考虑级联失效的C4ISR系统结构动态鲁棒性度量方法

2016-09-07张杰勇张金锋周翔翔

系统工程与电子技术 2016年9期

张杰勇, 易　侃, 王　珩, 张金锋, 周翔翔

(1. 中国电子科技集团公司第二十八研究所信息系统工程重点实验室, 江苏南京 210007; 2. 空军工程大学信息与导航学院, 陕西西安 710077; 3. 中国人民解放军95784部队, 四川乐山 614100)

张杰勇1,2, 易侃1, 王珩1, 张金锋1, 周翔翔3

在分析动态鲁棒性概念的基础上,提出了一种考虑级联失效的C4ISR系统结构动态鲁棒性度量方法,该方法结合不完全信息的攻击模型,设计了C4ISR系统结构级联失效的过程模型和动态鲁棒性值的计算方法,最后通过某一区域联合防空系统结构的案例对本文的动态鲁棒性度量方法进行仿真验证,仿真的结果证明了本文所提方法的有效性。

C4ISR系统; 系统结构; 信息流模体; 动态鲁棒性; 级联失效; 功能接替

0　引　言

网络中心化C4ISR系统[1]是信息化条件下战场作战要素的“粘合剂”、作战效能的“倍增器”和作战指挥的“神经中枢”,是世界各国军队重点建设的核心军事能力之一。作为设计和优化网络中心化C4ISR系统的一个重要指标—系统结构的鲁棒性,一直受到该系统设计人员和使用人员的关注。系统结构的鲁棒性包括很多要素,有抗毁性、自主性、体系防御等[2],而本文研究的系统结构的鲁棒性主要是指系统结构的抗毁性。因此,本文将系统结构的鲁棒性定义为C4ISR系统结构的遭受外界攻击时,在系统单元或系统单元之间关系遭受损失的条件下,仍能够提供系统的关键军事功能的能力。

一个网络的鲁棒性一般可以划为静态鲁棒性和动态鲁棒性两个方面[3],两者的主要区别就是在进行鲁棒性研究时是否考虑失效网络节点导致节点负载或者网络流量的重新分配的问题,也就是考虑失效节点对其他节点的级联影响,即考虑级联失效,网络中心化C4ISR系统结构的鲁棒性也是如此。当前有关军事信息系统结构鲁棒性的研究中,从公开发表的文献来看,主要集中在其的静态鲁棒性的研究中[4-6]。另外,文献[7-10]在研究军事信息网络的鲁棒性中考虑了级联失效,但是这些文献也仅仅将研究一般复杂网络级联失效的过程[11-19]简单的移植到所研究的指挥控制网络或是通信网络结构中,实质上并不能反映出军事信息网络级联失效的特殊性,并且所研究的指挥控制网络或是通信网络结构也并非是C4ISR系统结构。

实质上,由于网络中心化C4ISR系统是一个军事作战网络,其自身具有功能接替和重构能力,当结构中某一系统单元失效后,失效系统单元的功能肯定会自动通过某一规则由其他的一个或者多个正常的系统单元所接替,这样,该失效系统单元的负载也必然由接替它功能的其他的系统单元所分担,但是,由于系统单元负载容量的有限性,这些接受多余负载的系统单元又可能由于负载总和大于其自身的负载容量而发生新的故障,这就是C4ISR系统结构的级联失效过程。

因此,在研究C4ISR系统结构鲁棒性的过程中,是需要考虑级联失效对鲁棒性度量的影响的。考虑级联失效的系统结构鲁棒性称为系统结构的动态鲁棒性。本文主要对C4ISR系统结构的动态鲁棒性进行研究,依据系统结构的功能重组和接替的特性,设计了系统结构的级联失效过程,并在不完全信息的攻击模型下,设计系统结构动态鲁棒性的度量方法。

1　方法基础

1.1网络化中心化C4ISR系统结构模型

网络中心化C4ISR系统结构的模型是系统结构动态鲁棒性和级联失效过程分析的基础。本文采用参考文献[6,20]中的OPDAR模型对网络中心化C4ISR系统结构进行建模,在结构要素原有属性的基础上,扩充了与系统结构动态鲁棒性度量和分析有关的新属性,具体如表1所示。需要注意的是,网络中心化C4ISR系统结构是基于底层的基础信息栅格的,本文假设基础信息栅格能够保证所有系统单元之间的信息的互连互通的,因此,可以假设对系统的各类攻击只针对于系统中各类单元,而系统单元之间的关系是不能被毁伤的。

