CN107092273B - 无人-有人机编队通信拓扑启发式优化方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人‑有人机编队通信拓扑启发式优化方法及装置。所述方法包括：S1、根据无人‑有人机编队需要组成的二维持久编队的队形获取编队通信图；S2、当无人‑有人机编队发生通信故障时，根据通信故障的类型构建第一重构编队通信图；S3、根据通信拓扑重构算法获取第一重构编队通信图对应的第一最优重构通信拓扑；S4、根据第一最优重构通信拓扑、无人‑有人机编队的若干位置配置和通信拓扑重构算法获取满足预设条件n＞|V|×(|V|‑1)/2的第二最优重构通信拓扑即为无人‑有人机编队的重优化通信拓扑。本发明可以确保大规模无人‑有人机编队在有通信故障时避免发生飞机碰撞事故并恢复编队队形，同时保持编队的通信代价较小。

Description

无人-有人机编队通信拓扑启发式优化方法及装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种无人-有人机编队通信拓扑启发式优化方法及装置。

背景技术

在起飞巡航阶段，无人-有人机编队中各飞机通常通过点对点的通信链接(communication links)进行信息交互，以形成一定的编队队形(formation shape或者formation geometry)，并保持此编队队形继续朝目标区域飞行。其中所使用的通信链接被称为编队的通信拓扑(communication topology)、信息交互拓扑(information exchangetopology)、连接拓扑(connection topology)、信息结构(Information Structure)或者信息拓扑(InformationTopology)，它们只是无人-有人机编队中任意两飞机之间所有可用的通信链接集合中的一部分。为了统一表述，下文采用“通信拓扑”这一名称。同时，将无人-有人机编队所有可用的通信链接的集合称为编队的编队通信图(Formation CommunicationGraph)。

由于通信拓扑中任何两位置无人机和/或有人机之间的通信距离不同，导致通信拓扑中不同飞机之间通信链接具有不同的通信代价并会消耗飞机相应的电池电量或燃料。实际应用中，两架飞机(无人机，有人机)之间通信链接的通信代价受到很多因素影响，例如，任务要求、通信距离、飞行性能、安全性等。为简化说明，上述通信代价直接采用通信距离来表示。同时，每架飞机(无人机，有人机)可用的电池电量或燃料又是有限的。此外，编队飞行过程中某个或多个飞机可能会发生通信故障，使得当前通信拓扑中的某些通信链接不能够被使用，从而导致飞机不能继续保持编队队形，严重时甚至会导致飞机碰撞事故。因此，如何通过优化无人-有人机编队通信拓扑，以避免发生飞机碰撞事故并恢复队形，同时使得此无人-有人机编队在继续保持队形过程中的编队通信代价较小成为了亟需解决的技术问题。

发明内容

针对相关技术中的缺陷，本发明提供了一种无人-有人机编队通信拓扑启发式优化方法及装置，用于在无人-有人机编队组成的大规模二维持久编队出现通信故障之后优化此二维持久编队的通信拓扑，以避免发生飞机碰撞事故并恢复队形，同时使得此二维持久编队在继续保持队形过程中的编队通信代价较小。

第一方面，本发明实施例提供了一种无人-有人机编队通信拓扑启发式优化方法，所述方法包括：

S1、根据无人-有人机编队需要组成的二维持久编队的队形获取编队通信图；

S2、当所述无人-有人机编队发生通信故障时，根据所述通信故障的类型在所述编队通信图中删除通信故障弧或通信故障节点以构建第一重构编队通信图；

S3、根据通信拓扑重构算法获取所述第一重构编队通信图对应的第一最优重构通信拓扑；

S4、根据所述第一最优重构通信拓扑、无人-有人机编队的若干位置配置和所述通信拓扑重构算法获取满足预设条件n＞|V|×(|V|-1)/2的第二最优重构通信拓扑即为所述无人-有人机编队的重优化通信拓扑。

所述位置配置是指无人-有人机编队中各架飞机在编队队形中的位置；通信故障发生之前的位置配置为第一位置配置Pr；|V|表示无人-有人机编队中飞机的数量；n取1、2、……、{}|V|×(|V|-1)/2}+1。

第二方面，本发明实施例还提供了一种无人-有人机编队通信拓扑启发式优化装置，其特征在于，所述装置包括：

编队通信图获取模块，用于根据无人-有人机编队需要组成的二维持久编队的队形获取编队通信图；

第一重构编队通信图获取模块，用于在所述无人-有人机编队发生通信故障时，根据所述通信故障的类型在所述编队通信图中删除通信故障弧或通信故障节点以构建第一重构编队通信图；

第一最优重构通信拓扑获取模块，用于根据通信拓扑重构算法获取所述第一重构编队通信图对应的第一最优重构通信拓扑；

重优化通信拓扑获取模块，用于根据所述第一最优重构通信拓扑、无人-有人机编队的若干位置配置和所述通信拓扑重构算法获取满足预设条件n＞|V|×(|V|-1)/2的第二最优重构通信拓扑即为所述无人-有人机编队的重优化通信拓扑；

