楊 晗，葉志浩，梅 丹，肖 晗

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船舶電力信息網(wǎng)絡脆弱性分析

楊 晗1，葉志浩1，梅 丹2，肖 晗1

（1.海軍工程大學艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室，武漢 430033；2.海軍工程大學理學院，武漢 430033）

船舶電力信息網(wǎng)絡的脆弱性分析對確保船舶電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、高效的運行有著重要意義。本文以復雜網(wǎng)絡理論為基礎(chǔ)，對船舶電力信息網(wǎng)絡的脆弱性進行了研究。首先對某一具體的船舶電力信息網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)進行抽象，然后在此基礎(chǔ)上運用復雜網(wǎng)絡理論計算船舶電力信息網(wǎng)絡節(jié)點脆弱性和鏈路脆弱性,由此找出整個網(wǎng)絡中最脆弱的部分。分析結(jié)果表明，該研究可為船舶電力信息網(wǎng)絡的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù),并且在在拓撲結(jié)構(gòu)方面著手對信息網(wǎng)絡進行了優(yōu)化提高。

船舶 復雜網(wǎng)絡 電力信息網(wǎng)絡 脆弱性

0 引言

隨著船舶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的日趨復雜化，對電力網(wǎng)絡的要求越來越高，使得船舶電力網(wǎng)絡越來越依賴于信息網(wǎng)絡。船舶信息網(wǎng)絡作為智能電網(wǎng)的支撐網(wǎng)絡，其可靠性已經(jīng)成為船舶電網(wǎng)經(jīng)濟、安全運行的先決條件[1]。為了有效確保船舶電力網(wǎng)絡安全穩(wěn)定運行，應準確找出船舶電力信息網(wǎng)絡的脆弱部位，采用有效的方法進行脆弱性分析。

在傳統(tǒng)的分析方法中，主要是通過可靠性來分析電力信息網(wǎng)絡，但是這種方法僅僅針對于已知的事故類型，不能反映整個網(wǎng)絡的固有缺陷，而脆弱性作為網(wǎng)絡可靠性的一種有效測度，可以衡量網(wǎng)絡在遭受攻擊或者自然失效時的網(wǎng)絡性能，指明網(wǎng)絡中的薄弱環(huán)節(jié)[2]。由于船舶電力信息網(wǎng)絡也屬于復雜網(wǎng)絡，因此復雜網(wǎng)絡的分析方法同樣適用于船舶電力信息網(wǎng)絡。近年來，基于復雜網(wǎng)絡理論的船舶電力信息網(wǎng)絡脆弱性的研究大量涌現(xiàn)，由于脆弱性科學目前正處于起步研究階段，不同研究領(lǐng)域?qū)Α按嗳跣浴钡母拍罾斫獯嬖诓町悾又黝惥W(wǎng)絡的復雜性，使得脆弱性評價研究存在很多困難。本文在有限的知識范圍內(nèi)，對船舶電力信息網(wǎng)絡的脆弱性進行了分析探討。

1 復雜網(wǎng)絡理論的基礎(chǔ)知識

幾個基本概念：

1)平均路徑長度L：在一個網(wǎng)絡中節(jié)點i與節(jié)點j之間的的最短距離dij被定義為連接這兩個節(jié)點間的最短路徑所包含的總邊數(shù)。對所有節(jié)點對的最短距離求平均值，即可得到該網(wǎng)絡的平均路徑長度L

2)聚類系數(shù)C：網(wǎng)絡的聚類系數(shù)C是專門用來衡量網(wǎng)絡節(jié)點集聚程度的一個重要參數(shù)。在網(wǎng)絡中，每個節(jié)點的聚類系數(shù)可表示為

