CN109167691B - 一种武器控制系统的网络冗余设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于武器装备可靠性设计技术领域，具体涉及一种武器控制系统的网络冗余设计方法，在简单网络拓扑设计的基础上，通过分析武器控制系统关键任务的路径集，确定简单网络拓扑中的关键节点和路径，建立网络可靠性评估模型，进而进行冗余设计，并对设计后的网络进行可靠性评估以判定是否重新设计。利用本发明所提供的网络冗余设计方法，将网络冗余设计与网络可靠性评估相结合，及时验证设计的合理性，一方面避免了因产生过多的备份节点和备份链路造成的资源浪费和性能反向影响；另一方面避免了过少冗余造成的网络低可靠，使冗余设计更加合理。

Description

一种武器控制系统的网络冗余设计方法

技术领域

本发明属于武器装备可靠性设计技术领域，具体涉及一种武器控制系统的网络冗余设计方法，通过分析武器控制系统关键任务的路径集，确定简单网络拓扑中的关键节点和路径，进而进行冗余设计，并对设计后的网络进行可靠性评估以判定是否重新设计。

背景技术

网络可靠性是指网络在各种故障，以及自然和人为破坏的情况下，仍然保持其原有网络功能的能力。网络可靠性评估是利用数学模型对网络可靠性一种度量。目前网络可靠性评估主要分为4类：(1)网络连通可靠性评估，指的是仅考虑网络拓扑结构，将“网络实现连通功能的概率”作为可靠性度量；(2)网络容量可靠性评估，它在考虑网络是否连通的基础上，还考虑了网络中链路和节点的容量；(3)网络性能可靠性评估，关注的是网络性能的动态变化对可靠性的影响，多以“某些性能参数不超过其规定阈值的概率”作为可靠性的度量；(4)以系统任务为中心的可靠性评估，其综合考虑了网络的连通可靠性、容量可靠性和性能可靠性，将“网络对系统任务支持能力”作为业务可靠性的度量。

网络冗余设计是网络可靠性的一种重要设计方法，主要采用节点、链路冗余设计来提高网络的可靠性。目前主要有2种方法：一种是双总线方法，双总线由两根总线组成；另一种是双/双冗余总线，由两条自校验总线组成。

目前的研究基本上将网络可靠性评估研究与网络冗余设计研究隔离开来。实际工程的网络冗余设计过程中，如果设计的备用节点、链路太多，会导致系统网络设计复杂，系统性能降低，部署困难，成本较大；如果设计的备用节点、链路太少，又会影响网络可靠性的提升，因此，缺乏一种行之有效的网络冗余设计方法。

发明内容

本发明为克服现有技术的不足，将网络可靠性评估与网络冗余设计有机结合，提出一种基于网络可靠性评估的武器控制系统网络冗余设计方法，在简单网络拓扑设计的基础上，分析武器控制系统任务，确定网络的关键节点、路径，渐进式地进行网络冗余设计，建立网络可靠性评估模型，对冗余设计前后的网络拓扑进行评估，以验证网络冗余设计的合理性，达到网络冗余工程设计的经济性和有效性，保证网络冗余设计的实施。

本发明公开的一种武器控制系统的网络冗余设计方法，步骤如下：

第一步，根据武器控制系统的组网要求，构建简单网络拓扑；

第二步，根据武器控制系统软件需求规格说明和设计说明，明确系统的关键任务，分析每个关键任务中包含的设备，以及设备间的连接关系，以节点状态覆盖为准则，进行路径分支判断，建立系统任务模型，生成任务执行路径，再通过建立公用路径决策矩阵，确定网络中的关键节点和路径，并根据关键节点和路径，进行网络冗余设计；

第三步，通过系统任务分析，建立基于任务的网络可靠性评估模型；

第四步，利用构建的网络可靠性模型，计算冗余设计前后的两种网络可靠度，对系统网络进行可靠性评估，验证网络冗余设计的有效性，确认系统网络是否满足系统网络健壮性要求，如果不满足，则对系统网络重新进行冗余设计，重新进行可靠性评估，直至满足系统网络健壮性要求。

作为优选例，步骤一种所述简单网络拓扑为内部环型外部星型的网络拓扑，交换机间环型连接，交换机与终端间星型连接。

作为优选例，步骤二所述的关键任务是武器控制系统需求文档确定的重要系统任务，包含终端功能执行过程和两个端口间的单向信息传输过程，具体包括定位信息配置、导弹状态获取及显示、发射车位置上报、发射控制任务。

