顧凌楓, 何 明, 陳國(guó)友, 季敏惠, 劉錦濤

(1. 陸軍工程大學(xué)指揮控制工程學(xué)院, 江蘇 南京 210001; 2. 江蘇省公安廳, 江蘇 南京 210001)

0 引 言

無(wú)人機(jī)集群(unmanned aerial vehicle swarm, UAVS)是由一定數(shù)量的無(wú)人機(jī)(unmanned aerial vehicle, UAV)組成,以交感網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ),整體具有自組織特性的空中移動(dòng)多智能體系統(tǒng)[1]。在偵察、監(jiān)視、搜救、作戰(zhàn)等方面,UAVS具有廣闊的應(yīng)用前景[2],引起了廣泛關(guān)注[3]。

UAVS領(lǐng)域現(xiàn)有研究主要集中于改進(jìn)任務(wù)執(zhí)行性能,如集群拓?fù)湓O(shè)計(jì)[4]、協(xié)同控制[5-6]、路徑規(guī)劃[7-8]、任務(wù)規(guī)劃[9-11]等。上述研究普遍默認(rèn)UAVS處于無(wú)干擾環(huán)境,但在現(xiàn)實(shí)情況中,UAVS運(yùn)行環(huán)境中存在著大量擾動(dòng),這些擾動(dòng)可以分為外部因素和內(nèi)部因素。外部因素包括惡劣天氣影響、人為干擾破壞[12]等;內(nèi)部因素包括組件故障、通信中斷等。擾動(dòng)會(huì)造成UAVS網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)失效、鏈路中斷等問(wèn)題,進(jìn)而導(dǎo)致集群網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變動(dòng),影響UAVS任務(wù)執(zhí)行性能。擾動(dòng)具有不可預(yù)測(cè)性,包括擾動(dòng)來(lái)源、擾動(dòng)范圍以及擾動(dòng)造成后果的隨機(jī)性和不可預(yù)測(cè)性;擾動(dòng)同時(shí)具有不可避免性,即對(duì)于UAVS要做好必然遭受擾動(dòng)的準(zhǔn)備。因此,對(duì)UAVS承受擾動(dòng)能力進(jìn)行考察,是十分有必要的。

已經(jīng)有部分研究開(kāi)始關(guān)注UAVS應(yīng)對(duì)擾動(dòng)的方法,并提出了相關(guān)指標(biāo)。文獻(xiàn)[13]將抗毀性引入多智能體系統(tǒng)中,通過(guò)K-連通性和系統(tǒng)能耗兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗毀性設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[14]提出了UAVS魯棒性指標(biāo),用于衡量集群遭受攻擊后維持原有功能的能力。文獻(xiàn)[15-16]分別從UAV自身和集群網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬煞矫娣治隽薝AVS的可靠性。上述幾類(lèi)評(píng)估指標(biāo)從不同維度對(duì)UAVS承受擾動(dòng)的能力進(jìn)行了描述,但并不能反映集群從遭受破壞到恢復(fù)性能的完整過(guò)程。

近年來(lái),彈性概念開(kāi)始逐步應(yīng)用到UAVS研究中[17-18]。與上述指標(biāo)相比,彈性考慮了系統(tǒng)從受損到恢復(fù)的全過(guò)程,可以更好地衡量應(yīng)對(duì)方法的有效性,并對(duì)UAVS抵御干擾能力進(jìn)行全面評(píng)估。

本文對(duì)UAVS彈性研究和發(fā)展進(jìn)行了綜述。首先介紹了UAVS的理論研究現(xiàn)狀和相關(guān)概念,對(duì)彈性的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了概述,進(jìn)而提出了UAVS彈性的定義,并與近似指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比分析,說(shuō)明了在UAVS中引入彈性的意義。進(jìn)一步,對(duì)集群性能曲線、性能指標(biāo)選取和彈性定量指標(biāo)選取進(jìn)行述評(píng),對(duì)當(dāng)前提升集群彈性的措施進(jìn)行了概述,為UAVS彈性研究提供了一個(gè)較為完整的框架。最后,對(duì)集群彈性未來(lái)研究的主要問(wèn)題和方向進(jìn)行了討論。