C=a／b

式中：a為連接到頂點i的三角形的個數(shù)；b為連接到頂點i的三元組的個數(shù)。整個網(wǎng)絡的聚類系數(shù)定義為

3)節(jié)點度數(shù)D：度是描述單獨節(jié)點屬性的簡單而重要的概念。對無向圖而言，節(jié)點i的度Ki是指與節(jié)點i相連的邊的數(shù)量。直觀上看，一個節(jié)點的度越大，該節(jié)點越重要。網(wǎng)絡的平均度k的定義為

4)介數(shù)：介數(shù)分為節(jié)點介數(shù)和邊介數(shù)兩種，它是一個全局特征量，反映了節(jié)點或邊在整個網(wǎng)絡中的作用和影響力。節(jié)點介數(shù)Bi的定義為

式中表示節(jié)點vj和vl之間的最短路徑條數(shù)，(i)表示節(jié)點vj和vl之間的最短路徑路過節(jié)點vi的條數(shù)。類似地，邊的介數(shù)Bij定義為網(wǎng)絡中所有的最短路徑中經(jīng)過邊eij的數(shù)量比例為

式中，表示節(jié)點vl和vm之間的最短路徑數(shù)，(eij)表示節(jié)點vl和vm之間的最短路徑經(jīng)過邊ej的條數(shù)。

在復雜網(wǎng)絡理論[4,5]中，介數(shù)的大小反映了節(jié)點的吞吐量、訪問量、通行能力以及節(jié)點在網(wǎng)絡中的活躍程度。對應到信息網(wǎng)絡中，則反映了節(jié)點對信息的承載能力及節(jié)點在網(wǎng)絡中的活躍程度[6]。因此，采用節(jié)點介數(shù)就可以很好地描述節(jié)點脆弱性。

2 船舶電力信息網(wǎng)絡拓撲建模

目前，人們普遍將船舶電力信息網(wǎng)絡從功能上劃分為兩個層次，分別為管理層和控制層。管理層包括電力系統(tǒng)管理工作站、供電系統(tǒng)管理工作站、交直流配電及照明管理工作站、電力推進管理工作站、在線模擬培訓子系統(tǒng)、服務器等。設(shè)備層包括智能傳感器、信息采集裝置等[7,8]。

在船舶信息網(wǎng)絡中較為常用的組網(wǎng)方式為以太網(wǎng)+現(xiàn)場總線，由于現(xiàn)場總線本身就是用于現(xiàn)場智能化裝置與控制室之間的通信線路，而以太網(wǎng)本身的高帶寬就特別適合管理信息的傳輸，因此這種網(wǎng)絡構(gòu)成方式在工業(yè)自動化領(lǐng)域廣泛采用。

3 基于復雜網(wǎng)絡的船舶電力信息網(wǎng)絡脆弱性分析

在一個網(wǎng)絡的脆弱性分析過程中，這個網(wǎng)絡承受干擾的能力以及它受影響的程度是電力信息網(wǎng)脆弱性的兩個重要衡量標準。信息網(wǎng)絡的脆弱性主要有物理脆弱性和結(jié)構(gòu)脆弱性，物理脆弱性的分析方法主要以可靠性分析為主，而結(jié)構(gòu)脆弱性主要以復雜網(wǎng)絡理論的分析方法為主。信息網(wǎng)絡主要包括網(wǎng)絡終端設(shè)備和光纖等媒介，對網(wǎng)絡終端設(shè)備和網(wǎng)管系統(tǒng)的容量和端口配置、光纖線路的光纖類型和線路長度進行確認[9]，可得到信息網(wǎng)絡的物理脆弱性。

結(jié)構(gòu)脆弱性主要是描述網(wǎng)絡拓撲的脆弱性，船舶信息網(wǎng)絡與船舶電力網(wǎng)絡不同，船舶信息網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)沒有經(jīng)過預先規(guī)劃，通常是根據(jù)船舶電網(wǎng)的需求而建。在信息網(wǎng)絡對應的復雜網(wǎng)絡中，介數(shù)的大小反映了節(jié)點的吞吐量、訪問量、通行能力以及節(jié)點在網(wǎng)絡中的活躍程度。類似的，采用邊介數(shù)就可以很好地描述鏈路脆弱性，介數(shù)越高的光纖線路越容易引起網(wǎng)絡傳輸?shù)拇嗳酢?/p>

