動(dòng)態(tài)構(gòu)建海上跨平臺(tái)自主傳感網(wǎng)流量?jī)?yōu)控技術(shù)

周希辰，寧宣熙，黃孝鵬

(1．南京航空航天大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，江蘇南京211100;2．中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，江蘇 南京211106;3．海軍裝備研究院，北京100161)

動(dòng)態(tài)構(gòu)建海上跨平臺(tái)自主傳感網(wǎng)流量?jī)?yōu)控技術(shù)

周希辰1，2，寧宣熙1，黃孝鵬2，3

(1．南京航空航天大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，江蘇南京211100;2．中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，江蘇 南京211106;3．海軍裝備研究院，北京100161)

瞄準(zhǔn)海上跨平臺(tái)自主傳感網(wǎng)動(dòng)態(tài)構(gòu)建的能力需求，依據(jù)信息流量與有限信道容量最佳匹配原則，以網(wǎng)絡(luò)流量?jī)?yōu)控驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)構(gòu)建。綜合考慮自主傳感網(wǎng)視距受限、成組編隊(duì)、傳感器節(jié)點(diǎn)信息分發(fā)共享等海上跨平臺(tái)特征或約束條件，建立最大負(fù)載流模型，研究其求解技術(shù)，并提出當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)的自主傳感網(wǎng)動(dòng)態(tài)構(gòu)建策略。最后實(shí)例驗(yàn)證了采用該方法動(dòng)態(tài)構(gòu)建海上跨平臺(tái)自主傳感網(wǎng)的適用性。

跨平臺(tái)自主傳感網(wǎng);最大負(fù)載流;協(xié)同探測(cè)

0 引言

海上跨平臺(tái)自主傳感網(wǎng)是依據(jù)傳感器自身資源為核心信息傳輸系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)協(xié)同探測(cè)、復(fù)合跟蹤、聯(lián)合識(shí)別、跨平臺(tái)目指等多種重要功能。網(wǎng)絡(luò)的快速動(dòng)態(tài)構(gòu)建對(duì)于優(yōu)化配置傳感器系統(tǒng)資源，增強(qiáng)傳感器系統(tǒng)“四抗”能力，獲取強(qiáng)實(shí)時(shí)、高精度、高穩(wěn)定性等協(xié)同信息優(yōu)勢(shì)，提升跨平臺(tái)協(xié)同打擊能力具有重要意義［1］。

針對(duì)構(gòu)建海上跨平臺(tái)自主傳感網(wǎng)的能力需求，存在以下特殊問題：

1)傳統(tǒng)的方法往往依據(jù)經(jīng)驗(yàn)任取一條可行流鏈路或依靠固定時(shí)隙選取可行流鏈路分發(fā)共享信息來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，雖易操作，但有時(shí)會(huì)產(chǎn)生回路甚至出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)阻塞，并且易受干擾，造成網(wǎng)絡(luò)低效、信息時(shí)延過大等問題;

2)海上平臺(tái)傳感器受視距限制，信息傳輸方式與常規(guī)網(wǎng)絡(luò)有較大區(qū)別，具有跨平臺(tái)的多重網(wǎng)絡(luò)形態(tài)。此外傳感器節(jié)點(diǎn)具有“信息分發(fā)共享功能需求”，若沒有充分考慮相關(guān)的約束條件和網(wǎng)絡(luò)特征，易造成信息傳輸效率低、信道資源浪費(fèi)等問題;

3)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，仍采用固定模式構(gòu)建傳感網(wǎng)，造成網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)重組能力差、生存能力弱等問題;這些問題與信息戰(zhàn)環(huán)境下傳感網(wǎng)協(xié)同探測(cè)的實(shí)際能力需求極不適配。

為解決構(gòu)建海上跨平臺(tái)自主傳感網(wǎng)特殊問題，基于信息流量與有限信道容量最佳匹配原則，綜合考慮自主傳感網(wǎng)視距受限、成組編隊(duì)等海上跨平臺(tái)特征，將傳感器節(jié)點(diǎn)信息分發(fā)共享需求作為約束條件，建立網(wǎng)絡(luò)流量－容量最佳匹配模型，即最大負(fù)載流模型，從網(wǎng)絡(luò)流量?jī)?yōu)控角度快速構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化提出自主傳感網(wǎng)動(dòng)態(tài)構(gòu)建策略，為提升傳感網(wǎng)協(xié)同探測(cè)能力提供有效技術(shù)支撐。