1 UAVS復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型

通?；趶?fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論對(duì)UAVS進(jìn)行建模,把各UAV視為節(jié)點(diǎn),UAV之間的聯(lián)系視為邊(本文假定UAV通信為雙向鏈路),集群的動(dòng)態(tài)變化視為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和邊的變化,從而將集群系統(tǒng)視為一類(lèi)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)[13-14,17-18]。根據(jù)控制算法的不同[5-6,19],集群網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)也會(huì)不同,一類(lèi)簡(jiǎn)化的集群網(wǎng)絡(luò)如圖1(a)所示。在擾動(dòng)階段,通過(guò)移除失效節(jié)點(diǎn)vi和與之相連的邊{vi,vj},建立集群遭受擾動(dòng)時(shí)的模型,如圖1(b)所示,陰影節(jié)點(diǎn)為失效節(jié)點(diǎn),虛線邊為失效邊。根據(jù)移除節(jié)點(diǎn)的重要性不同(通常按照節(jié)點(diǎn)度、介數(shù)、集聚系數(shù)等分類(lèi))[20],擾動(dòng)對(duì)于集群的破壞程度也不同。圖1(c)表示集群一類(lèi)恢復(fù)模型,紅邊為增加邊。將圖論引入U(xiǎn)AVS網(wǎng)絡(luò)研究,可以對(duì)UAVS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步分析[21-24]。集群網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)和邊組成頂點(diǎn)集V和邊集E。繼而,UAVS可以抽象表示為圖G={V,E}。在集群中,UAV只與自身通信范圍內(nèi)的UAV進(jìn)行信息交互,因此UAVS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆挚蓺w類(lèi)于鄰近圖[25],即邊{vi,vj}∈E當(dāng)且僅當(dāng)vj處于vi鄰域內(nèi)。通過(guò)拉普拉斯矩陣[23,26]等工具,可以對(duì)集群性質(zhì)進(jìn)行有效分析。

圖1 UAVS系統(tǒng)建模

2 UAVS彈性的概念

彈性用于衡量系統(tǒng)或者實(shí)體在遭受破壞后恢復(fù)到正常狀態(tài)的能力[27]。彈性概念由生態(tài)學(xué)家Holling提出[28],并將其引入到工程領(lǐng)域[29],隨后開(kāi)始應(yīng)用到基礎(chǔ)設(shè)施[30]、通信網(wǎng)絡(luò)[31]、物流網(wǎng)絡(luò)[32]等領(lǐng)域,將其建模為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行彈性研究[33]。彈性指系統(tǒng)對(duì)變化因素有準(zhǔn)備和規(guī)劃,可以承受、吸收擾動(dòng),并具有從擾動(dòng)中恢復(fù)的能力[34]。

近年來(lái),隨著UAVS研究逐步由理論走向?qū)嵺`,擾動(dòng)也成為UAVS實(shí)際應(yīng)用中需要考慮的重要因素。UAVS自組織特性使得集群對(duì)于擾動(dòng)具有一定適應(yīng)性和恢復(fù)力。傳統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)并不能預(yù)測(cè)復(fù)雜環(huán)境中的未知擾動(dòng),且不具備成本效益[35]。魯棒性和抗毀性指標(biāo)并不能反映集群自適應(yīng)和恢復(fù)能力。彈性可以對(duì)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)未知擾動(dòng)以及系統(tǒng)從擾動(dòng)中恢復(fù)的能力進(jìn)行評(píng)估,因此將彈性概念引入U(xiǎn)AVS中更為合適。

UAVS彈性指的是集群在遭受擾動(dòng)(例如電磁干擾、組件故障)的情況下,能否及時(shí)降低損失,并盡快恢復(fù)至預(yù)期性能的能力。從廣義上講,UAVS彈性包含UAV自身彈性和集群網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸椥詢刹糠帧AV自身彈性指UAV個(gè)體抵御擾動(dòng)并從擾動(dòng)中恢復(fù)至理想狀態(tài)的能力;UAVS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸椥灾讣壕W(wǎng)絡(luò)拓?fù)湮諗_動(dòng),并能從擾動(dòng)產(chǎn)生的破壞中及時(shí)恢復(fù)到預(yù)期性能的能力。由于UAVS的理論研究通常把UAV視為智能體[36],并沒(méi)有太多考慮UAV自身變化,因此對(duì)于集群彈性的研究也主要關(guān)注較為狹義的集群彈性概念,即UAVS的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸椥?。本文中的UAVS彈性特指較為狹義的彈性概念。為便于理解,以第1節(jié)圖1舉例,集群在擾動(dòng)階段能保持的連通子圖越大,在恢復(fù)階段失聯(lián)節(jié)點(diǎn)連接時(shí)間越短,說(shuō)明該集群彈性越高。