作为优选例，步骤二所述的确定网络中的关键节点和路径，具体实现过程如下：

首先，根据系统关键任务执行路径图，建立公用路径决策矩阵{a_ij}，矩阵任意元素a_ij表示从节点i(源节点)到节点j(宿节点)存在路径的个数，值为0则表示节点间不连通；

然后，采用深度优先遍历任务执行路径，当任务消息/指令从节点i到节点j时，则a_ij+1，直至所有任务所有执行路径遍历结束，形成公用路径决策矩阵；

其次，根据公用路径决策矩阵，确定网络中的关键路径，设节点i到节点j重复路径阈值a_{ij_thresh}，当a_ij＞a_{ij_thresh}，则确定节点i到节点j的路径为关键路径；

最后，根据公用路径决策矩阵，确定网络中的关键节点，设节点i在任务路径中的重复次数阈值为m_{i_thresh},统计节点i在任务执行路径中的实际重复次数m_i，计算公式如下：

当m_i＞m_{i_thresh}，则确定节点i为关键节点。

作为优选例，步骤三所述的网络可靠性评估模型，具体是指基于系统任务的可靠性评估模型，是任务路径集中至少有一条路径正常工作的概率，即根据系统任务，分析任务的路径集，在给出单一路径可靠性计算方法的基础上，给出系统任务的可靠性计算方法。

利用本发明的网络冗余设计方法，将网络冗余设计与网络可靠性评估相结合，可及时验证设计的合理性，一方面避免了因产生过多的备份节点和备份链路造成的资源浪费和性能反向影响；另一方面避免了过少冗余造成的网络低可靠，使冗余设计更加合理。

附图说明

图1武器控制系统网络冗余设计方法流程图；

图2一个简单的环型与星型相结合的网络拓扑结构；

图3武器控制系统关键任务执行路径；

图4网络冗余设计方案示例。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种武器控制系统的网络冗余设计方法，利用武器控制系统关键任务确定简单网络拓扑结构中的关键路径和节点，根据关键路径和节点进行网络冗余设计，再利用已建立的基于任务的网络可靠性评估模型对冗余设计前、后的网络可靠性进行计算，判定冗余设计的合理性，决定是否重新设计。

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述。

附图1给出了武器控制系统网络冗余设计方法流程图，具体流程如下：

第一步，构建简单的环型与星型相结合的网络拓扑结构。武器控制系统主要由武控车节点和发射车节点组成，武控车主要包括：武器控制台、信息处理台、卫星定位设备等，发射车主要包括发射控制台、定位定向设备、发控单元等。根据武器控制系统的功能部署和组网需求，以简化拓扑结构、减少信息路径长度为原则，本发明为武器控制系统设计了一个简单的环型与星型相结合的网络拓扑结构，如附图2所示。网络拓扑分为内外两层，内层由4台通信控制器(交换机)互联形成一个环型的网络内部结构，分别为通信控制器A、B、C、D。外层由网络终端节点分别连接各交换机，形成星型的网络外部结构，如发射车内定位定向设备和发射控制台均与通信控制器A连接，武控车内信息处理台与通信控制器D连接。

第二步，关键节点、关键路径分析及网络冗余设计。根据系统执行的任务，分析关键任务的执行路径，确定网络中的关键节点和路径，并对关键节点和路径进行冗余设计。首先，根据武器控制系统软件需求规格说明和设计说明，明确系统的关键任务：定位信息配置、导弹状态获取及显示、发射车位置上报、发射控制任务。接着，分析系统中每个关键任务中包含的设备，以及设备间的连接关系，以节点状态覆盖为准则，进行路径分支判断，建立系统任务模型，任务模型主要属性包括：任务名称、源设备、宿设备、设备状态和功能、网络报文等。最后，根据系统任务模型，建立公用路径决策矩阵，确定网络中的关键节点和路径，并根据关键节点和路径，进行网络冗余设计。根据上述过程结果，利用UML的序列图对任务执行路径进行描述，上述4个关键任务的执行路径如附图3所示。

系统网络关键节点和关键路径根据系统关键任务执行路径确定，具体方法如下：

首先，根据系统关键任务执行路径图，建立公用路径决策矩阵{a_ij}，矩阵任意元素a_ij表示从节点i(源节点)到节点j(宿节点)存在路径的个数，值为0则表示节点间不连通。

