面向韧性的空间设备体系协同重构

《RELIABILITY ENGINEERING & SYSTEM SAFETY》：Resilience-oriented collaborative reconfiguration of spatial equipment system-of-systems

　　

• 提出了一个名为 RCR-SESoS 的框架，用于空间装备体系（SESoS）的协同重构。
• 该框架被应用于增强空间装备体系的韧性。
• 空间特征被整合到网络建模和重构建模中。
• 开发了三种节点重要性指标来设计重构策略。

引言
现代战争已从以平台为中心的对抗转向系统体系（SoS）作战 [1], [2]，这通常也与网络中心战 [3] 相关联。这种转变要求多个装备实体协调其功能以支持共同的使命目标，并推动了装备体系（ESoS）作战的发展 [4], [5], [6]。新兴的作战概念，如马赛克战，进一步强调了分布式兵力部署、动态可重构杀伤链以及跨域融合 [7], [8]。由于遥控和通信范围直接影响信号质量和任务性能，空间特征对于装备体系分析至关重要。因此，空间装备体系（SESoS）被定义为由部署在不同地理位置且独立运行的装备实体组成的网络，这些实体协同工作以提供更高级别的任务能力。在这种表示中，节点表示特定位置的装备实体，而边则描述它们的协作交互和空间关系。

作为一个复杂的对抗性系统体系，空间装备体系可能会受到恶意攻击或内部故障的破坏，导致性能下降或任务失败 [9], [10]。从对手的角度来看，针对关键子结构的网络瓦解研究提供了关于系统脆弱性的互补见解 [11]。空间瓦解策略进一步展示了如何利用地理覆盖范围、异构成本和链路关键性来降低网络功能 [12], [13], [14]。在本研究中，韧性指的是空间装备体系在受到扰动后恢复功能性能的能力 [15], [16]。在关键系统体系中，可信人工智能框架也已被研究，以提高运行安全性、可靠性和动态协调 [17]。这些发展强调了空间装备体系架构在不确定和对抗条件下维持任务能力的需求 [18], [19], [20]。

借鉴复杂网络研究，空间装备体系的韧性可以通过三种互补的方法加强：网络保护、网络恢复和协同重构。网络保护在扰动发生前保护关键组件，通常依赖于先验脆弱性分析 [21], [22], [23], [24]。网络恢复在扰动发生后修复受损组件，通常通过引入外部资源来实现 [25], [26], [27]。由于在战斗场景中外部支持可能会延迟或不可用，协同重构提供了一种替代方案，通过重新组织内部资源来恢复系统能力 [28]。

协同重构依赖于内部资源而非外部增强，并通过重新组织现有节点之间的关系来恢复系统功能 [29], [30]。现有研究通常遵循两种方法：基于优化的搜索和基于节点重要性指标的启发式决策。基于优化的方法在可行的重构空间中搜索在指定约束下能改善韧性的链路组合 [31], [32], [33]。Chen 等人 [34] 制定了一个协同重构问题，并使用 NSGA-II 在韧性改善和重构成本之间进行平衡 [35]。Petitdemange 等人 [36] 提出了一个用于动态演进系统和生命周期适应的重构设计框架。Liu 等人 [37] 将近端策略优化整合到动态节点可用性下的自适应装备体系构建中。Zhong 等人 [38] 结合破坏抵抗和恢复策略来优化杀伤链选择。这些方法可以产生高质量解决方案，但随着网络规模和解决方案空间的增加，迭代搜索可能会变得计算量巨大 [39]。这一局限性可能会限制它们在快速变化的作战环境中的使用。

第二系列研究使用节点重要性指标来指导重构，而无需搜索完整的解决方案空间。这些方法根据数学定义的协作潜力或关键性度量对候选动作进行排名，从而有效地获得可行的重构方案 [40]。Song 等人 [41] 提出了作战环路比（OLR），根据节点对作战环路完成的贡献来评估节点重要性。Liu 等人 [42] 针对异构战斗网络提出了作战链中心度（OCC），通过量化涉及每个节点的作战链的数量和质量。Meng 和 Rezaeipanah [43] 通过将增强图与平均最短路径信息相结合，开发了半局部中心度指标 SAASP。Wang 等人 [44] 提出了结构和功能协同指标以及相应的重构策略。总体而言，这些研究为协作节点选择提供了有用的度量；然而，许多指标仍由通用拓扑属性主导，可能无法捕获网络特定结构或空间可行性。因此，最近的网络科学研究强调了多尺度信息和数据驱动方法用于评估节点影响 [45]。高阶结构信息，如环路比中心度，也被用于改善社区中心识别 [46]。这些发现促使设计自适应、网络特定的指标，共同考虑功能、结构和空间信息。