在UAVS中,還存在除上述指標(biāo)以外的生存性[31]、容錯(cuò)性[37]等屬性。這些屬性從不同角度對(duì)UAVS特性進(jìn)行刻畫(huà),區(qū)分并不明顯[31]。彈性與這些概念相比,既有重疊[27],也有更進(jìn)一步的發(fā)展。

在UAVS屬性描述中,魯棒性與彈性的區(qū)分最為關(guān)鍵。魯棒性是UAVS中較為常見(jiàn)的度量指標(biāo),可以有效衡量集群在面臨已知擾動(dòng)中承受少量節(jié)點(diǎn)或者鏈路損失的能力,常用的魯棒性指標(biāo)通常綜合節(jié)點(diǎn)度、聚類(lèi)系數(shù)等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算[14]。通過(guò)增加節(jié)點(diǎn)和鏈路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)冗余等方法,集群可以達(dá)到很高的魯棒性指標(biāo)。然而,該集群并不一定擁有高彈性,因?yàn)轸敯粜灾笜?biāo)并沒(méi)有反映集群遭受擾動(dòng)后的恢復(fù)時(shí)效和面對(duì)未知擾動(dòng)時(shí)的性能變化。如果在發(fā)生較大規(guī)模破壞后,集群不能在有限時(shí)間內(nèi)恢復(fù)拓?fù)?可以認(rèn)為該集群彈性并不高?？偟膩?lái)說(shuō),相比于魯棒性,彈性可以更加全面地反映集群受損和恢復(fù)的能力,可以評(píng)估應(yīng)對(duì)威脅的各種措施,彈性概念涵蓋了魯棒性。

通過(guò)彈性指標(biāo)可以對(duì)UAVS應(yīng)對(duì)各類(lèi)擾動(dòng)的能力進(jìn)行定量反映,繼而可以研究不同網(wǎng)絡(luò)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與恢復(fù)措施對(duì)于集群應(yīng)對(duì)擾動(dòng)的提升作用并進(jìn)行比較,從而對(duì)集群對(duì)于擾動(dòng)的應(yīng)對(duì)能力進(jìn)行總體評(píng)估,對(duì)于UAVS進(jìn)一步走向?qū)嶋H應(yīng)用具有推動(dòng)作用。

3 UAVS彈性評(píng)估方法

本節(jié)給出了UAVS性能變化曲線、性能選取指標(biāo)以及彈性定量指標(biāo)。

3.1 UAVS性能變化曲線

UAVS彈性研究主要關(guān)注兩個(gè)部分:一是吸收擾動(dòng)的能力,二是從擾動(dòng)中恢復(fù)的能力。通過(guò)魯棒性和快速性兩個(gè)彈性屬性,可以對(duì)上述兩部分能力進(jìn)行評(píng)估。魯棒性在第2節(jié)中已有相關(guān)介紹,在此不做贅述;快速性用于衡量集群網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖購(gòu)脑馐軘_動(dòng)恢復(fù)到預(yù)期性能的能力。結(jié)合上述兩個(gè)屬性,利用集群在擾動(dòng)中的性能變化曲線,可以度量集群的彈性指標(biāo)。

UAVS在擾動(dòng)過(guò)程中的典型性能變化曲線如圖2所示[17-18]。在t0時(shí)刻,當(dāng)UAVS正常運(yùn)行時(shí),可以認(rèn)為集群性能為100%。在t1時(shí)刻,集群受到擾動(dòng),性能會(huì)出現(xiàn)降級(jí);在tmin時(shí)刻,集群性能到達(dá)最低值Qmin。通過(guò)執(zhí)行恢復(fù)策略或擾動(dòng)減弱,性能逐漸上升,至t2時(shí)刻恢復(fù)至穩(wěn)定水平Qfinal,直到觀察期tend結(jié)束。