下面定量地對某一個船舶電力信息網(wǎng)絡進行脆弱性分析，它的簡化結(jié)構(gòu)圖如下：

圖1為某一個船舶電力信息網(wǎng)絡簡化之后的結(jié)構(gòu)圖，管理層通常使用雙環(huán)以太網(wǎng)，此處為了便于計算處理，將其看做一個單環(huán)狀的以太網(wǎng)。設(shè)備層則是用單根CAN總線組網(wǎng)并連接了區(qū)域管理、保護模塊、顯示與測量等模塊。

3.1節(jié)點脆弱性分析

分析網(wǎng)絡特性，對信息網(wǎng)絡進行建模并將實際的信息網(wǎng)絡抽象成圖，對給定的一個由28個節(jié)點組成的信息網(wǎng)絡，分析脆弱性主要按如下步驟進行：將每個獨立的終端設(shè)備都看成一個信息元，并將其抽象為點，確定網(wǎng)絡模型的節(jié)點并編號；將每條光纖傳輸線路抽象成線，形成一個簡單圖。

根據(jù)拓撲圖寫出對應的關(guān)聯(lián)矩陣，導出矩陣文件，選取復雜網(wǎng)絡理論中的介數(shù)指標進行網(wǎng)絡拓撲脆弱性的計算，將節(jié)點介數(shù)用參數(shù)bi表示，以此反映節(jié)點在拓撲圖中的重要程度；分析具體設(shè)備的脆弱性，在這個信息網(wǎng)絡中，主要是針對集控臺和交換機設(shè)備的可靠性【10】計算，根據(jù)可靠性理論計算每臺設(shè)備的可靠性，并用參數(shù)ai表示；將以上兩個脆弱性因素進行歸一化，可得到每一個節(jié)點的脆弱性[11]，由于與均滿足比值越大，線路的脆弱性越大，故可將用下式表示

其中，參數(shù)（1-i）表示節(jié)點的物理脆弱性，b表示節(jié)點的拓撲脆弱性，（1-i）max表示設(shè)備最高脆弱性，在這里取理想值為1，b表示最大的節(jié)點介數(shù)，V表示節(jié)點在這個網(wǎng)絡中相對的脆弱程度。

整個通信網(wǎng)節(jié)點的相對平均脆弱程度用(vi)表示:

經(jīng)過計算，(v1)=0.02518045。

3.2 鏈路脆弱性分析

在該船舶電力信息網(wǎng)絡中，光纖作為主要的傳輸媒介，它的脆弱性影響著整個傳輸線路的脆弱性。鏈路脆弱性的計算過程類似于節(jié)點脆弱性，如下：根據(jù)光纖類型和線路長度計算光纖線路的物理脆弱性，在這里，將每段鏈路視為同等長度以及相同類型，故每段鏈路的物理脆弱性相同均為a;采用邊介數(shù)參數(shù)b來描述鏈路脆弱性;類似于節(jié)點脆弱性，將以上兩個脆弱性因素進行歸一化得到單條傳輸線路的脆弱性V【11】

其中，（1-a）表示鏈路的物理脆弱性，b表示鏈路的拓撲脆弱性，（1-a）max表示鏈路最高的物理脆弱性，取理想值為1，b表示網(wǎng)絡中的最大邊介數(shù)，，示單條鏈路在這個網(wǎng)絡中的相對脆弱程度。

整個通信鏈路的相對平均脆弱程度用(vs)表示

經(jīng)過計算，(Vsi1)=0.162904329018。

以上計算得到的數(shù)據(jù)并不是一個絕對的值，而是一種相對值，脆弱性為“0”并不表示某節(jié)點或鏈路完全可靠，而是說該節(jié)點或鏈路在所有節(jié)點中對船舶信息網(wǎng)絡特性影響最小。

