高德君，戚張豪

(華東理工大學(xué)，上海 200237)

1 引言

專網(wǎng)通信是一些單位、部門或者行業(yè)內(nèi)部為了滿足有組織的指揮調(diào)度、安全生產(chǎn)以及管理等所構(gòu)建的通信網(wǎng)絡(luò)。專網(wǎng)通信的規(guī)模迅速擴(kuò)大，其技術(shù)水平和公網(wǎng)同步發(fā)展，已經(jīng)逐漸成為了電信市場非常重要的支撐力量。專網(wǎng)的通信系統(tǒng)一般分為三個(gè)階層：一是終端層，主要為用戶使用的終端，完成數(shù)據(jù)采集與上傳的終端等。二是系統(tǒng)層，系統(tǒng)層是完成終端數(shù)據(jù)的路由交換功能，且利用外網(wǎng)關(guān)設(shè)備和外網(wǎng)進(jìn)行連接。三是應(yīng)用層，具有基于系統(tǒng)層開放的應(yīng)用層接口，面向用戶應(yīng)用場景開發(fā)具體應(yīng)用設(shè)備。

文獻(xiàn)[1]構(gòu)建了核應(yīng)急雙層指揮網(wǎng)絡(luò)，基于級(jí)聯(lián)失效模型，分析不同攻擊強(qiáng)度下核事故應(yīng)急指揮網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)失效規(guī)模變化情況，做好應(yīng)急工作的重要保障，提高網(wǎng)絡(luò)魯棒性。文獻(xiàn)[2]分析了從生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)性能化到運(yùn)營效能化的演進(jìn)趨勢，對我國建筑消防設(shè)施可靠性管理存在的問題進(jìn)行了分析，基于項(xiàng)目全壽命周期理論，建立建筑消防設(shè)施全壽命周期的可靠性管理體系，提高消防資源的費(fèi)效比。文獻(xiàn)[3]針對交通運(yùn)輸移動(dòng)應(yīng)急通信指揮管理網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的架構(gòu)進(jìn)行探討，在突發(fā)事件中實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信息的實(shí)時(shí)采集與傳輸，全面掌握應(yīng)急現(xiàn)場信息，為交通運(yùn)輸災(zāi)害應(yīng)急工作提供參考。

由于上述方法核心的軟硬件自主開發(fā)能力較弱、病毒的感染風(fēng)險(xiǎn)比較大、信息傳輸?shù)陌踩员容^差等問題，這些都有可能導(dǎo)致專網(wǎng)通信系統(tǒng)出現(xiàn)故障，通信出現(xiàn)延時(shí)，丟失，甚至可能出現(xiàn)停止通信的現(xiàn)象。這很可能妨礙火災(zāi)應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)中的信息溝通，無法及時(shí)完成救援。為此，本文提出了一種火災(zāi)應(yīng)急指揮網(wǎng)通信可靠性仿真分析方法，構(gòu)建的通信可靠性仿真模型，實(shí)現(xiàn)消防應(yīng)急指揮專網(wǎng)引入通信可靠性分析。

2 構(gòu)建消防應(yīng)急指揮專網(wǎng)模型

2.1 消防人員節(jié)點(diǎn)的通信距離計(jì)算

通信距離就是消防人員節(jié)點(diǎn)間地理距離，若干個(gè)消防人員節(jié)點(diǎn)vi和vj處于應(yīng)急地域中的坐標(biāo)分別是(xi，yi)和(xj，yj)，其中xi∈X-U(0，K)，yi∈Y-U(0，K)，那么兩點(diǎn)之間的歐式距離公式為

(1)

式中：dij代表骨干節(jié)點(diǎn)的通信距離。

消防人員的最大通信距離是中繼設(shè)備的互通距離，由通信設(shè)備的性能決定。只有當(dāng)兩個(gè)消防員節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)際通信距離小于最大通信距離時(shí)，才能進(jìn)行通信，即dij

2.2 聚集度系數(shù)

聚合系數(shù)主要用于控制消防員的最小部署距離dmin，即網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)布局過程中設(shè)定的最小距離限制。采用消防員節(jié)點(diǎn)的最小部署距離來限制節(jié)點(diǎn)的分散，并增加約束dij>dmin以防止消防員在區(qū)域內(nèi)的隨機(jī)分散距離過小。

(2)