所述位置配置是指无人-有人机编队中各架飞机在编队队形中的位置；通信故障发生之前的位置配置为第一位置配置Pr；|V|表示无人-有人机编队中飞机的数量；n取1、2、……、{|V|×(|V|-1)/2}+1。

由上述技术方案可知，本发明适用于无人-有人机组成的大规模二维持久编队发生通信故障的情况，能够快速重构编队的通信拓扑，在确保该编队中飞机安全飞行后，采用启发式方式，对上述重构通信拓扑继续优化，使编队以重优化后的通信拓扑飞行时的编队通信代价较小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的无人-有人机编队通信拓扑启发式优化方法的流程示意图；

图2(a)～(b)是本发明实施例中13架无人机和3架有人机组成的二维持久编队的队形以及相对位置示意图；其中，有人机Fighter1、Fighter2和Fighter3分别在队形的1号、5号和9号位置，无人机UAV1、UAV2、UAV3、UAV4、UAV5、UAV6、UAV7、UAV8、UAV9、UAV10、UAV11、UAV12和UAV13分别在队形的2号、3号、4号、6号、7号、8号、10号、11号、12号、13号、14号、15号和16号位置；

图3是图2所示大规模无人-有人机编队无通信故障时的最优通信拓扑示意图；

图4(a)～图4(b)是上述无人-有人机编队中的Fighter1发生单播收发机故障时采用图1方法获取该无人-有人机编队的优化通信拓扑的主要过程示意图；

图5是本发明实施例提供的一种无人-有人机编队通信拓扑启发式优化装置框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明一实施例提供的一种无人-有人机编队通信拓扑启发式优化方法，所述方法包括：

S1、根据无人-有人机编队需要组成的二维持久编队的队形获取编队通信图。

无人-有人机组成的二维持久编队的编队控制方法是一种基于距离的编队控制方法，其基本思想是：编队中的一架有人机作为编队领航者(formation leader)按照预定的编队参考航迹飞行，编队中的另外一架飞机(有人机或无人机)在飞行过程中只需要保持与编队领航者的距离恒定，其余的飞机在飞行过程则需要同时保持与另外两架飞机之间的距离恒定，从而实现对二维空间的编队队形的保持。

假设n架飞机(以下用PLANE表示，包括有人机或无人机)需要使用二维持久编队的编队控制方法来形成和保持一个二维空间的编队队形S，S中的n个位置分别编号为{1,2,…,n}，只有有人机可以作为编队领航者，每架飞机可以通过点对点通信链接和其它任意飞机进行信息交互，每个通信链接的通信代价由其相应的通信距离决定。因此，可以用一个赋权有向图D＝(V,A,W,P)来表示编队中飞机之间所有可用的通信链接，并简称为编队通信图：

(1)V＝{v_i},1≤i≤n是图中的节点集合，其中vi表示PLANEi。

(2)

是图中的弧集合，其中弧a_ij＝(v_i,v_j)表示从PLANEi到PLANEj有一个可用的通信链接，使得PLANEi能发送信息给PLANEj，从而PLANE_j可以根据接收到的信息来调整自身的运动参数以保持与PLANE_i的距离恒定。

(3)W＝{w(a_ij)},a_ij∈A是图中所有弧的权值集合，其中w(a_ij)表示从PLANEi到PLANEj的通信链接a_ij的代价。

(4)P＝{p_i},1≤i≤n是每个PLANE在编队队形S的具体位置集合，简称为PLANE位置配置。其中将编队队形S中的n个位置分别编号为{1,2,...,n}，则1≤p_i≤n表示PLANEi在编队队形S中的具体位置。

根据前面的描述可知，无人-有人机组成的二维持久编队中的每架飞机最多只需要从其它两架飞机接收信息，这意味着不需要使用所有可用的通信链接就可以实现编队队形的形成和保持。因此，无人-有人机编队的通信拓扑T＝(V,A^*,W^*,P)是其编队通信图D＝(V,A,W,P)的一个特殊子图，其中

令w(T)表示通信拓扑T对应的编队通信代价，即有

无人-有人机组成的二维持久编队的通信拓扑T具有如下两个特性。

定理1:无人-有人机组成的二维持久编队的通信拓扑T必须是其编队通信图D的一个二维持久图，但是其编队通信图D的一个二维持久图并不一定能作为其通信拓扑。

定理2:无人-有人机组成的二维持久编队的通信拓扑T必须是其编队通信图D的一个二维持久图，并且T存在一个入度为0的节点所对应的飞机能够作为编队领航者(即为有人机)；反之亦然。

S2、当所述无人-有人机编队发生通信故障时，根据所述通信故障的类型在所述编队通信图中删除通信故障弧或通信故障节点以构建第一重构编队通信图。

实际应用中，通信故障发生之后，对无人-有人机编队通信拓扑的优化应该是分布式的以获得更短的执行时间，并且所有PLANE的计算结果必须保持一致，因此所有PLANE必须及时地获知到同样的通信故障信息。为此，基于相关技术中的方法，假设每个PLANE都能使用一个广播通信信道(broadcast communication channel，BC)来获得同样的通信故障信息：(1)每个PLANE都有一个单播发射机(unicast transmitter)和一个单播接收机(unicast receiver)以进行点对点通信，每个PLANE都有一个广播发射机(broadcasttransmitter)和一个广播接收机(broadcast receiver)以通过BC进行广播通信。(2)每个PLANE每隔T_active秒会通过BC上报其状态。(3)当一个PLANE检测到某个通信故障时，它会立即通过BC通知其他PLANE。