尽管如此，大多数现有的重构研究优先考虑逻辑拓扑和功能属性，而仅隐含地处理空间约束。空间系统中的移动性和交互模式可能表现出规律性；例如，在无桩共享单车系统的移动选择行为中观察到了标度律 [47]。在空间装备体系中，物理距离直接制约了三维空间中的通信、侦察、交战和功能替代。因此，建立新的连接可能需要装备实体在相应的交互变得可行之前先进行重新定位。当作战实体在地理上分散时，这种移动引入了额外的时间和能量成本 [48]。忽视这些约束可能会产生难以在实践中实施的重构计划。

为了弥补这一差距，本研究提出了一个面向韧性的空间装备体系协同重构框架，称为 RCR-SESoS。该框架建立在双层多层异质网络建模、韧性评估、协同重构建模和空间感知重构策略之上。RCR-SESoS 与现有空间装备体系韧性工作的区别在于，它在整个韧性增强过程中明确纳入了空间约束和重构时间成本。

RCR-SESoS 的一个显著特征是空间约束和重构时间成本被明确纳入空间装备体系的韧性增强中。这体现在框架设计的三个相互关联的方面中。本文的创新点如下：
(i) 构建了一个双层多层异质网络来建模空间装备体系，捕获装备实体之间的逻辑作战关系和三维空间关系。可达协作节点集由搜索半径机制确定，并将物理距离作为惩罚因子纳入性能评估，以量化空间分离造成的降级。
(ii) 考虑到重建作战边上的空间约束，模型要求协作节点在继承受损节点的边同时保留自身连接之前，必须重新定位到其中点。由移动引起的重构时间成本被纳入韧性评估，支持对时间敏感战斗场景的分析。
(iii) 提出了三种空间感知重构指标：空间邻近度（SP）、功能空间邻近度（SPF）和结构空间邻近度（SPS）。使用这些指标设计了相应的重构策略。通过共同考虑空间、结构和功能特征，这些策略为空间装备体系重构中的协作节点选择提供了解释性指导。

本文其余部分组织如下。第 2 节空间装备体系的网络模型和第 3 节空间装备体系的韧性评估分别介绍了空间装备体系网络模型和韧性评估框架。第 4 节介绍了重构方法，包括问题定义、协同重构模型和三种基于节点重要性的策略。第 5 节报告了仿真实验，第 6 节总结了主要发现和未来研究方向。

章节片段
空间装备体系的网络模型
严谨的空间装备体系模型是韧性分析的前提 [49]。该模型必须表示其组成装备实体之间的功能关系。遵循 Tan 等人建立的作战环路理论 [50]，作战环路被定义为完成针对目标的“观察 - 判断 - 决策 - 行动”（OODA）循环的封闭交互序列。作战环路可能会重叠，因为一个装备实体可以参与多个任务过程。网络

空间装备体系的韧性评估
第 2 节定义的网络模型提供了空间装备体系的结构和空间表示，捕获了实体、它们的功能关系和物理约束。为了评估空间装备体系的韧性，有必要将此结构模型转化为可量化的性能指标。空间装备体系在执行任务方面的有效性不仅仅是其静态连通性的函数，而是通过其组成成员的激活和质量动态实现的。

方法论
本节介绍了空间装备体系协同重构模型的定义。通过整合空间装备体系的结构、功能和空间特征，实施了三种协同重构策略：第一种策略基于协作节点的空间特征，而第二种和第三种策略分别关注协作节点的空间结构特征和空间功能特征。

数据集描述
为了检验所提出的空间重构策略的性能和鲁棒性，在埃尔德什 - 雷尼（ER）、巴拉巴西 - 阿尔伯特（BA）和沃茨 - 斯托加茨（WS）基准网络上进行了仿真实验。这些网络为受控比较提供了代表性的拓扑设置，但并非旨在重现特定的真实世界空间装备体系架构。采用这三种基准网络是为了代表空间装备体系的不同可能拓扑模式。ER

结论与未来方向
随着信息和数字技术的快速发展，现代战争要求多个装备实体协作以完成任务。空间装备体系在运行期间不可避免地会暴露于扰动，如恶意攻击或内部故障，这可能导致性能下降和无法完成分配的任务。增强空间装备体系的韧性对于确保网络安全性、增加架构鲁棒性并启用

CRediT 作者贡献声明
Jinyu Shi：写作 - 初稿，方法论，概念构思。Renjie Xu：写作 - 初稿，概念构思。Wei Ding：写作 - 审阅与编辑。Jichao Li：写作 - 审阅与编辑，指导。Guanghan Bai：写作 - 审阅与编辑，指导。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文中报告的工作。

Jinyu Shi|Renjie Xu|Wei Ding|Jichao Li|Guanghan Bai