表1　系统结构组成要素及其新增属性

1.2系统结构模型中信息流模体

网络中心化C4ISR系统的各种功能(如:情报保障能力、指挥控制能力、协同能力等)的发挥都依赖于系统中的各类信息的交互,本文还是采用文献[6,21]中C4ISR系统结构OPDAR模型的各类信息流模型来度量系统结构的各种军事功能,C4ISR系统结构的各种信息流模体也可以参考文献[6,21]。

2　考虑级联失效的系统结构动态鲁棒性度量方法

依据本文以上有关网络中心化C4ISR系统结构的描述和假设可知,度量系统结构军事功能的方式主要是系统结构中的各类信息流模体,而攻击的对象也只是系统结构的系统单元。

由此,对C4ISR系统结构的动态鲁棒性的度量方法进行设计过程中,需要重点解决3方面的问题:一是系统结构的攻击模型;二是系统结构的级联失效过程;三是系统结构动态鲁棒性的具体测度算法。

2.1系统结构的攻击模型

对于网络中心化C4ISR系统结构的攻击,本文还是采用文献[22-23]中所设计的不完全信息的攻击模型。不完全信息的攻击模型主要是确定该攻击信息和攻击模式。

2.1.1攻击信息

攻击信息的设计是不完全信息攻击模型的前提和基础。假设被攻击的系统结构中一共有N个系统单元,被攻击的系统单元的数量为N·P(P∈[0,1])为整个攻击过程的被攻击系统单元占全部系统单元的比例。当能够获取系统结构的全部系统单元的信息时,则可以按照系统单元重要度的先后顺序选择重要度大的N·P个系统单元进行攻击,这等价于蓄意攻击;反之,当不能获取系统结构的任何系统单元的信息时,只能在系统结构随机的攻击N·P个系统单元,这就等价于随机攻击。因此,本文将系统单元的重要度作为系统结构的攻击信息,并且采用文献[24]中的系统单元的信息流模体的流介数来度量系统单元的重要度。

将网络中心化C4ISR系统结构中系统单元Ni的重要度I(Ni)定义为

(1)

式中,IEI(Ni)表示系统结构内所有情报信息流模体经过系统单元Ni的数量占所有情报信息流模体数量的比值,为

(2)

式中,σ表示所有信息流模体的集合;σ(Ni)表示信息流模体σ中是否包含系统单元Ni,如果包含σ(Ni)=1,否则,σ(Ni)=0。

同理

(3)

(4)

α1,α2和α3表示每种类型信息流模体在系统功能运行中的相对重要程度,它与系统结构所承担的作战任务以及所体现的军事功能相关,α1+α2+α3=1(α1,α2,α3∈(0,1))。

要确定G需要确定以下两个信息:①G中系统单元的个数,用N·a来表示,其中,用a表示攻击信息的广度;②G中包含哪些系统单元,包含重要度高的系统单元越多,表示攻击越精确,用b表示攻击信息的精度。这样,可以通过a和b来确定G,这个过程可以转化成“不等概率抽样问题”[25]。

在这个过程中,总的集合对应系统结构中所有系统单元集合,大小为N,样本对应已知区域G,样本容量n为N·a(a∈[0,1])。当a=0时,n=0,即攻击信息量为零,对应随机攻击;a=1时,n=N,即攻击信息量为完全信息,对应蓄意攻击。

(5)

也就是系统单元中最重要的系统单元的信息总是被获取的概率越大。

为了避免重要度高的系统单元重复入样,将攻击信息的获取过程抽象成无放回的不等概率抽样过程,具体的步骤可以参考文献[22]。

2.1.2攻击模式

由以上可知,攻击信息就是a和b。假设已经确定已知区域G,需要攻击系统结构中的N·P个系统,系统单元被攻击后,与其相连接的边随之移除。本文设计一种较为简单的攻击模式，先攻击G中的系统单元,再攻击G以外区域中的系统单元,即

(1) 当P≤a时,直接在已知区域G中按照系统单元的重要度从大到小依次攻击;

2.2系统结构的级联失效过程模型

在网络中心化C4ISR系统中,整个系统结构的级联失效过程由以下3个步骤组成。

步骤 1正常运转。C4ISR系统结构中的系统单元依据实际要求部署完成后,系统单元的工作负载都在它们可以承受的工作范围内,因此,系统单元都能够正常工作。

步骤 2负载分流。当系统结构中的某个系统单元遭到外部攻击使得其工作瘫痪,由于系统结构的功能重组,该系统单元的工作负载就会依据结构重组的原则进行工作负载的分流,这势必给其他系统单元带来新的工作负载,当工作负载超出系统单元的负载容量时,该系统单元就会出现工作效率急剧下降,甚至会出现该系统单元的工作瘫痪现象,进而导致新一轮的系统单元工作负载的重新分配,导致系统结构的功能重组。