除了考虑相关技术中四种通信故障外，还考虑另外两种通信故障：广播发射机故障和广播接收机故障。所有六种通信故障类型如表1所示。

表1

当所述无人-有人机编队发生通信故障时，本发明实施例采用以下通信故障诊断策略来获取所述通信故障的类型：

(1)当PLANE_i发生单播发射机故障、单播接收机故障、单播收发机故障或者广播接收机故障中的任何一种通信故障时，PLANE_i自身能够检测到此通信故障，PLANE_i将记录下此通信故障发生时的时间戳并通过BC将此通信故障和相应的时间戳信息通知其他PLANE。

(2)当PLANE_i发生广播发射机故障时，PLANE_i自身能够检测到此通信故障但不能通过BC通知其他PLANE，T_active秒之后，其他PLANE由于不能收到PLANE_i上报的状态将判定PLANE_i出现了广播发射机故障，并记录下此通信故障发生时的时间戳。

(3)当从PLANE_i到PLANE_j的通信链接出现链接中断并且编队保持队形过程中PLANE_i需要发送信息给PLANE_j，T_active秒之后，如果PLANE_j自身没有发生单播接收机故障并且没有通过BC收到PLANE_i的单播发射机故障信息，PLANE_j将判定从PLANE_i到PLANE_j的通信链接出现了链接中断，然后PLANE_j将记录此通信故障的时间戳，然后通过BC将此通信故障和相应的时间戳信息通知其他PLANE。

基于上述的通信故障诊断策略，每个PLANE能够及时地获得通信故障的信息，然后每个PLANE可以根据所述通信故障的类型在编队通信图中删除通信故障弧或通信故障节点以获取第一重构编队通信图，具体包括：

若所述通信故障的类型为单播发射机故障，则删除所述编队通信图中对应节点的所有出弧；

若所述通信故障的类型为单播接收机故障，则删除所述编队通信图中对应节点的所有入弧；

若所述通信故障的类型为单播收发机故障、广播发射机故障或者广播接收机故障，则删除所述编队通信图中对应节点的所有入弧和出弧以及该节点；

或者，

若通信故障的类型为任意两飞机之间的链接中断，则删除所述编队通信图中该链接对应的弧。

S3、根据通信拓扑重构算法获取所述第一重构编队通信图对应的第一最优重构通信拓扑。

为此，本发明实施例中采用一种基于二维最优刚性图和最小树形图(Two-Dimensional Optimal Rigid Graph and Minimum Cost Arborescence，2DORG_MCA)的无人-有人机编队通信拓扑重构算法来获取所述第一重构编队通信图对应的第一最优重构通信拓扑。当通信故障发生时每个PLANE将会执行此算法。以PLANEi为例，当PLANEi通过BC从其他PLANE接收到一个通信故障通知或者检测到自身发生通信故障时，它就会运行此算法以得到第一最优重构通信拓扑T_r。当每个PLANE执行此算法后，将切换到T_r以确保PLANE的安全并快速恢复编队队形。此算法的基本步骤如表2所示。

表2

需要说明的是，表2所提供算法的Step2中使用的现有技术中的二维最优刚性图生成算法，其基本步骤如表3所示，时间复杂度约为O(4×|V|⁴)。

表3

同时需要说明的是，表2所提供算法的Step5和Step7中的最小树形图(MinimumCost Arborescence，MCA)指的是一个赋权有向图的最小生成树，此处使用的是Gabow等人提出的最小树形图生成算法，其计算复杂度为O(|A|+|V|×log|V|)，其中的|A|和|V|分别为赋权有向图中弧的数量和节点的数量。

表2所提供算法的时间复杂度主要由Step2、Step5和Step7决定，由于Step2的时间复杂度约为O(4×|V_r|⁴)，Step5和Step7的时间复杂度都约为O(|A_r|+|V_r|×log|V_r|)，所以表2所提供算法的时间复杂度约为O(4×|V_r|⁴+2×(|A_r|+|V_r|×log|V_r|))。

S4、根据所述第一最优重构通信拓扑、无人-有人机编队的若干位置配置和所述通信拓扑重构算法获取满足预设条件n＞|V|×(|V|-1)/2的第二最优重构通信拓扑即为所述无人-有人机编队的重优化通信拓扑。

实际应用中，无人-有人机编队的飞行速度比较快，首先应该保证该无人-有人机编队中的飞机之间不发生碰撞事故以保证所有飞机的安全。因此，当有飞机发生故障时，该无人-有人机编队以步骤S4的第一最优重构通信拓扑进行飞行。