式中：本文定義的系數(shù)用聚集系數(shù)α表示，通過β調(diào)整[5]可以得到不同離散度α的節(jié)點(diǎn)。

2.3 通信設(shè)備的技術(shù)參數(shù)

如果需要根據(jù)通信設(shè)備的性能來確定消防員節(jié)點(diǎn)的最大通信距離，則將通信設(shè)備視為一個(gè)變量，使模型更具適應(yīng)性。采用通信設(shè)備的技術(shù)參數(shù)，確認(rèn)消防人員的最大通信距離公式為

α∈(0，+∞)，β∈(1，+∞)

(3)

式中：β代表本文的定義參數(shù)，將其稱之為通信設(shè)備的技術(shù)參數(shù)，利用控制β大小，能夠整體反應(yīng)出通信設(shè)施技術(shù)水平以及性能[6]。

2.4 連接偏好的系數(shù)以及消防人員連接概率

依據(jù)上述的假設(shè)，只要隨機(jī)分布在應(yīng)急地域中隨意的兩個(gè)消防人員節(jié)點(diǎn)，滿足了約束條件dmin≤dij≤Rmi，即可擁有構(gòu)建連邊硬件的條件。然而，在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)與兩個(gè)或多個(gè)消防員節(jié)點(diǎn)之間的連接也受到消防員節(jié)點(diǎn)中繼方向的限制。因此，并非所有節(jié)點(diǎn)都能在所有通信距離內(nèi)建立連接。基于以上分析，消防員節(jié)點(diǎn)應(yīng)首先選擇彼此靠近的節(jié)點(diǎn)構(gòu)建邊緣，即而連接偏好的系數(shù)為γ∈(0，1]，那么該系數(shù)就是調(diào)節(jié)消防人員節(jié)點(diǎn)的連接概率具體公式為

(4)

式中，ρij表示節(jié)點(diǎn)的連接概率。當(dāng)任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)能滿足中繼的一跳范圍dmin≤dij≤Rmax時(shí)，節(jié)點(diǎn)間存在連接邊的概率；當(dāng)任意兩對節(jié)點(diǎn)之間的距離dij

(5)

節(jié)點(diǎn)間的連接概率受α和γ的影響。距離越小，邊緣連接的概率越高。反之，距離越大，消防員節(jié)點(diǎn)的連通概率越小[7]。

通過調(diào)整相鄰連接偏好的強(qiáng)度γ，相關(guān)偏好系數(shù)提高了偏好，反之，當(dāng)γ趨于1時(shí)，偏好降低?？紤]了幾種極端情況，包括：

1)在γ=1，dij≤Rmax時(shí)，具體公式為

ρij=γ(dij-dmin)=1

(6)

這時(shí)全部滿足dij

2)在γ≠1，dij=Rmax時(shí)，具體公式為

(7)

3)在γ≠1，dij=dmin時(shí)，具體公式為

ρij=γ(dmin-dmin)=γ0=1

(8)

當(dāng)節(jié)點(diǎn)之間的距離最小時(shí)，邊連接的概率最大[8]。

綜上所述，消防員應(yīng)急指揮網(wǎng)絡(luò)模型如下：

第一步：確定應(yīng)急區(qū)域的基本參數(shù)。

先設(shè)定應(yīng)急的地域范圍K，消防人員的節(jié)點(diǎn)布置個(gè)數(shù)為Nhub，聚集度的系數(shù)為α，計(jì)算出消防人員的節(jié)點(diǎn)最小布置距離dmin。

第二步：布置消防人員的節(jié)點(diǎn)。

起始值i=1，任意生成消防人員的節(jié)點(diǎn)vi坐標(biāo)(xi，yi)，其中：xi∈X，yi∈Y，并且X，Y～U(0，K)是均勻分布的，i=i+1。

隨機(jī)對vi節(jié)點(diǎn)以及vj節(jié)點(diǎn)通信距離dij進(jìn)行計(jì)算，分別生成消防人員節(jié)點(diǎn)的vi坐標(biāo)(xi，yi)，其中j=1，…，i-1，如果vi和隨意節(jié)點(diǎn)之間通信的距離都小于dmin，i=i重復(fù)上面步驟；如果vi和隨意節(jié)點(diǎn)之間的通信距離都比dmin大，并且i