步骤 3失效结束。由于系统单元的相继失效,导致了整个系统结构的军事功能全部瘫痪,或者系统单元遭受失效导致的影响范围有限,整个系统结构又回到一种正常的工作状态,都代表着整个级联失效过程的结束。

依据网络中心化C4ISR系统结构中系统单元受攻击后进行功能重组的特征,可以对C4ISR系统结构的级联失效过程模型进行如下设置。

2.2.1系统单元的初始运行负载

由本文第1.2节可知,本文采用网络中心化C4ISR系统结构中存在的信息流模体来度量系统结构的各种军事功能,因此,可以粗粒度地假设系统结构中某一系统单元所包含信息流模体的数量越大(即信息流模体的点介数越大),该系统单元所承担的工作负载越大(包括处理、存储和传输信息所产生的工作负载)。

因此,与系统结构中系统单元的重要性的计算方法一样,本文还是采用网络中心化C4ISR系统结构中系统单元的信息流模体的点介数,来定义系统结构中系统单元的初始负载。将系统单元的初始负载定义为

InitLoad(Ni)=f·I(Ni)

(6)

由式(6)可知,系统结构中系统单元的初始负载与该系统单元初始中的重要性成正比,其中,f为一个常数,本文中系统单元的初始负载和负载容量都是相对的数值。

2.2.2系统单元的负载容量

在网络中心化C4ISR系统结构中,系统单元的负载容量往往与其设计成本和初始运行负载成正比,因此,将系统单元Ni的负载容量定义为

CapaLoad(Ni)=β·InitLoad(Ni)

(7)

式中,β≥1,为系统单元负载容量可调节参数。很显然,越大,β表示系统单元的负载容量越大,系统单元的成本越高。

2.2.3系统单元的过载失效

在网络中心化C4ISR系统结构中,系统单元并不只有正常和失效两种状态,有时系统单元还会处于部分失效状态(比如:信息拥塞中的系统单元),当系统单元上的负载减小后,还能够恢复到正常状态。因此,当系统单元的负载超过其负载容量时,系统单元就直接时效,并将其从系统结构中移除是不合理的。文献[25]为系统单元赋予一个动态的失效概率权值P(Ni),为

(8)

式中,γ≥1,表示C4ISR系统结构中的系统单元的负载过载承受能力调节参数。

2.2.4失效系统单元的负载分流

当C4ISR系统结构中某个系统单元失效后(由于该系统单元受攻击或者该系统单元的工作负载太大),该失效系统单元的功能肯定会自动通过某一规则由其他的一个或者多个正常的系统单元所接替,这样,该失效系统单元的负载也必然由接替它功能的其他的系统单元所分担。系统结构中不同类型的系统单元失效,该系统单元的接替规则和重组策略都有所不同。

(1) 当失效系统单元为决策控制单元

按照作战指挥原则,C4ISR系统的决策控制单元的指挥方式通常分为以下4种[26-28]:逐级指挥、升级指挥、越级指挥和转隶指挥。其中,逐级指挥是按正常指挥级别进行指挥的指挥方式;其余的指挥方式则是C4ISR系统在特殊战场环境下(如:决策控制单元遭受攻击而失效)才采用的指挥方式,如图1所示。

图1　决策控制单元的接替方式Fig.1　Succession mode of the decision-making unit

根据以上关于某一决策控制单元失效后会所采用某种特殊的指挥方法(包括:升级指挥、越级指挥和转隶指挥),设计了决策控制单元失效后的该失效节点的功能接替方法,这个时效系统单元的功能接替方法也就是该失效系统单元的工作负载的分流方法,该工作负载的分流方法如下。

步骤 1当某一决策控制单元失效,依据特殊情况下的指挥方法(包括:升级指挥、越级指挥和转隶指挥),确定可以接替失效决策控制单元的系统单元集合,作为接替失效单元功能的候选的系统单元集合。

步骤 2在候选的系统单元集合中任意选择一个系统单元接替失效系统单元的功能,并将失效系统单元的负载也分流给它。

步骤 3将与失效系统单元相连的各类信息关系,直接连接到选择的接替失效系统单元功能的系统单元上,完成系统结构的重构和功能的重组。

(2) 当失效系统单元为信息处理单元

由于信息处理单元的主要功能是处理和提供信息,并且一般情况下,只要传输时延不要过长(很多情报信息具有时效性),信息处理单元能够处理融合所有情报获取单元传输过来的信息,因此,当失效系统单元为信息处理单元的情况下,该失效系统单元的功能由该系统单元附近的其他的信息处理单元来接替,并由该接替的信息处理单元来承担失效系统单元的工作负载。