可理解的是，上述第一最优重构通信拓扑可以保证无人-有人机编队安全飞行，但是此时无法保证无人-有人机编队的编队通信代价较小。

为此，本发明实施例提供了一种基于PLANE位置交换(交换飞机在编队队形中的位置或者令某个飞机去填补另外一个退出编队的飞机所留下的空位)的无人-有人机通信拓扑启发式优化算法。此算法运行在编队中每个剩余的PLANE中，当所有剩余的PLANE运行完此算法后，将切换到重优化通信拓扑T_o继续保持编队队形飞行。以PLANEi为例，此算法的步骤如表4所示。

表4

表4所示算法的Step3中，从{1,2,...,|V|}个元素中取出2个元素的组合数是|V|×(|V|-1)/2，即所有可行的P_n的总数是|V|×(|V|-1)/2。表4所示算法的Step6中，PLANE位置交换所需要的某个PLANE的移动距离是该PLANE在编队队形中的原有位置和新位置之间的欧式距离。

表4所示算法的核心步骤是Step4，而Step4的具体步骤和表2所示算法相同，所以表4所示算法的Step4的时间复杂度约为O(4×|V_r|⁴+2×(|A_r|+|V_r|×log|V_r|))。同时，从表4中Step2可以看出，Step4最多会运行|V|×(|V|-1)/2次。因此，表4所示算法的时间复杂度是O((2×|V_r|⁴+|A_r|+|V_r|×log|V_r|)×(|V|²-|V|))，由于|V_r|≤|V|和|A_r|≤|V|×(|V|-1)，所以表4所示算法的时间复杂度的上界为O((2×|V|⁴+|V|²-|V|+|V|×log|V|)×(|V|²-|V|))。可见，表4所示算法为一个多项式时间算法，因此能够适用于大规模的无人-有人机编队。

假设一个大规模二维持久编队由13架无人机(UAV1、UAV2、UAV3、UAV4、UAV5、UAV6、UAV7、UAV8、UAV9、UAV10、UAV11、UAV12、UAV13)和3架有人机(Fighter1、Fighter2、Fighter3)组成，其中只有有人机可以作为编队的领航者。它们需要形成并保持一个如图2(a)所示的二维空间队形，其中的所有位置分别编号为{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16}。其中，有人机Fighter1、Fighter2和Fighter3分别在队形的1号、5号和9号位置，无人机UAV1、UAV2、UAV3、UAV4、UAV5、UAV6、UAV7、UAV8、UAV9、UAV10、UAV11、UAV12和UAV13分别在队形的2号、3号、4号、6号、7号、8号、10号、11号、12号、13号、14号、15号和16号位置；它们之间的距离如图2(a)所示；如果以队形中的10号位置作为平面坐标系的原点，则该无人-有人机编队的队形中的每个位置的坐标如图2(b)所示。当无通信故障时，该无人-有人机编队使用如图3所示的最优通信拓扑来形成并保持此队形，其中有人机Fighter1作为该无人-有人机编队的领航者。

当有人机Fighter1发生单播收发机故障时，导致编队之前使用的最优通信拓扑(如图3所示)中的通信链接a₁₂(从Fighter1到UAV1的通信链接)和a₁₃(从Fighter1到UAV2的通信链接)不能再被使用并且Fighter1需要退出编队。因此，首先删除当前编队通信图D＝(V,A,W,P)中v₁和其所有的弧得到第一重构编队通信图D_r＝(V_r,A_r,W_r,P_r)；然后根据表2所示的通信拓扑重构算法获取所述第一重构编队通信图对应的第一最优重构通信拓扑，得到的第一最优重构通信拓扑如图4(a)所示，Fighter1已经退出编队，Fighter2变成了新的编队领航者，对应的编队通信代价为16714；再根据表4提供的通信拓扑重优化算法获取此无人-有人机编队的重优化通信拓扑，得到的重优化通信拓扑如图4(b)所示，其中，UAV13占据了Fighter1退出编队后留下的空位，编队通信代价从之前的16714降低为16372。

第二方面，本发明实施例还提供了一种无人-有人机编队通信拓扑启发式优化装置，如图5所示，所述装置包括：

编队通信图获取模块，用于根据无人-有人机编队需要组成的二维持久编队的队形获取编队通信图；

第一重构编队通信图获取模块，用于在所述无人-有人机编队发生通信故障时，根据所述通信故障的类型在所述编队通信图中删除通信故障弧或通信故障节点以构建第一重构编队通信图；

第一最优重构通信拓扑获取模块，用于根据通信拓扑重构算法获取所述第一重构编队通信图对应的第一最优重构通信拓扑；

重优化通信拓扑获取模块，用于根据所述第一最优重构通信拓扑、无人-有人机编队的若干位置配置和所述通信拓扑重构算法获取满足预设条件n＞|V|×(|V|-1)/2的第二最优重构通信拓扑即为所述无人-有人机编队的重优化通信拓扑；

所述位置配置是指无人-有人机编队中各架飞机在编队队形中的位置；通信故障发生之前的位置配置为第一位置配置Pr；|V|表示无人-有人机编队中飞机的数量；n取1、2、……、{|V|×(|V|-1)/2}+1。