圖2 UAVS擾動(dòng)中的性能變化曲線

3.2 UAVS性能選取指標(biāo)

在當(dāng)前研究中,UAVS性能通常指集群執(zhí)行或完成特定任務(wù)的能力,例如在聯(lián)合偵察任務(wù)中,用集群感知區(qū)域大小作為性能指標(biāo)[18];在搜索-攻擊任務(wù)中,用戰(zhàn)場(chǎng)覆蓋率和目標(biāo)存活時(shí)間衡量集群性能[38]。UAVS通過(guò)內(nèi)部的信息交互反饋實(shí)現(xiàn)自組織并執(zhí)行任務(wù),因此上述性能的選取可以認(rèn)為是以集群的信息交換能力為基礎(chǔ)[39],結(jié)合特定任務(wù)分別增加相關(guān)指標(biāo)。具體可表示為:UAVS性能Q=集群信息交換能力QE+任務(wù)執(zhí)行能力QP。QE一般以集群網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎嚓P(guān)參數(shù)或集群內(nèi)信息流量作為指標(biāo),文獻(xiàn)[40-41]用網(wǎng)絡(luò)連通性表達(dá)QE,以此反映任務(wù)完成的可能性,文獻(xiàn)[18]引入U(xiǎn)AV數(shù)量(可抽象為節(jié)點(diǎn)數(shù)量)、UAV鄰居數(shù)量(可抽象為節(jié)點(diǎn)度)用于度量QE，文獻(xiàn)[17,42]則用集群內(nèi)接收或交換的信息總量對(duì)QE進(jìn)行評(píng)估。QP則以具體任務(wù)設(shè)定指標(biāo),表1給出了在幾類(lèi)任務(wù)中UAVS的性能選取指標(biāo)。

表1 執(zhí)行不同任務(wù)中UAVS性能指標(biāo)選取

3.3 適用于UAVS的彈性定量指標(biāo)

3.3.1 以網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮?shù)定義彈性指標(biāo)

該方法通過(guò)選取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲锌沙惺艿淖畲蠊收瞎?jié)點(diǎn)數(shù)[43]、受擾動(dòng)后的最大連通子圖相對(duì)大小[44]等參數(shù)的函數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)彈性進(jìn)行度量。這類(lèi)彈性研究表述方式簡(jiǎn)單直觀,可以體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在受擾動(dòng)后的相關(guān)參數(shù)變化趨勢(shì),但該方法沒(méi)有考慮UAVS特性,且無(wú)法反映網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)過(guò)程,僅適用于從復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型角度進(jìn)行簡(jiǎn)單彈性分析。文獻(xiàn)[45]在最大連通子圖的基礎(chǔ)上作出了改進(jìn),但是仍然無(wú)法體現(xiàn)彈性的完整定義。

3.3.2 以性能累積變化定義彈性指標(biāo)

此方法將彈性指標(biāo)定義為網(wǎng)絡(luò)在觀察期內(nèi)的總體性能變化,用積分形式[46]表示為

(1)

在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中,Q(t)通過(guò)離散時(shí)間步長(zhǎng)獲得,因此上述彈性還可以表示為

(2)

以性能累積變化的彈性指標(biāo)反映了性能的動(dòng)態(tài)變化,可以完整地體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)吸收擾動(dòng)和從擾動(dòng)中恢復(fù)的過(guò)程,普遍運(yùn)用于系統(tǒng)彈性度量,但單純的指標(biāo)值并不能精確地反映魯棒性和快速性,需要結(jié)合性能變化曲線考察。

3.3.3 考慮魯棒性和快速性的彈性指標(biāo)

該指標(biāo)基于性能變化曲線,綜合考慮了集群網(wǎng)絡(luò)的總體性能變化α、魯棒性β、快速性τ和恢復(fù)度γ。其中,

(3)

(4)

(5)

(6)

文獻(xiàn)[18]分別從擾動(dòng)階段和恢復(fù)階段進(jìn)行考慮,將α分為擾動(dòng)時(shí)的性能變化α1和恢復(fù)時(shí)的性能變化α2,將τ表示為吸收快速性τ1和恢復(fù)快速性τ2,進(jìn)而將彈性指標(biāo)定義為

R3=α1τ1β+α2τ2γ

(7)

Tran等人[39]考慮到了網(wǎng)絡(luò)的波動(dòng)性,提出了波動(dòng)因子θ,并將彈性指標(biāo)表述為

(8)

對(duì)于遭受多次擾動(dòng)的情況,可以對(duì)每次擾動(dòng)時(shí)的系統(tǒng)彈性值加權(quán)求和得出總彈性值。此類(lèi)指標(biāo)可以較為完整準(zhǔn)確地體現(xiàn)集群彈性的定義。

在后續(xù)的研究中,可以在上述主要基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的彈性研究基礎(chǔ)上,進(jìn)一步納入U(xiǎn)AV自身特征,例如UAV通信功率調(diào)整成本對(duì)集群續(xù)航的影響等。