因此,本文设计的信息处理单元失效情况下的系统结构重构方法步骤如下。

步骤 1当某一信息处理单元失效,依据其他信息处理单元与该失效系统单元的地理位置距离(如:距离小于200 km,等),确定可以接替失效信息处理单元的候选信息处理单元集合。

步骤 2在候选的信息处理单元集合中任意选择一个信息处理单元接替失效系统单元的功能,并将失效系统单元的负载也分流给它。

步骤 3与失效信息处理单元相连的各类信息关系,直接连接到选择的接替失效系统单元功能的信息处理单元上,完成系统结构重构和功能重组。

(3) 当失效系统单元为情报获取单元或者为响应执行单元

如果这两类系统单元失效后,系统结构不需要重组,直接删除失效的系统单元以及与该失效的系统单元相连的信息关系。

2.3系统结构动态鲁棒性的计算方法

本文采用网络中心化C4ISR系统结构功能下降到一定的临界值时,攻击的系统单元的数量作为系统结构动态鲁棒性的衡量标准。在这个定义中,衡量系统结构功能方法是系统结构的信息流模体介数[14];临界值是指当前系统结构功能占总功能的比例θ(如:80%、75%等),也称为容忍值;由于是采用不确定信息的攻击模型中,每一轮攻击使得系统结构的功能下降到固定临界值时所攻击的系统结构数量一般都不同,因此本文采用蒙特卡罗多次仿真求结果的统计平均值的方法,来进行动态鲁棒性度量计算。具体的计算方法如下:

假设某一C4ISR系统结构总的功能值为Fmax,设置M组不同的攻击模型(即不同的攻击广度和精度),在每种攻击模型下分别进行H(比如H=15)次试验,计算每次试验中系统结构总的功能值下降到θ·Fmax时受攻击的系统单元数量,最后进行统计求平均。设在第i组攻击模型下的第j次试验中,当系统结构总的功能值下降到θ·Fmax时的受攻击的系统单元的数量为Dij,那么系统结构的动态鲁棒性RD(G)的计算方法为

(9)

3　案例分析

以某一区域联合防空系统[2]为案例对本文设计的C4ISR系统结构的动态鲁棒性分析方法进行仿真验证,区域联合防空系统的系统结构如文献[2]中图6～图8所示。

对上文描述的动态鲁棒性的度量方法中的参数作以下设置:每种类型的信息流模体在该系统结构中的重要程度参数为α1=0.6,α2=0.2和α3=0.2,系统单元初始负载与该系统单元初始中的重要性的比值f=1,系统单元负载容量可调节参数β=3,系统单元的负载过载承受能力调节参数γ=1.5,攻击模型的数量M=12,分别为(a,b)=(0.1,1.6)、(0.12,1.6)、(0.14,1.6)、(0.1,1.8)、(0.12,1.8)、(0.14,1.8)、(0.1, 2.0)、(0.12,2.0)、(0.14,2.0)、(0.1,2.2)、(0.12,2.2)和(0.14,2.2),蒙特卡罗次数为H=15,容忍值θ=0.75。

依据以上案例中的系统结构及其参数设置,作了以下仿真实验:

仿真实验 1进行系统结构的动态鲁棒性度量,如图2所示(由于篇幅原因,文中只给出了在(0.1,1.6)和(0.14,2.2)攻击模型下的仿真结果)。

对于H=12组的动态鲁棒性仿真结果取平均值,可以得到该系统结构的动态鲁棒性值RD(G)=9.66。可以得到,利用本文设计的系统结构鲁棒性的度量方法,可以得到系统结构动态鲁棒性值,说明了本文方法的可行性和有效性。

图2　系统结构动态鲁棒性度量的仿真结果Fig.2　Simulation result of dynamic robustness for system structure

仿真实验 2为了进一步说明本文方法的适用性,在H=12种不同的攻击模型下,分别在以下3种情况下进行鲁棒性度量方法的仿真,这3种情况分别为:不考虑系统单元接替和级联失效、只考虑系统单元接替但不考虑级联失效、同时考虑系统单元接替和级联失效,分别记为:第1种情况、第2种情况和第3种情况,第1种情况是静态鲁棒性的度量(已在文献[6]中研究),第2种情况和第3种情况实质上都属于动态的鲁棒性(本文所提的方法是针对第3种情况),这3种情况下系统结构鲁棒性的仿真结果如图3～图5所示(由于篇幅原因,文中只给出了在(0.1,2.0)攻击模型下的仿真结果)。

