状态：节点E接收来自D失效后分配的流量，由原来的正 常状态变为拥堵状态，然后将超过其容量的那部分流量分配到其邻接节点H、 J；
[0020]A4：失效结束状态：当出现以下两种情况时，级联失效发生终止：一是 经过流量再分配后，所有节点的流量均小于其容量，网络达到平衡状态；二 是某一节点失效，其他节点经过流量再分配后，都处于拥堵状态，无法再接 受流量，网络处于崩溃状态。
[0021]进一步的，定义网络正常率来表征级联失效的缓解程度λ，具体公式如 下：
[0022]λ＝N
p
/N
[0023]其中，N
p
为经过流量分配后处于正常状态的节点数量；N为节点的总 数，
[0024]λ越大，缓解策略效果越好。
[0025]进一步的，步骤S1中利用的节点容量C
i
计算方法为
[0026]C
i
＝L
i
+θ*L
iμ
[0027]其中，L
i
为节点i的流量；μ表示0和1之间的流量可调参数；θ表示 大于0的容量可调参数，θ越大，容量越大。
[0028]进一步的，分别采用节点度分配、介数中心性分配、剩余容量分配等策 略，对航路网与管制网级联失效进行缓解。
[0029]进一步的，采用度分配缓解策略计算步骤S1中利用的与失效节点相连 节点流量增加量为ΔL方法如下：
[0030][0031]其中，ki为节点i的度；
[0032]采用度分配缓解策略计算步骤S1中利用的超出失效节点容量的流量ΔL' 方法如下：
[0033][0034]其中，Φ为节点j的邻接节点中处于正常状态的节点总数。
[0035]进一步的，采用介数中心性分配缓解策略计算步骤S1中利用的与失效 节点相连节点流量增加量为ΔL方法如下：
[0036][0037]其中，B
j
表示节点j的介数中心性；Γ表示与i相邻节点的集合；
[0038]采用介数中心性分配缓解策略计算步骤S1中利用的超出失效节点容量 的流量ΔL'方法如下：
[0039][0040]其中，Φ为节点j的邻接节点中处于正常状态的节点总数。
[0041]进一步的，采用剩余容量分配缓解策略计算步骤S1中利用的与失效节 点相连节点流量增加量为ΔL方法如下：
[0042][0043]其中，C
j-L
j
表示节点j的剩余容量；Π表示与i相邻节点的集合；
[0044]采用剩余容量分配缓解策略计算步骤S1中利用的超出失效节点容量的 流量ΔL'方法如下：
[0045]其中，Φ为节点j的邻接节点中处于正常状态的节点总 数。
[0046]相对于现有技术，本专利技术具有以下优势：
[0047]本专利技术提出的一种缓解空中交通CPS级联失效的方法将节点划分为正 常、拥堵、失效三种状态，分别采用节点度分配、介数中心性分配、剩余容 量分配等策本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种缓解空中交通CPS级联失效的方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：将空中交通CPS级联失效过程设定为三种运行状态，包括正常状态、拥堵状态、失效状态；S2：根据实际流量对空中交通CPS节点容量进行计算；S3：判断航路网与管制网正常运行过程中所有节点是否均满足节点流量小于节点容量，当节点流量大于节点容量时，执行步骤S4；S4：对失效节点开始进行流量再分配，将其流量全部分配至相邻节点，信息流只在管制网中传递，交通流只在航路网中传递；S5：与失效节点相连节点流量增加量为ΔL，识别出流量大于节点容量的节点，该节点的状态由正常状态变为拥堵状态，将超出其容量的流量ΔL'分配至与该节点相邻的正常状态的节点；S6：判断航路网或管制网所处状态，若航路网或管制网存在节点L
i
＞C
i
且Φ＞0，则网络处于流量再分配状态，跳转至步骤S5，否则级联失效结束。2.根据权利要求1所述的一种缓解空中交通CPS级联失效的方法，其特征在于：步骤S1中利用的正常状态是指流量小于容量，网络运行正常；拥堵状态是指流量大于容量，处于此状态之下的节点无法再接受来自其它失效节点所分配的流量，只能允许其流量向其他正常节点流出，直至此节点的流量小于或等于其容量，恢复至正常状态；失效状态是指容量为零，原有流量分配至其邻接节点。3.根据权利要求2所述的一种缓解空中交通CPS级联失效的方法，其特征在于：航路点或管制席位失效的具体流程如下：A1：正常运行状态：此时所有节点的流量全都小于其容量；A2：进入失效状态：某一节点D失效后，D的流量就会按照相应的规则分配到其邻接节点G、F、E；A3：失效扩散状态：节点E接收来自D失效后分配的流量，由原来的正常状态变为拥堵状态，然后将超过其容量的那部分流量分配到其邻接节点H、J；A4：失效结束状态：当出现以下两种情况时，级联失效发生终止：一是经过流量再分配后，所有节点的流量均小于其容量，网络达到平衡状态；二是某一节点失效，其他节点经过流量再分配后，都处于拥堵状态，无法再接受流量，网络处于崩溃状态。4.根据权利要求1所述的一种缓解空中交通CPS级联失效的方法，其特征在于：定义网络正常率来表征级联失效的缓解程度λ，具体公式如下：λ＝N
p
/N其中，N
p
为经过流量分配后处于正常状态的节点数量；N为节点的总数，λ越大，缓解策略效果越好。5....

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