可以直觀的判斷出以上網(wǎng)絡中最脆弱的節(jié)點為3、4、5、6，最脆弱的鏈路為3-4和5-6，下面我們可以對網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)做出適當?shù)恼{(diào)整，定量地用數(shù)據(jù)檢驗拓撲結(jié)構(gòu)的改變是否可以優(yōu)化信息網(wǎng)絡。

4 船舶電力信息網(wǎng)絡的拓撲優(yōu)化

將信息網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)調(diào)整為下圖所示。

由圖3可知，優(yōu)化后的船舶電力信息網(wǎng)結(jié)構(gòu)是將單根的CAN總線變?yōu)镃AN雙總線。由于最脆弱節(jié)點為3、4、5、6，故考慮將這幾個節(jié)點上的單總線變?yōu)殡p總線，雖然從直觀上分析，雙總線有利于提高網(wǎng)絡性能，但我們?nèi)孕柙诤罄m(xù)的步驟中定量驗證該做法能否降低該船舶電力信息網(wǎng)絡的脆弱性。

計算步驟按照原信息網(wǎng)絡的節(jié)點脆弱性及鏈路脆弱性方法進行。

(v2)=0.01286079

(Vsi2)=0.111067498832

將兩種結(jié)構(gòu)下分別得到的信息網(wǎng)絡節(jié)點相對平均脆弱程度和鏈路相對平均脆弱程度進行比較如下表1：

由以上計算得到的的數(shù)據(jù)綜合比較可知：調(diào)整后用雙總線的信息網(wǎng)最脆弱節(jié)點由（3,4,5,6）四個變成了（4,5）兩個，最脆弱鏈路由（3-4,5-6）兩條變成了（4-5）一條，并且整個網(wǎng)絡的節(jié)點相對平均脆弱程度E(v)和鏈路相對脆弱程度E(Vsi)均降低。雙總線的網(wǎng)絡脆弱性比單總線信息網(wǎng)絡脆弱性低，以上對網(wǎng)絡的拓撲調(diào)整使得整個電力信息網(wǎng)絡性能得到優(yōu)化。

5 結(jié)束語

在本文中運用了復雜網(wǎng)絡的分析方法定量地對船舶電力信息網(wǎng)絡的脆弱性進行分析，并提出采用介數(shù)指標來表征網(wǎng)絡的拓撲脆弱性，分別對物理脆弱性和拓撲脆弱性進行了計算，最后將二者歸一化來表征節(jié)點和鏈路的脆弱性。通過圖表中的數(shù)據(jù)，我們可以得到各個節(jié)點和各條鏈路的脆弱性排名，找出最脆弱的節(jié)點和最脆弱的鏈路，并對相應的船舶電力信息網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)進行了適當優(yōu)化來降低整個網(wǎng)絡的脆弱性，使得其性能得到一定的提高。

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Vulnerability Analysis of Shipboard Electric Power Information Network

Yang Han1, Ye Zhihao1, Mei Dan2, Xiao Han1

(1.National Key laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. College of science, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Vulnerability analysis of shipboard electric power information network for ensuring safe, stable and efficient operation of shipboard electric power has great significance. In this paper, on the basis of the theory of complex networks, the vulnerability of the shipboard electric power information network is studied. Firstly, the paper abstracts the topological structure of a specific ship power information network, and then calculats the vulnerability and fragility of information network nodes and link circuit of the use of complex networks theory on this basis, whereby the entire network to identify the most vulnerable part. The results show that the study could provide a basis for optimizing design of the electric power information network, and then the topologies are optimized to improve in terms of the information network.

shipboard; complex network; electric power information network; vulnerability

TM73

A

1003-4862（2016）03-0063-05

2015-11-09

國家自然科學基金資助項目（51377167）

楊晗（1990-），女，碩士研究生。研究方向：電力系統(tǒng)保護與安全運行。