第三步：添加消防員節(jié)點(diǎn)之間的連接邊。

首先，設(shè)置通信設(shè)備的技術(shù)參數(shù)和連接偏好系數(shù)。然后，根據(jù)第二步得到的隨機(jī)節(jié)點(diǎn)之間的距離，計(jì)算隨機(jī)消防員節(jié)點(diǎn)對的連接概率ρij。

生成隨機(jī)數(shù)，在隨機(jī)數(shù)比ρij小時(shí)，那么在消防人員的節(jié)點(diǎn)vi和vj之間添加連邊[9]。

通過以上的方法，即可生成消防應(yīng)急專用指揮網(wǎng)絡(luò)。

3 通信可靠性分析

3.1 網(wǎng)絡(luò)基本可靠度

基本的可靠度，能夠反映出目標(biāo)的無故障概率，即指消防應(yīng)急指揮專網(wǎng)在規(guī)定條件下，在規(guī)定通信的任務(wù)時(shí)間中完成消防人員所需要通信的任務(wù)概率。將其成為時(shí)間函數(shù)，標(biāo)記R(t)，同樣也可以將其稱之為可靠度的函數(shù)，具體公式為

R(t)=ρ(T>t)

(9)

設(shè)置網(wǎng)絡(luò)G(V，E)，v代表G內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)，e代表G內(nèi)的鏈路數(shù)，G(V，E)故障狀態(tài)為v+e+1種，其中，有一種是無故障的狀態(tài)，即設(shè)置節(jié)點(diǎn)以及鏈路都服從指數(shù)的分布，那么第i個(gè)節(jié)點(diǎn)故障率是i=1，…v，而第j個(gè)鏈路故障率是j=1，…e，那么G(V，E)無故障概率，就可以視為網(wǎng)絡(luò)的基本可靠度，具體公式為

Ro(t)=exp(-t/θ0)

(10)

3.2 指揮專網(wǎng)的完成性度數(shù)

表示網(wǎng)絡(luò)G(V，E)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)v和網(wǎng)絡(luò)G中的節(jié)點(diǎn)數(shù)。節(jié)點(diǎn)鏈路e都可能發(fā)生故障，并且彼此獨(dú)立。然后定義任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間保持通信能力而不發(fā)生故障的概率，就是網(wǎng)絡(luò)的可靠度，將其標(biāo)記成RG，具體公式為

(11)

依據(jù)上訴定義，能夠反衍出兩個(gè)子參數(shù)r和j，具體如下所示：

1)網(wǎng)絡(luò)的全端可靠度

定義網(wǎng)絡(luò)G內(nèi)v個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以連接工作，概率為1，視為網(wǎng)絡(luò)全端的可靠度，標(biāo)記成RG全，具體公式為

(12)

2)網(wǎng)絡(luò)端的對端可靠度

如果網(wǎng)絡(luò)G內(nèi)具有通信源s端以及目標(biāo)t端，那么定義網(wǎng)絡(luò)G內(nèi)規(guī)定兩個(gè)節(jié)點(diǎn)s-t間最少具有一條通道概率，就是網(wǎng)絡(luò)端的對端可靠度，將其標(biāo)記成RG端，具體公式為

(13)

3)網(wǎng)絡(luò)的抗毀性

為確保系統(tǒng)不下降能力，網(wǎng)絡(luò)通信處于敵對的環(huán)境下，具體度量子的參數(shù)如下所示：

相對于一個(gè)存在N個(gè)節(jié)點(diǎn)相通網(wǎng)絡(luò)，考慮到網(wǎng)絡(luò)的粘聚度，設(shè)置CHij是斷開節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j間全部路經(jīng)，且必須清除最小的路經(jīng)個(gè)數(shù)，那么網(wǎng)絡(luò)的粘聚度公式為

(14)

網(wǎng)絡(luò)連通性：同樣，假設(shè)這次也代表了節(jié)點(diǎn)i和j間所有路徑的斷開，且必須清除最小的節(jié)點(diǎn)數(shù)，那么網(wǎng)絡(luò)的連通度公式為

(15)

混合的連通系數(shù)：還可以定義一個(gè)混合的連通系數(shù)C，具體公式為

C=min(M)

(16)

式中，M代表混合割集，該鏈接也需要節(jié)點(diǎn)。刪除這些節(jié)點(diǎn)和鏈路后，網(wǎng)絡(luò)可以分成幾個(gè)子網(wǎng)。

3.3 網(wǎng)絡(luò)的可用度參數(shù)