可选地，所述重优化通信拓扑获取模块执行以下步骤获取重优化通信拓扑包括：

S41、将重优化通信拓扑To初始化为所述第一最优重构通信拓扑Tr，将重优化位置配置Po初始化为所述第一位置配置Prr；第二最优重构通信拓对应的位置配置为第二位置配置Pn，并将符号n初始化为1；

S42、从{1，2，……，|V|}中任选2个元素组合{i，j}，在所述第一位置配置Pr的基础上交换PLANEi的位置pi和PLANEj的位置pj得到|V|×(|V|-1)/2个位置配置的集合；

S43、从所述|V|×(|V|-1)/2个位置配置的集合中获取第n个位置配置作为第二位置配置Pn，并根据所述第二位置配置Pn构建满足故障约束条件的第二重构编队通信图；

S44、根据所述第二重构编队通信图和所述通信拓扑重构算法计算出所述第二位置配置Pn对应的第二最优重构通信拓扑Tn；

S45、计算所述第二最优重构通信拓扑Tn的权重值，若该权重值小于所述重优化通信拓扑To的权重值，则将所述重优化通信拓扑To更新为所述第二最优重构通信拓扑Tn，将所述重优化位置配置Po更新为所述第二位置配置Pn；

S46、若该权重值等于所述重优化通信拓扑的To权重值，则计算从第一位置配置Pr切换到所述第二位置配置Pn的PLANE移动距离之和，若该PLANE移动距离之和小于从第一位置配置Pr切换到所述重优化位置配置Po的PLANE移动距离之和，则将重优化通信拓扑To更新为所述第二最优重构通信拓扑Tn，将重优化位置配置Po更新为所述第二位置配置Pn；

S47、将所述符号n的值增加1，判断n是否满足预设条件n＞|V|×(|V|-1)/2，若不满足转到步骤S43。

可选地，所述通信故障诊断策略包括：

若所述通信故障的类型为单播发射机故障，则删除所述编队通信图中对应节点的所有出弧；

若所述通信故障的类型为单播接收机故障，则删除所述编队通信图中对应节点的所有入弧；

若所述通信故障的类型为单播收发机故障、广播发射机故障或者广播接收机故障，则删除所述编队通信图中对应节点的所有入弧和出弧以及该节点；

或者，

若通信故障的类型为任意两飞机之间的链接中断，则删除所述编队通信图中该链接对应的弧；

在所述编队通信图中，若某个无人机的对应节点被删除或该节点的所有弧被删除，则所述无人机退出编队并独自返回机场；若某个有人机的对应节点被删除或该节点的所有弧被删除，则所述有人机退出编队并在一个不同的飞行高度上跟随编队参考航迹飞行。

可选地，所述第一重构编队通信图获取模块执行以下步骤获取第一重构编队通信图包括：

获取所述第一重构编队通信图的二维最优持久图；

若存在一个有人机在所述二维最优持久图中对应节点的入度为0，则所述二维最优持久图即为第一最优重构通信拓扑；

否则，通过弧反向操作对所述二维最优持久图中进行调整，调整后的二维最优持久图即为第一最优重构通信拓扑。

可选地，所述第一重构编队通信图获取模块执行以下步骤获取所述第一重构编队通信图的二维最优持久图包括：

计算所述第一重构编队通信图的二维最优刚性图；

将所述二维最优刚性图中每条边转换成属于所述第一重构编队通信图的一条弧或者两条权值相同但方向相反的弧得到第一有向图；

在所述第一有向图中增加一个虚拟领航者节点和所述虚拟领航者节点到每个有人机对应节点的出弧得到第二有向图；

根据所述第二有向图计算其第一最小树形图，并将所述第一最小树形图中的虚拟领航者节点和其出弧删除得到第三有向图；

从所述第二有向图中删除所述第三有向图中的所有弧及其对应的反向弧得到第四有向图；

根据所述第四有向图计算其第二最小树形图，并将所述第二最小树形图中的虚拟领航者节点和其出弧删除得到第五有向图；

合并所述第三有向图和所述第五有向图得到第六有向图及其弧的数量m；

当所述二维最优刚性图的节点数量为n且m满足m＝2n-3时，则所述第六有向图为二维最优持久图；

当所述二维最优刚性图的节点数量为n且m满足m<(2n-3)时，获取所述二维最优刚性图中的第l条边对应的属于所述第一有向图中弧集合的一条或者两条弧，符号l的初始值为1；

若该一条或者两条弧都不在所述第六有向图中，获取第l条边对应两节点的入度；

若该第l条边对应的两节点的入度不都等于2且其中一个入度小于2的节点的入弧属于所述第一有向图中弧集合，则将该入度小于2的节点的入弧添加到所述第六有向图中得到第七有向图；

若所述第七有向图中弧的数量等于(2n-3)，则所述第七有向图为二维最优持久图；否则将所述第六有向图中的数据更新为所述第七有向图中的数据；

若该第l条边对应的两节点的入度都等于2且该第l条边对应的一条弧属于所述第一有向图中弧集合，将该第l条边对应的一条弧添加到第六有向图中得到第七有向图，记该弧指向的节点为第一节点；