1 網(wǎng)絡(luò)最大負(fù)載流問題建模

設(shè)海上跨平臺(tái)自主傳感網(wǎng)絡(luò) G=(V，E，A，F(xiàn)，C)，其中 V 表示頂點(diǎn)集，V={v1，v2，…，vn};弧{vivj}表示節(jié)點(diǎn)vi與vj存在互連互通關(guān)系;A為弧集，弧{vivj}∈A;F為流量狀態(tài)分布集合，F(xiàn)={fij}，fij表示弧 (vivj)的流量 (決策變量);C為容量集，C={Cij}，cij表示弧 (vivj)的容量。

最大負(fù)載流模型是網(wǎng)絡(luò)單純最大流模型在海上跨平臺(tái)傳感網(wǎng)構(gòu)建這一新應(yīng)用背景下的一種信息傳輸匹配方法。關(guān)于網(wǎng)絡(luò)單純最大流模型，許多研究者提出很多好的算法，目前的研究主要聚焦在算法性能改進(jìn)上，面向工程應(yīng)用系統(tǒng)的研究比較少［2～10］。

面向工程應(yīng)用系統(tǒng)催生了對(duì)傳統(tǒng)最大流模型內(nèi)涵、外延和邊界條件的重新思考，在傳統(tǒng)模型基礎(chǔ)上協(xié)同發(fā)展，本文所建立的最大負(fù)載流模型，其特點(diǎn)主要體現(xiàn)在：

1)以信息流量與有限信道容量最佳匹配為原則;

2)將節(jié)點(diǎn)信息分發(fā)共享需求作為約束條件，建立網(wǎng)絡(luò)最大負(fù)載流的組合優(yōu)化模型;

3)通過模型求解生成符合海上跨平臺(tái)超視距特征的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即成組編隊(duì)的拓?fù)湫螒B(tài)。

基于信息傳輸匹配方法的海上跨平臺(tái)自主傳感網(wǎng)快速構(gòu)建問題特征和模型邊界特征相吻合，故從信息角度出發(fā)以最大負(fù)載流量為優(yōu)控目標(biāo)，既優(yōu)控傳感網(wǎng)信息分發(fā)共享流量，又構(gòu)建傳感網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有合理性、實(shí)際意義、有效性和可行性。

2 相關(guān)定義

定義1：可行流。在實(shí)際運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)中，滿足以下條件的網(wǎng)絡(luò)流：

1)容量限制條件：對(duì)于每一個(gè)弧{vivj}∈A，0≤fij≤cij，也即通過每條弧的流量不超過該弧的容量。

2)平衡條件：① 對(duì)于始點(diǎn)vs，流入始點(diǎn)的流量等于網(wǎng)絡(luò)中的總流量;② 對(duì)于任一中間的節(jié)點(diǎn)i(i≠s，t)，流進(jìn)某中間節(jié)點(diǎn)的流量等于流出該節(jié)點(diǎn)的流量與中間節(jié)點(diǎn)的分發(fā)共享流量之和。③對(duì)于終點(diǎn)vt，流出終點(diǎn)的流量與鏈路中節(jié)點(diǎn)的分發(fā)共享量之和等于網(wǎng)絡(luò)中的總流量。即：

定義2：飽和弧、非飽和弧。網(wǎng)絡(luò)中弧{vivj}∈A(A為弧集)，若fij=cij，則該弧稱為飽和弧;若fij≤cij，則該弧稱為非飽和弧。

定義3：正向弧、反向弧。設(shè)L是網(wǎng)絡(luò)中從始點(diǎn)vs到終點(diǎn)vt的一條鏈，凡與鏈走向一致的弧稱為正向弧，逆向的稱為反向弧。

定義4：增廣鏈。從始點(diǎn)vs到終點(diǎn)vt的一條鏈上的各弧，若對(duì)于某可行流fij，滿足以下條件：①對(duì)于正向弧，若fij＜cij;②對(duì)于反向弧，若fji＞0。

定理1：可行流f*是最大負(fù)載流?網(wǎng)絡(luò)中不存在關(guān)于f*的增廣鏈。

定理2(鏈路節(jié)點(diǎn)可分發(fā)共享定理)：對(duì)于某單純最大流鏈路支路，若發(fā)起點(diǎn)S的Δfsi≥0，則該鏈路存在節(jié)點(diǎn)最大分發(fā)共享量。