然后，采用深度优先遍历任务执行路径，当任务消息/指令从节点i到节点j时，则a_ij+1，直至所有任务所有执行路径遍历结束，形成公用路径决策矩阵。

其次，根据公用路径决策矩阵，确定网络中的关键路径，设节点i到节点j重复路径阈值a_{ij_thresh}，当a_ij＞a_{ij_thresh}，则确定节点i到节点j的路径为关键路径。

最后，根据公用路径决策矩阵，确定网络中的关键节点，设节点i在任务路径中的重复次数阈值为m_{i_thresh},统计节点i在任务执行路径中的实际重复次数m_i，计算公式如下：

当m_i＞m_{i_thresh}，则确定节点i为关键节点。

为使网络在发生通信控制器故障或发生链路断开的情况下，系统仍能正常工作，根据关键节点和关键路径，系统网络冗余设计的基本方法如下：

(1)内部环型网络冗余设计

内部环型网络是通信控制器首尾连接组成的环型网络，这种环型网络发生一处链路断开故障不会影响网络的连通性，但发生两处链路断开故障就会影响网络连通性。内部环型网络是网络化武器控制系统网络主干网络，为保证发生多处链路断开故障情况下，网络仍能正常工作，设计为双冗余的环型网络，即通信控制器间设计两条链路首尾连接。

(2)外部星型网络冗余设计

外部星型网络冗余设计主要根据系统的关键路径和关键节点进行设计。对于关键路径，针对关键路径涉及的两个节点间添加冗余路径；对于关键节点，进行冗余接入，即关键节点不仅接入本身就近的通信控制器，同时选择另一个合适的通信控制器进行接入。

按照以上的设计方法，对附图2进行网络冗余设计后的结果如附图4所示。

第三步，建立网络可靠性评估模型。系统网络可靠性评估模型是基于系统任务的可靠性评估模型，即根据系统任务，分析任务的路径集，在给出单一路径可靠性计算方法的基础上，给出系统任务的可靠性计算方法。网络中的系统任务为系统中任意两个端口间的单向信息传输过程。

系统网络设计时，任务t_S，D，T的路径由完成从端口S到端口D信息传输任务所需的端口单元、交换单元和链路组成，则任务t_S，D，T的第i条路径

由端口单元集、交换单元集和链路单元集组成，正常工作的概率分别为

t_S,D,T的完成可以具有多条冗余路径，t_S,D,T的第i条路径

的可靠度

定义为

的

正常工作的概率，即单一任务的可靠度：

任务路径r_S，D，T可能有多条，假设任务t_S，D，T的路径数目为k_S，D，T，则任务t_S，D，T的路径集为

t_S,D,T的

定义为R_S,D,T中至少有一条路径正常工作的概率，即系统任务可靠度：

根据相容事件的概率公式，上式可表示为：

第四步，系统网络可靠性评估。根据构建的网络可靠性模型，计算冗余设计前后的两种网络可靠度，对系统网络进行可靠性评估，确认系统网络是否满足系统网络健壮性要求，如果不满足，则对系统网络重新进行冗余设计，重新进行可靠性评估，直至满足系统网络健壮性要求。本节以典型任务“发射车位置上报”为例，利用前面提出的网络可靠性模型，对网络冗余设计前和设计后的任务可靠性进行对比评估：

任务t_S,D,T：发射车的位置上报；

假设：统中端口单元、交换单元和链路单元都只有正常工作和失效2种状态，各端口、交换单元、链路单元的正常工作概率均为0.9。

(1)冗余设计前网络可靠性评估

根据附图2冗余设计前发射车的位置上报任务路径集如下表所示，则任务t_S,D,T的正常概率计算如下：

表1冗余设计前的任务路径集

任务路径1的正常概率P＝P(源端口正常概率)×P(终端链路1正常概率)×P(通信控制器A正常概率)×P(环形链路1正常概率)×P(通信控制器C正常概率)×P(终端链路2正常概率)×P(目的端口正常概率)＝0.9⁷＝0.4783

任务路径2的正常概率P＝P(源端口正常概率)×P(终端链路1正常概率)×P(通信控制器A正常概率)×P(环形链路2正常概率)×P(通信控制器B正常概率)×P(环形链路3正常概率)×P(通信控制器D正常概率)×P(环形链路4正常概率)×P(通信控制器C正常概率)×P(终端链路2正常概率)×P(目的端口正常概率)＝0.9¹¹＝0.3138