在所述第六有向图中寻找入度小于2的一个第二节点，使得所述第二节点与所述第一节点之间具有最少跳数的路径，并且所述最少跳数的路径对应的所有弧的反向弧都在所述第一有向图中弧集合中，将所述最少跳数的路径对应的所有弧反向得到第八有向图；否则从所述第七有向图中删除已添加的该第l条边对应的一条弧，从优化编队通信图中删除该第l条边对应的两条弧，重新计算；

若所述第八有向图中弧的数量m等于(2n-3)时，则所述第八有向图为二维最优持久图；否则将所述第六有向图中的数据更新为所述第八有向图中的数据；

将所述符号l的值增加1，若符号l小于等于(2n-3)时，则继续判断第l条边对应的一条或两条弧是否都不在所述第六有向图中。

需要说明的是，本发明实施例提供的无人-有人机编队通信拓扑启发式优化装置与上述方法是一一对应的关系，上述方法的实施细节同样适用于上述装置，本发明实施例不再对上述系统进行详细说明。

本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的一种浏览器终端的设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其余形式提供。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (8)

1.一种无人-有人机编队通信拓扑启发式优化方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、根据无人-有人机编队需要组成的二维持久编队的队形获取编队通信图；

S2、当所述无人-有人机编队发生通信故障时，根据所述通信故障的类型在所述编队通信图中删除通信故障弧或通信故障节点以构建第一重构编队通信图；

S3、根据通信拓扑重构算法获取所述第一重构编队通信图对应的第一最优重构通信拓扑；

S4、根据所述第一最优重构通信拓扑、无人-有人机编队的若干位置配置和所述通信拓扑重构算法获取满足预设条件n＞|V|×(|V|-1)/2的第二最优重构通信拓扑即为所述无人-有人机编队的重优化通信拓扑；

所述位置配置是指无人-有人机编队中各架飞机在编队队形中的位置；通信故障发生之前的位置配置为第一位置配置Pr；|V|表示无人-有人机编队中飞机的数量；n取1、2、……、{|V|×(|V|-1)/2}+1；

其中，所述步骤S3包括：

获取所述第一重构编队通信图的二维最优持久图；

若存在一个有人机在所述二维最优持久图中对应节点的入度为0，则所述二维最优持久图即为第一最优重构通信拓扑；

否则，通过弧反向操作对所述二维最优持久图中进行调整，调整后的二维最优持久图即为第一最优重构通信拓扑。

2.根据权利要求1所述的无人-有人机编队通信拓扑启发式优化方法，其特征在于，所述步骤S4还包括：

S41、将重优化通信拓扑To初始化为所述第一最优重构通信拓扑Tr，将重优化位置配置Po初始化为所述第一位置配置Pr；第二最优重构通信拓对应的位置配置为第二位置配置Pn，并将符号n初始化为1；

S42、从{1，2，……，|V|}中任选2个元素组合{i，j}，在所述第一位置配置Pr的基础上交换PLANEi的位置pi和PLANEj的位置pj得到|V|×(|V|-1)/2个位置配置的集合；

S43、从所述|V|×(|V|-1)/2个位置配置的集合中获取第n个位置配置作为第二位置配置Pn，并根据所述第二位置配置Pn构建满足故障约束条件的第二重构编队通信图；

S44、根据所述第二重构编队通信图和所述通信拓扑重构算法计算出所述第二位置配置Pn对应的第二最优重构通信拓扑Tn；

S45、计算所述第二最优重构通信拓扑Tn的权重值，若该权重值小于所述重优化通信拓扑To的权重值，则将所述重优化通信拓扑To更新为所述第二最优重构通信拓扑Tn，将所述重优化位置配置Po更新为所述第二位置配置Pn；

S46、若该权重值等于所述重优化通信拓扑To的权重值，则计算从第一位置配置Pr切换到所述第二位置配置Pn的PLANE移动距离之和，若该PLANE移动距离之和小于从第一位置配置Pr切换到所述重优化位置配置Po的PLANE移动距离之和，则将重优化通信拓扑To更新为所述第二最优重构通信拓扑Tn，将重优化位置配置Po更新为所述第二位置配置Pn；

S47、将所述符号n的值增加1，判断n是否满足预设条件n＞|V|×(|V|-1)/2，若不满足转到步骤S43。

3.根据权利要求1所述的无人-有人机编队通信拓扑启发式优化方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

若所述通信故障的类型为单播发射机故障，则删除所述编队通信图中对应节点的所有出弧；

若所述通信故障的类型为单播接收机故障，则删除所述编队通信图中对应节点的所有入弧；

若所述通信故障的类型为单播收发机故障、广播发射机故障或者广播接收机故障，则删除所述编队通信图中对应节点的所有入弧和出弧以及该节点；

或者，

若通信故障的类型为任意两飞机之间的链接中断，则删除所述编队通信图中该链接对应的弧；

在所述编队通信图中，若某个无人机的对应节点被删除或该节点的所有弧被删除，则所述无人机退出编队并独自返回机场；若某个有人机的对应节点被删除或该节点的所有弧被删除，则所述有人机退出编队并在一个不同的飞行高度上跟随编队参考航迹飞行。