定理3(最大流最小割定理)：在任務(wù)網(wǎng)絡(luò)中，最大負(fù)載流值減去網(wǎng)絡(luò)單純最大流最小割的容量等于各鏈路的節(jié)點(diǎn)最大分發(fā)共享量之和。

3 模型求解技術(shù)

針對(duì)最大負(fù)載流模型中的節(jié)點(diǎn)分發(fā)共享約束，可將節(jié)點(diǎn)分發(fā)共享量約束轉(zhuǎn)化為邊流量約束，再進(jìn)行優(yōu)化，但這樣易造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)任務(wù)優(yōu)先級(jí)變化，算法復(fù)雜性也會(huì)隨之增加，并且不能沒有給出在某拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)分發(fā)共享量約束的范圍。

為求解該模型，這里設(shè)計(jì)算法求解思想是將模型視作一個(gè)單純最大流模型和一個(gè)單純最大流鏈路節(jié)點(diǎn)最大分發(fā)共享量模型進(jìn)行計(jì)算，從而獲得網(wǎng)絡(luò)最大負(fù)載量。

若模型中f0j為0，則模型轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)最大流模型。最大流模型求解算法研究已有60多年歷史，傳統(tǒng)的最大流模型主要是基于增廣鏈路進(jìn)行迭代優(yōu)化求解，或者通過尋找最短增廣路徑和對(duì)網(wǎng)絡(luò)分層處理等技術(shù)途徑求解，并且許多性能優(yōu)越的最大流算法不斷涌現(xiàn)。關(guān)于網(wǎng)絡(luò)最大流相關(guān)理論及求解算法可參考文獻(xiàn)［11－14］。

針對(duì)網(wǎng)絡(luò)最大流模型，本文設(shè)置算法G1如下：

步驟3：判斷是否存在增廣鏈路，若是轉(zhuǎn)步驟2;否則算法停止，獲取網(wǎng)絡(luò)單純最大流量Fmax，f(max)ij為弧{vivj}的單純最大流量。

針對(duì)算法G1求得的單純最大流鏈路分支節(jié)點(diǎn)的分發(fā)共享需求，設(shè)置算法G2如下：

步驟1：對(duì)于某網(wǎng)絡(luò)單純最大流鏈路支路i，若Δfsi≥0，則存在可分發(fā)共享節(jié)點(diǎn)，若信息需要從vs分發(fā)到下一節(jié)點(diǎn)，則F0i=max{Δfsi=csi－f(max)si};

步驟2：若信息需要分發(fā)到鏈路中其他節(jié)點(diǎn)，依次計(jì)算Δi=Δfij=cij－f(max)ij，則：

1)若 Δ1≤ Δ2≤ … ≤ Δn，即 Δfij≥ F0i，則max{Δfij}=F0i;

2)若 Δ1≥ Δ2≥ … ≥ Δn，即 Δfij≤ F0i，則max{Δfij}≤F0i;

3)若 Δ1≥ Δ2≥ … ≥Δi且 Δi≤ Δi+1≤ … ≤Δn，對(duì)于i段以前的最大分發(fā)共享量計(jì)算同2)，i段以后的最大分發(fā)共享量計(jì)算同1);

4)Δ1≤Δ2≤…≤Δi且Δi≥Δi+1≥…≥Δn，對(duì)于i段以前的最大分發(fā)共享量計(jì)算同1)，i段以后的最大分發(fā)共享量同2);若信息需要同時(shí)并行分發(fā)到所有鏈路節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)步驟3;

步驟3：設(shè)節(jié)點(diǎn)vi的分發(fā)共享量為Fvi，則：

1)若 Δ1≤ Δ2≤ … ≤ Δn，即 Δfij≥ F0i，則Fv1+Fv2+… +Fvn=F0i，F(xiàn)vi≤F0i;

2)若 Δ1≥ Δ2≥ … ≥ Δn，即 Δfij≤ F0i，則Fv1+Fv2+… +Fvn=F0i，F(xiàn)vi≤F0i;

3)若 Δ1≥ Δ2≥ … ≥Δi且 Δi≤ Δi+1≤ … ≤Δn，對(duì)于i段以前的最大分發(fā)共享量計(jì)算同2)，i段以后的最大分發(fā)共享量計(jì)算同1)。

4)若 Δ1≤ Δ2≤ … ≤Δi且 Δi≥ Δi+1≥ … ≥Δn，對(duì)于i段以前的最大分發(fā)共享量計(jì)算同1)，i段以后的最大分發(fā)共享量同2);