4 提升集群彈性的措施

擾動(dòng)會(huì)影響集群網(wǎng)絡(luò)的信息交換能力,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)和鏈路出現(xiàn)缺失,進(jìn)而影響集群性能。根據(jù)UAVS彈性定義,從提高吸收擾動(dòng)能力和恢復(fù)能力兩方面對(duì)提升措施進(jìn)行闡述。

4.1 提高集群吸收擾動(dòng)能力的措施

提高集群吸收擾動(dòng)能力主要指采取相關(guān)策略,盡可能減少集群受損范圍,保持預(yù)期性能。根據(jù)遭受擾動(dòng)時(shí)間點(diǎn)的不同,本節(jié)從擾動(dòng)發(fā)生前和擾動(dòng)階段對(duì)提高吸收能力進(jìn)行概述。

擾動(dòng)發(fā)生前采取的措施主要是對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。一是將集群進(jìn)行分區(qū),每個(gè)區(qū)根據(jù)相關(guān)指標(biāo)動(dòng)態(tài)選取該區(qū)域的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),其余節(jié)點(diǎn)作為邊緣節(jié)點(diǎn),邊緣節(jié)點(diǎn)僅與該區(qū)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互[22,47],以獲得更靈活的通信結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)更高的連通性。另外,通過(guò)提高關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)間的通信冗余度,可以進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漪敯粜訹48]。二是采用切換通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),當(dāng)擾動(dòng)造成拓?fù)渥兓瘯r(shí),可以及時(shí)建立新的可靠連接[49]。

在UAVS中,UAV之間通過(guò)自組網(wǎng)技術(shù)[50-52]進(jìn)行信息交換,因此網(wǎng)絡(luò)的性能與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化密切相關(guān)。在擾動(dòng)階段,通過(guò)引入鏈路狀態(tài)預(yù)測(cè)和中斷/延遲容忍網(wǎng)絡(luò)(delay tolerant networks, DTN),改善擾動(dòng)狀態(tài)下的集群網(wǎng)絡(luò)性能,進(jìn)而提高網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的魯棒性。鏈路狀態(tài)預(yù)測(cè)用于發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的連接情況[53]、鏈路質(zhì)量[54]和鏈路穩(wěn)定性[55],進(jìn)而采用鏈路優(yōu)化等方式進(jìn)行重連。近年,機(jī)器學(xué)習(xí)[56]、深度學(xué)習(xí)[57]方法開(kāi)始引入鏈路預(yù)測(cè)中,用于分析未知擾動(dòng)和拓?fù)浒l(fā)生頻繁變化的網(wǎng)絡(luò)。DTN通過(guò)“擺渡”節(jié)點(diǎn)執(zhí)行“存儲(chǔ)-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)”協(xié)議實(shí)現(xiàn)受限網(wǎng)絡(luò)中的信息傳遞[58],適用于高延遲、不可靠連接網(wǎng)絡(luò),對(duì)于解決UAVS網(wǎng)絡(luò)因高速運(yùn)動(dòng)、復(fù)雜環(huán)境擾動(dòng)造成的拓?fù)渥兓?、通信中斷具有很?qiáng)的實(shí)用意義。

4.2 提高集群恢復(fù)能力的措施

提高恢復(fù)能力是指在恢復(fù)階段,UAVS執(zhí)行相關(guān)策略,盡快達(dá)到或者接近預(yù)期性能。UAVS自組織算法允許UAVS在出現(xiàn)個(gè)別UAV或鏈路故障時(shí)逐步恢復(fù)到新的穩(wěn)定狀態(tài)[59]。采用相關(guān)恢復(fù)策略可以進(jìn)一步提高集群恢復(fù)能力。一是執(zhí)行邊重連策略[26],失聯(lián)UAV采用隨機(jī)連接到附近UAV、優(yōu)先加入節(jié)點(diǎn)度較高的UAV等方式重新加入集群。二是采用鏈路評(píng)估算法,調(diào)整節(jié)點(diǎn)度分布使集群趨于穩(wěn)定[21]。上述兩類(lèi)方式主要通過(guò)提高UAV通信功率實(shí)現(xiàn),圖1(c)顯示了v5失效后,孤立節(jié)點(diǎn)v7通過(guò)增大功率與節(jié)點(diǎn)v4相連以重新加入集群。三是采用自修復(fù)算法,檢測(cè)損壞UAV,采用遞歸修復(fù)[22,60]、冗余節(jié)點(diǎn)備份[61]等方式用邊緣UAV、備份UAV代替損壞的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)UAV。