4.根据权利要求1所述的无人-有人机编队通信拓扑启发式优化方法，其特征在于，所述获取所述第一重构编队通信图的二维最优持久图的步骤包括：

计算所述第一重构编队通信图的二维最优刚性图；

将所述二维最优刚性图中每条边转换成属于所述第一重构编队通信图的一条弧或者两条权值相同但方向相反的弧得到第一有向图；

在所述第一有向图中增加一个虚拟领航者节点和所述虚拟领航者节点到每个有人机对应节点的出弧得到第二有向图；

根据所述第二有向图计算其第一最小树形图，并将所述第一最小树形图中的虚拟领航者节点和其出弧删除得到第三有向图；

从所述第二有向图中删除所述第三有向图中的所有弧及其对应的反向弧得到第四有向图；

根据所述第四有向图计算其第二最小树形图，并将所述第二最小树形图中的虚拟领航者节点和其出弧删除得到第五有向图；

合并所述第三有向图和所述第五有向图得到第六有向图及其弧的数量m；

当所述二维最优刚性图的节点数量为n且m满足m＝2n-3时，则所述第六有向图为二维最优持久图；

当所述二维最优刚性图的节点数量为n且m满足m<(2n-3)时，获取所述二维最优刚性图中的第l条边对应的属于所述第一有向图中弧集合的一条或者两条弧，符号l的初始值为1；

若该一条或者两条弧都不在所述第六有向图中，获取第l条边对应两节点的入度；

若该第l条边对应的两节点的入度不都等于2且其中一个入度小于2的节点的入弧属于所述第一有向图中弧集合，则将该入度小于2的节点的入弧添加到所述第六有向图中得到第七有向图；

若所述第七有向图中弧的数量等于(2n-3)，则所述第七有向图为二维最优持久图；否则将所述第六有向图中的数据更新为所述第七有向图中的数据；

若该第l条边对应的两节点的入度都等于2且该第l条边对应的一条弧属于所述第一有向图中弧集合，将该第l条边对应的一条弧添加到第六有向图中得到第七有向图，记该弧指向的节点为第一节点；

在所述第六有向图中寻找入度小于2的一个第二节点，使得所述第二节点与所述第一节点之间具有最少跳数的路径，并且所述最少跳数的路径对应的所有弧的反向弧都在所述第一有向图中弧集合中，将所述最少跳数的路径对应的所有弧反向得到第八有向图；否则从所述第七有向图中删除已添加的该第l条边对应的一条弧，从优化编队通信图中删除该第l条边对应的两条弧，重新计算；

若所述第八有向图中弧的数量m等于(2n-3)时，则所述第八有向图为二维最优持久图；否则将所述第六有向图中的数据更新为所述第八有向图中的数据；

将所述符号l的值增加1，若符号l小于等于(2n-3)时，则继续判断第l条边对应的一条或两条弧是否都不在所述第六有向图中。

5.一种无人-有人机编队通信拓扑启发式优化装置，其特征在于，所述装置包括：

编队通信图获取模块，用于根据无人-有人机编队需要组成的二维持久编队的队形获取编队通信图；

第一重构编队通信图获取模块，用于在所述无人-有人机编队发生通信故障时，根据所述通信故障的类型在所述编队通信图中删除通信故障弧或通信故障节点以构建第一重构编队通信图；

第一最优重构通信拓扑获取模块，用于根据通信拓扑重构算法获取所述第一重构编队通信图对应的第一最优重构通信拓扑；

重优化通信拓扑获取模块，用于根据所述第一最优重构通信拓扑、无人-有人机编队的若干位置配置和所述通信拓扑重构算法获取满足预设条件n＞|V|×(|V|-1)/2的第二最优重构通信拓扑即为所述无人-有人机编队的重优化通信拓扑；

所述位置配置是指无人-有人机编队中各架飞机在编队队形中的位置；通信故障发生之前的位置配置为第一位置配置Pr；|V|表示无人-有人机编队中飞机的数量；n取1、2、……、{|V|×(|V|-1)/2}+1；

其中，所述第一重构编队通信图获取模块执行以下步骤获取第一重构编队通信图包括：

获取所述第一重构编队通信图的二维最优持久图；

若存在一个有人机在所述二维最优持久图中对应节点的入度为0，则所述二维最优持久图即为第一最优重构通信拓扑；

否则，通过弧反向操作对所述二维最优持久图中进行调整，调整后的二维最优持久图即为第一最优重构通信拓扑。

6.根据权利要求5所述的无人-有人机编队通信拓扑启发式优化装置，其特征在于，所述重优化通信拓扑获取模块执行以下步骤获取重优化通信拓扑包括：

S41、将重优化通信拓扑To初始化为所述第一最优重构通信拓扑Tr，将重优化位置配置Po初始化为所述第一位置配置Prr；第二最优重构通信拓对应的位置配置为第二位置配置Pn，并将符号n初始化为1；

S42、从{1，2，……，|V|}中任选2个元素组合{i，j}，在所述第一位置配置Pr的基础上交换PLANEi的位置pi和PLANEj的位置pj得到|V|×(|V|-1)/2个位置配置的集合；