當(dāng)然，本算法也適用于視距內(nèi)的海上編隊(duì)傳感網(wǎng)快速構(gòu)建，因?yàn)橐暰鄡?nèi)傳感器雖然均能瞬態(tài)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，但限于傳感器特性不同，每條弧上的最大流量可能不同。如圖1所示。如果6 M的數(shù)據(jù)包從節(jié)點(diǎn)vi分發(fā)到vk，存在2種可選鏈路狀態(tài)：一種是vi→vk直接傳輸，弧最大流量是1 Mbps，所需時(shí)間為6 s;另一種是vi→vj→vk，每條弧最大流量均是3 Mbps，所需時(shí)間為4 s。

圖1 視距內(nèi)傳感網(wǎng)信息分發(fā)示意圖Fig.1 The information distribution of sensor network within the horizon

同時(shí)，本算法框架具有可擴(kuò)展性，可基于不同任務(wù)需求考慮基于流量?jī)?yōu)控、最小延遲時(shí)間、最小等待時(shí)隙、最小精度誤差、最佳信息質(zhì)量等不同角度，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征，將算法進(jìn)行自適應(yīng)擴(kuò)展改進(jìn)。

4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化時(shí)面向能力需求的傳感網(wǎng)動(dòng)態(tài)構(gòu)建策略

考慮當(dāng)節(jié)點(diǎn)任務(wù)變更以及節(jié)點(diǎn)受到干擾、摧毀等導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化時(shí)的網(wǎng)絡(luò)快速、動(dòng)態(tài)重構(gòu)問題，以形成適應(yīng)不同能力需求的網(wǎng)絡(luò)快速動(dòng)態(tài)構(gòu)建預(yù)案。不同能力需求的變化與節(jié)點(diǎn)約束條件變化相對(duì)應(yīng)，主要體現(xiàn)在：一是節(jié)點(diǎn)任務(wù)變更，指節(jié)點(diǎn)加入或者離開網(wǎng)絡(luò)，或者節(jié)點(diǎn)仍在網(wǎng)絡(luò)但節(jié)點(diǎn)位置變化;二是節(jié)點(diǎn)受約束，指節(jié)點(diǎn)受干擾、摧毀等，不能正常工作。針對(duì)以上2種情況設(shè)計(jì)如下自主傳感網(wǎng)構(gòu)建策略：

步驟1：根據(jù)傳感網(wǎng)拓?fù)錉顟B(tài)構(gòu)建基本網(wǎng)絡(luò)，依據(jù)最大負(fù)載流模型進(jìn)行計(jì)算，生成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu);

步驟2：當(dāng)節(jié)點(diǎn)加入或者退出網(wǎng)絡(luò)時(shí)，或者節(jié)點(diǎn)仍在網(wǎng)絡(luò)但節(jié)點(diǎn)位置變化，自主構(gòu)建基本網(wǎng)絡(luò)，然后依據(jù)最大負(fù)載流模型進(jìn)行計(jì)算，生成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu);

步驟3：當(dāng)節(jié)點(diǎn)被干擾和摧毀不能正常工作時(shí)，自主構(gòu)建基本網(wǎng)絡(luò)，然后依據(jù)最大負(fù)載流模型進(jìn)行計(jì)算，生成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)。如圖2所示。

圖2 面向能力的傳感網(wǎng)動(dòng)態(tài)構(gòu)建策略Fig.2 The dynamic construction strategy of capacity-oriented sensor network

5 實(shí)例驗(yàn)證

以海上跨平臺(tái)超視距自主傳感網(wǎng)動(dòng)態(tài)構(gòu)建為場(chǎng)景，這里的編隊(duì)i是以視距內(nèi)信息可分發(fā)共享來劃分，某一個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)如圖3所示。編隊(duì)1各平臺(tái)傳感器節(jié)點(diǎn)為 {v1，v2，v3，v4};編隊(duì)2各平臺(tái)傳感器節(jié)點(diǎn)為 {v5，v6，v7};編隊(duì)3各平臺(tái)傳感器節(jié)點(diǎn)為{v8，v9，v10}。弧表示存在傳感器節(jié)點(diǎn)間互連、互通關(guān)系，弧上數(shù)字fij/cij為每條弧的流量和容量，將協(xié)同探測(cè)信息從發(fā)起點(diǎn)v1跨平臺(tái)超視距分發(fā)共享到節(jié)點(diǎn)v10，運(yùn)用本文研究結(jié)果得到優(yōu)化結(jié)果如圖4所示。