這些數(shù)據(jù)主要描述在維護(hù)條件下，消防應(yīng)急指揮網(wǎng)的連通性保持情況，能夠反映用戶需要時(shí)網(wǎng)絡(luò)提供的通信性能[11-12]。它有兩個(gè)主要參數(shù)，具體如下所示：

1)固有的可用度

考慮到網(wǎng)絡(luò)的基本可靠性，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的固有可靠性，固有的可用度具體公式為

Ai=Avi∏Aej

(17)

2)網(wǎng)絡(luò)的可用度

設(shè)置網(wǎng)絡(luò)G(V，E)，它表示網(wǎng)絡(luò)G中的節(jié)點(diǎn)數(shù)v和網(wǎng)絡(luò)中的鏈路數(shù)e。將其視為可維修的系統(tǒng)，在發(fā)生故障后應(yīng)立即修復(fù)，在沒有需要修理的狀況下，網(wǎng)絡(luò)中斷的維持時(shí)間形成期望均值，表示網(wǎng)絡(luò)平均處于不能工作時(shí)間，具體公式為

(18)

通過以上數(shù)據(jù)信息，能夠完成通信可靠性分析。

4 仿真證明

為了驗(yàn)證本文的通信可靠性分析效果，采用Sniffer-Pro作為數(shù)據(jù)采集工具。根據(jù)不同的閾值給出故障定義和不同的應(yīng)用警告消息，當(dāng)測試不同的任務(wù)時(shí)，需要重置。監(jiān)測時(shí)間為30分鐘。在測試過程中，統(tǒng)計(jì)捕獲數(shù)據(jù)的大小和間隔時(shí)間。具體分配結(jié)果應(yīng)與實(shí)際情況相一致。

在數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)以及告警統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)之上，利用分層指數(shù)法，計(jì)算消防應(yīng)急指揮專網(wǎng)的任務(wù)可靠性水平。

及時(shí)計(jì)算可靠性參數(shù)，對測試內(nèi)產(chǎn)生的告警數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要以延時(shí)故障進(jìn)行舉例，計(jì)算各種告警比率，具體公式為

(19)

權(quán)重值為0.6，0.6，0.4，以此能夠獲得可靠性的指數(shù)，具體如圖1所示。

圖1 各節(jié)點(diǎn)的通信可靠性指數(shù)

可靠性的指數(shù)綜合，能夠獲得通信的可靠性指數(shù)隨著時(shí)間的分布圖像，具體如圖2所示。

圖2 通信隨時(shí)間變化的可靠性指數(shù)

通過以上的實(shí)驗(yàn)證明，能夠看出，消防應(yīng)急指揮專網(wǎng)引入通信的可靠性效果良好，即使是出現(xiàn)通信故障，仍然可以完成數(shù)據(jù)通信，且通信效果良好。

距離指標(biāo)值越小，說明所提方法所得解集越逼近問題最優(yōu)解集，無故障通信概率也越高；空間度量指標(biāo)值越小，說明網(wǎng)絡(luò)的完成性參數(shù)的平均分布程度越高，應(yīng)急指揮環(huán)境下的各專網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間通信可靠性越強(qiáng)，基于此，進(jìn)行世代距離指標(biāo)值和空間度量指標(biāo)值對比分析嗎，將所提方法與文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]方法進(jìn)行對比。

分析表1可得，在所提方法，距離指標(biāo)值與空間度量指標(biāo)值皆呈現(xiàn)明顯上升趨勢，說明本文方法所得解集的最優(yōu)性與抗延時(shí)性均有顯著提升，充分說明了所提方法的應(yīng)用的有效性。

表1 指標(biāo)測試結(jié)果

5 結(jié)束語

1)由于實(shí)際情況中，很多外界因素會(huì)干擾到信號(hào)的傳輸，導(dǎo)致通信效果較為，所以本文方法爭取進(jìn)一步研究，對通信的可靠度進(jìn)行仿真分析，距離指標(biāo)值與空間度量指標(biāo)值皆呈現(xiàn)明顯上升趨勢，通信可靠性較好。

2)為使消防人員在救援時(shí)，積極應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)故障問題，及時(shí)的可靠性指數(shù)無線接近1000，聯(lián)通的可靠性指數(shù)最高可達(dá)9998，說明出現(xiàn)信息數(shù)據(jù)丟失或者錯(cuò)誤等情況較少。