S43、从所述|V|×(|V|-1)/2个位置配置的集合中获取第n个位置配置作为第二位置配置Pn，并根据所述第二位置配置Pn构建满足故障约束条件的第二重构编队通信图；

S44、根据所述第二重构编队通信图和所述通信拓扑重构算法计算出所述第二位置配置Pn对应的第二最优重构通信拓扑Tn；

S45、计算所述第二最优重构通信拓扑Tn的权重值，若该权重值小于所述重优化通信拓扑To的权重值，则将所述重优化通信拓扑To更新为所述第二最优重构通信拓扑Tn，将所述重优化位置配置Po更新为所述第二位置配置Pn；

S46、若该权重值等于所述重优化通信拓扑的权重值，则计算从第一位置配置Pr切换到所述第二位置配置Pn的PLANE移动距离之和，若该PLANE移动距离之和小于从第一位置配置Pr切换到所述重优化位置配置Po的PLANE移动距离之和，则将重优化通信拓扑To更新为所述第二最优重构通信拓扑Tn，将重优化位置配置Po更新为所述第二位置配置Pn；

S47、将所述符号n的值增加1，判断n是否满足预设条件n＞|V|×(|V|-1)/2，若不满足转到步骤S43。

7.根据权利要求5所述的无人-有人机编队通信拓扑启发式优化装置，其特征在于，所述第一重构编队通信图获取模块执行以下步骤获取第一重构编队通信图包括：

若所述通信故障的类型为单播发射机故障，则删除所述编队通信图中对应节点的所有出弧；

若所述通信故障的类型为单播接收机故障，则删除所述编队通信图中对应节点的所有入弧；

若所述通信故障的类型为单播收发机故障、广播发射机故障或者广播接收机故障，则删除所述编队通信图中对应节点的所有入弧和出弧以及该节点；

或者，

若通信故障的类型为任意两飞机之间的链接中断，则删除所述编队通信图中该链接对应的弧；

在所述编队通信图中，若某个无人机的对应节点被删除或该节点的所有弧被删除，则所述无人机退出编队并独自返回机场；若某个有人机的对应节点被删除或该节点的所有弧被删除，则所述有人机退出编队并在一个不同的飞行高度上跟随编队参考航迹飞行。

8.根据权利要求5所述的无人-有人机编队通信拓扑启发式优化装置，其特征在于，所述第一重构编队通信图获取模块执行以下步骤获取所述第一重构编队通信图的二维最优持久图包括：

计算所述第一重构编队通信图的二维最优刚性图；

将所述二维最优刚性图中每条边转换成属于所述第一重构编队通信图的一条弧或者两条权值相同但方向相反的弧得到第一有向图；

在所述第一有向图中增加一个虚拟领航者节点和所述虚拟领航者节点到每个有人机对应节点的出弧得到第二有向图；

根据所述第二有向图计算其第一最小树形图，并将所述第一最小树形图中的虚拟领航者节点和其出弧删除得到第三有向图；

从所述第二有向图中删除所述第三有向图中的所有弧及其对应的反向弧得到第四有向图；

根据所述第四有向图计算其第二最小树形图，并将所述第二最小树形图中的虚拟领航者节点和其出弧删除得到第五有向图；

合并所述第三有向图和所述第五有向图得到第六有向图及其弧的数量m；

当所述二维最优刚性图的节点数量为n且m满足m＝2n-3时，则所述第六有向图为二维最优持久图；

当所述二维最优刚性图的节点数量为n且m满足m<(2n-3)时，获取所述二维最优刚性图中的第l条边对应的属于所述第一有向图中弧集合的一条或者两条弧，符号l的初始值为1；

若该一条或者两条弧都不在所述第六有向图中，获取第l条边对应两节点的入度；

若该第l条边对应的两节点的入度不都等于2且其中一个入度小于2的节点的入弧属于所述第一有向图中弧集合，则将该入度小于2的节点的入弧添加到所述第六有向图中得到第七有向图；

若所述第七有向图中弧的数量等于(2n-3)，则所述第七有向图为二维最优持久图；否则将所述第六有向图中的数据更新为所述第七有向图中的数据；

若该第l条边对应的两节点的入度都等于2且该第l条边对应的一条弧属于所述第一有向图中弧集合，将该第l条边对应的一条弧添加到第六有向图中得到第七有向图，记该弧指向的节点为第一节点；

在所述第六有向图中寻找入度小于2的一个第二节点，使得所述第二节点与所述第一节点之间具有最少跳数的路径，并且所述最少跳数的路径对应的所有弧的反向弧都在所述第一有向图中弧集合中，将所述最少跳数的路径对应的所有弧反向得到第八有向图；否则从所述第七有向图中删除已添加的该第l条边对应的一条弧，从优化编队通信图中删除该第l条边对应的两条弧，重新计算；

若所述第八有向图中弧的数量m等于(2n-3)时，则所述第八有向图为二维最优持久图；否则将所述第六有向图中的数据更新为所述第八有向图中的数据；

将所述符号l的值增加1，若符号l小于等于(2n-3)时，则继续判断第l条边对应的一条或两条弧是否都不在所述第六有向图中。

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