圖3 海上跨平臺(tái)超視距自主傳感網(wǎng)拓?fù)錉顟B(tài)Fig.3 The topology state of offshore cross－platform over the horizon autonomous sensor network

通過計(jì)算得到，從發(fā)起點(diǎn)v1跨平臺(tái)超視距分發(fā)共享到節(jié)點(diǎn)v10的網(wǎng)絡(luò)單純最大流為6，從v1到單純最大流鏈路指定點(diǎn)的最大負(fù)載流量網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。節(jié)點(diǎn)后括號(hào)內(nèi)數(shù)字表示該節(jié)點(diǎn)可分發(fā)共享流量;對(duì)于鏈路支路v1→v2→v5→v8→v10，節(jié)點(diǎn)任務(wù)優(yōu)先級(jí)為p(v1)?p(v2)=p(v5)=p(v8);對(duì)于鏈路支路v1→v3→v6→v9→v10，節(jié)點(diǎn)任務(wù)優(yōu)先級(jí)為p(v3)?p(v6)?p(v9)。

圖4 到指定點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)最大負(fù)載流量網(wǎng)絡(luò)Fig.4 The maximum load flow network to specified point

同時(shí)，如果需要將信息分發(fā)到多點(diǎn)或者網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，可以采取本文研究結(jié)果進(jìn)行再次優(yōu)化計(jì)算。這里動(dòng)態(tài)構(gòu)建海上跨平臺(tái)超視距自主傳感網(wǎng)，不是追求某一條邊的流量最大，而是實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的負(fù)載流量最大，使信息流量與有限信道容量達(dá)到最佳匹配，以充分利用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)資源。

6 結(jié)語

研究了動(dòng)態(tài)構(gòu)建海上跨平臺(tái)自主傳感網(wǎng)流量?jī)?yōu)控技術(shù)，并驗(yàn)證了該技術(shù)在海上跨平臺(tái)超視距自主傳感網(wǎng)動(dòng)態(tài)構(gòu)建中的適用性和有效性。仍存在以下問題需要進(jìn)一步研究與探討：

1)針對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不確定性和網(wǎng)絡(luò)阻塞情形，需進(jìn)一步研究相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)構(gòu)建技術(shù)和策略;

2)針對(duì)大數(shù)據(jù)背景下的網(wǎng)絡(luò)快速構(gòu)建，需重點(diǎn)突破大數(shù)據(jù)的可表示、可處理、可融合、可靠性等關(guān)鍵技術(shù)，并提高算法的強(qiáng)實(shí)時(shí)性，以滿足未來海戰(zhàn)場(chǎng)對(duì)基于大數(shù)據(jù)的協(xié)同探測(cè)信息分發(fā)共享和處理需求。

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Written by reinhard diestel，Graph theory(4th)［M］．Translated by YU Qing-lin，WANG Tao，WANG Guanghui，Beijing：Higher Education Press，2013．

The flow optimizing and controlling technology for dynamically constructing the offshore cross-platform sensor network

ZHOU Xi-chen1，2，NING Xuan-xi1，HUANG Xiao-peng2，3
(1．College of Economics and Management，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211100，China;2．The 724 Research Institute of CSIC，Nanjing 211106，China;3．Naval Academy of Armament，Beijing 100161，China)

In order to meet the capacity requirements for constructing offshore cross-platform autonomous sensor network dynamically，the network flow is optimized to drive the network dynamically construct，based on information flow and limited channel capacity best matching principle．Characteristics or constraints of offshore cross-platform autonomous sensor network，such as limited horizon，group formation，sensor nodes information distribution and sharing，are taken into account．Then，a maximum load flow model is built and its solution technique is researched．The network dynamic reconstruction strategy is put forward when network topology changes．Finally，the applicability of the technology is verified by examples in dynamic construction of offshore cross-platform autonomous sensor network．

cross-platform autonomous sensor network;maximum load flow;cooperative detection

TN95;O22;O157．6

A

1672－7649(2014)06－0081－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.06.016

2014－04－21

國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012AA0×××);國(guó)家重大科學(xué)儀器專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2013YQ290451);總裝重大預(yù)研資助項(xiàng)目(5130701×××);海裝預(yù)研資助項(xiàng)目(101130201×××);船舶工業(yè)國(guó)防科技預(yù)研基金資助項(xiàng)目(13J3×××)

周希辰(1960－)，男，博士，研究員，主要研究方向?yàn)樘綔y(cè)系統(tǒng)體系工程。