在以上3种情况下度量得到的系统结构的鲁棒性值分别为:4.16、15.12和9.66,这个度量结果与预期的系统结构的鲁棒性值是一致的,第1种情况由于系统单元没有接替机制,其鲁棒性值最小,第2种情况由于系统单元具有接替机制而没有级联失效,其鲁棒性值最大,第3种情况由于系统单元具有接替机制有具有级联失效,其鲁棒性值居中。图3～图5的度量结果与以上分析也是一致的。

图3　不考虑系统单元接替和级联失效情况下的鲁棒性度量部分仿真结果　　图4　只考虑系统单元接替但不考虑级联失效情况下的鲁棒性度量部分仿真结果Fig.3　Simulation result of robustness in the case of without regard to succession and cascading　　　Fig.4　Simulation result of robustness in the case of only regard to succession

图5　同时考虑系统单元接替和级联失效情况下的鲁棒性度量部分仿真结果Fig.5　Simulation result of robustness in the case of regard to succession and cascading

由图3～图5中的系统结构完成任务的能力随被攻击系统单元数量的增加的变化曲线可以看出,第1种情况由于系统单元没有接替机制,其系统结构完成任务的能力是随着受攻击的系统单元的数量的增加而平稳减小;而第2种情况和第3种情况由于系统单元存在接替机制,在攻击系统单元的初期,系统结构完成任务的能力基本可以保持不变,当在攻击系统单元的数量达到一定的程度的时候,系统结构完成任务的能力会出现一个跃变下降,并且第3种情况由于考虑级联失效,与第2种情况不考虑级联失效相比,系统结构完成任务的能力出现跃变下降的时机更早(即攻击更少的系统单元数量),仿真实验的结果与预期的分析是一致的。

从以上分析可以进一步验证了本文设计的考虑级联失效的C4ISR系统结构动态鲁棒性的分析方法的可行性和有效性。

4　结　论

本文在团队先前研究网络中心化C4ISR系统结构静态鲁棒性度量方法的基础上,考虑系统单元受攻击后系统结构的功能重组和接替,以及接替后对系统功能运行对接替的系统单元的级联影响,设计了系统结构的级联失效的过程模型,并在不确定信息攻击模型的基础上,设计了C4ISR系统结构动态鲁棒性的度量方法,案例的仿真结果验证了该动态鲁棒性度量方法的有效性和适应性。

本文设计的C4ISR系统结构动态鲁棒性度量方法中相关的模型还有以下不足:级联失效的过程模型中,为了方便起见,假设失效系统单元的工作负载全部由接替的系统单元全部承担,而在实际系统运行中,系统单元的功能接替可能只是接替了被接替系统单元的一部分功能,相应的工作负载也是一部分。下一步的研究工作主要是对该级联失效的过程模型进行改进,还有就是在动态鲁棒性度量方法的基础上进一步研究系统结构动态鲁棒性的优化方法。本文工作受江苏省软件新技术与产业化协同创新中心部分资助。

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Dynamic robustness measure method considering cascading failure for C4ISR system structure

ZHANG Jie-yong1,2,YI Kan1,WANG Heng1,ZHANG Jin-feng1,ZHOU Xiang-xiang3

(1. Science and Technology on Information Systems Engineering Laboratory, Nanjing ResearchInstitute of Electronics Engineering, Nanjing 210007, China; 2. Institute of Information and Navigation, Air Force Engineering University, Xi’an 710077, China; 3. Unit 95784 of the PLA, Leshan 614100, China)

A dynamic robustness measure method considering cascading failure for network centric C4ISR system structure is proposed,which is based on analyzing the concept of the dynamic robustness.In this method,the attack model with incomplete information is combined,and the process model of cascading failure and the algorithm of the value of dynamic robustness are designed.Finally,the validity of this dynamic robustness measure method is illustrated by a case of area joint air defense system structure.

C4ISR system;system structure;information flow motif;dynamic robustness;cascading failure;function succession

2015-05-21；

2015-07-10；网络优先出版日期：2016-03-04。

江苏省第四期“333工程”科研项目(BRA 2014213)资助课题

E 919;C 394

10.3969/j.issn.1001-506X.2016.09.15

张杰勇(1983-),男,工程师,博士,主要研究方向为指挥信息系统工程、指控组织设计。

E-mail:dumu3110728@126.com

易侃(1981-),男,高级工程师,博士,主要研究方向为系统体系结构、信息栅格和面向服务技术。

E-mail:yikan@gmail.com

王珩(1977-),男,高级工程师,博士,主要研究方向为系统体系结构、信息栅格。

E-mail:wangheng@gmail.com