通過(guò)防護(hù)策略和恢復(fù)策略的配合,UAVS可以有效提高魯棒性和快速性,從而提高UAVS彈性。

5 未來(lái)研究關(guān)鍵問(wèn)題和主要方向

UAVS領(lǐng)域相關(guān)研究方興未艾,對(duì)于UAVS系統(tǒng)彈性研究也正處于起步階段。針對(duì)當(dāng)前有限的UAVS系統(tǒng)彈性研究現(xiàn)狀,提出以下關(guān)鍵問(wèn)題及研究方向,以期為后續(xù)研究提供參考,推動(dòng)UAVS真正走向?qū)嶋H運(yùn)用。

5.1 對(duì)集群遭受大規(guī)模破壞和集群崩潰邊界的研究

崩潰邊界是指集群可以承受的擾動(dòng)范圍,即最多可以接受多少節(jié)點(diǎn)和鏈路的損失,剩余節(jié)點(diǎn)在有限時(shí)間內(nèi)仍可以通過(guò)相關(guān)策略繼續(xù)執(zhí)行并完成任務(wù)。

在當(dāng)前的研究中,對(duì)于UAVS所遭受的擾動(dòng)主要從集群小規(guī)模受損方面考慮。然而,UAVS會(huì)用于執(zhí)行一些危險(xiǎn)任務(wù),在執(zhí)行這些任務(wù)的過(guò)程中,不乏一些會(huì)對(duì)集群造成重大破壞的因素(例如飽和攻擊、電磁干擾),導(dǎo)致集群出現(xiàn)大規(guī)模的節(jié)點(diǎn)失效和鏈路中斷,迅速達(dá)到崩潰邊界。集群是否可以從這樣的破壞中恢復(fù)預(yù)期性能,同樣也是彈性的研究?jī)?nèi)容。

5.2 UAVS特性與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合

對(duì)于UAVS彈性的研究方法目前還處于理想化階段,主要采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行研究,每個(gè)UAV通常都被抽象成為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。但在實(shí)際應(yīng)用中,UAVS需要考慮諸多約束條件,例如有限的通信范圍、UAV動(dòng)力學(xué)模型[62-63]、姿態(tài)控制、戶外風(fēng)擾動(dòng)[64]等。此外,對(duì)于集群的擾動(dòng)也通常從復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)角度出發(fā),按照節(jié)點(diǎn)的重要性,將擾動(dòng)分為隨機(jī)失效和惡意攻擊。但是現(xiàn)實(shí)中的擾動(dòng)(如導(dǎo)彈攻擊)會(huì)對(duì)整個(gè)殺傷半徑內(nèi)的UAV造成傷害,此時(shí)應(yīng)更多考慮將集群自組織特性應(yīng)用到集群恢復(fù)策略中。

5.3 集群彈性的整體評(píng)估方法

在UAVS中引入彈性概念不僅是為了衡量集群在特定任務(wù)中對(duì)于擾動(dòng)的響應(yīng),更是為了從整體上描述集群應(yīng)對(duì)各項(xiàng)擾動(dòng)的能力。事實(shí)上,一類(lèi)完整的任務(wù)執(zhí)行過(guò)程不僅指到達(dá)指定地點(diǎn)執(zhí)行指定任務(wù),還需要完成準(zhǔn)備階段的投放集結(jié)、協(xié)同控制、路徑規(guī)劃、避碰避障等任務(wù)。在這些準(zhǔn)備階段,集群同樣面臨擾動(dòng),而目前的研究主要集中于任務(wù)執(zhí)行階段。整體評(píng)估就是要從整個(gè)任務(wù)執(zhí)行過(guò)程出發(fā),根據(jù)集群在每個(gè)階段的行為特征,構(gòu)造完整的擾動(dòng)場(chǎng)景集合,對(duì)集群彈性進(jìn)行評(píng)估。

6 結(jié) 論

隨著UAVS逐步由理論走向?qū)嵺`,UAVS受到的各種擾動(dòng)也開(kāi)始成為研究熱點(diǎn)。本文總結(jié)了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)彈性的相關(guān)文獻(xiàn),并應(yīng)用于UAVS中,介紹了集群彈性的概念、意義、評(píng)估方法以及防護(hù)和恢復(fù)措施。針對(duì)現(xiàn)有集群彈性評(píng)估、恢復(fù)策略等研究應(yīng)用于實(shí)際場(chǎng)景和重大破壞時(shí)的不足,本文提出了UAVS的關(guān)鍵問(wèn)題和可能的研究方向,為后續(xù)的研究提供了相關(guān)參考。