任务t_S,D,T的正常概率P＝1-P(所有路径均异常)＝1-((1-0.4783)×(1-0.3138))＝0.6420。

(2)冗余设计后网络可靠性评估

根据附图4冗余设计后发射车位置上报任务路径集如下表所示，则任务t_S,D,T的正常概率计算如下：

表2冗余设计后的任务路径集

任务路径1的正常概率P＝P(源端口正常概率)×P(终端链路1正常概率)×P(通信控制器A正常概率)×P(终端链路3正常概率)×P(目的端口正常概率)＝0.9⁵＝0.5905

任务路径2-3的单个路径的正常概率P＝P(源端口正常概率)×P(终端链路1正常概率)×P(通信控制器A正常概率)×P(环形链路1正常概率)×P(通信控制器C正常概率)×P(终端链路4正常概率)×P(目的端口正常概率)＝0.9⁷＝0.4783

任务路径4-11的单个路径的正常概率P＝P(源端口正常概率)×P(终端链路1正常概率)×P(通信控制器A正常概率)×P(环形链路3正常概率)×P(通信控制器B正常概率)×P(环形链路5正常概率)×P(通信控制器D正常概率)×P(环形链路7正常概率)×P(通信控制器C正常概率)×P(终端链路4正常概率)×P(目的端口正常概率)＝0.9¹¹＝0.3138

任务t_S,D,T的正常概率P＝1-P(所有路径均异常)＝1-((1-0.5905)×(1-0.4783)²×(1-0.3138)⁸)＝0.9945

冗余设计前网络可靠性评估任务t_S,D,T正常的概率P＝0.6420，冗余设计后网络可靠性评估任务t_S,D,T正常的概率＝0.9945。

根据上述基于任务的网络可靠性评估结果，“发射车位置上报”任务的可靠性从0.6420提升到0.9945，从而验证了网络可靠性设计的有效性。

Claims (2)

1.一种武器控制系统的网络冗余设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，根据武器控制系统的组网要求，构建简单网络拓扑，所述简单网络拓扑为内部环型外部星型的网络拓扑，交换机间环型连接，交换机与终端间星型连接；

第二步，根据武器控制系统软件需求规格说明和设计说明，明确系统的关键任务，所述的关键任务是武器控制系统需求文档确定的重要系统任务，包含终端功能执行过程和两个端口间的单向信息传输过程，具体包括定位信息配置、导弹状态获取及显示、发射车位置上报、发射控制任务；分析每个关键任务中包含的设备，以及设备间的连接关系，以节点状态覆盖为准则，进行路径分支判断，建立系统任务模型，生成任务执行路径，再通过建立公用路径决策矩阵，确定网络中的关键节点和路径，并根据关键节点和路径，进行网络冗余设计；

所述的确定网络中的关键节点和路径，具体实现过程如下：

首先，根据系统关键任务执行路径图，建立公用路径决策矩阵{a_ij}，矩阵任意元素a_ij表示从源节点i到宿节点j存在路径的个数，值为0则表示节点间不连通；

然后，采用深度优先遍历任务执行路径，当任务消息/指令从源节点i到宿节点j时，则a_ij+1，直至所有任务所有执行路径遍历结束，形成公用路径决策矩阵；

其次，根据公用路径决策矩阵，确定网络中的关键路径，设源节点i到宿节点j重复路径阈值a_{ij_thresh}，当a_ij＞a_{ij_thresh}，则确定源节点i到宿节点j的路径为关键路径；

最后，根据公用路径决策矩阵，确定网络中的关键节点，设源节点i在任务路径中的重复次数阈值为m_{i_thresh}，统计源节点i在任务执行路径中的实际重复次数m_i，计算公式如下：

当m_i＞m_{i_thresh}，则确定源节点i为关键节点，n为网络中节点的个数；

第三步，通过系统任务分析，建立基于任务的网络可靠性评估模型；

第四步，利用构建的网络可靠性评估模型，计算冗余设计前后的两种网络可靠度，对系统网络进行可靠性评估，验证网络冗余设计的有效性，确认系统网络是否满足系统网络健壮性要求，如果不满足，则对系统网络重新进行冗余设计，重新进行可靠性评估，直至满足系统网络健壮性要求。

2.根据权利要求1所述的一种武器控制系统的网络冗余设计方法，其特征在于，第三步所述的网络可靠性评估模型，具体是指基于系统任务的网络可靠性评估模型，是任务路径集中至少有一条路径正常工作的概率，即根据系统任务，分析任务的路径集，在给出单一路径可靠性计算方法的基础上，给出系统任务的可靠性计算方法。

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