基于元胞自動機的復雜系統可用性確定方法
【專利摘要】基于元胞自動機的復雜系統可用性確定方法，首先依據復雜網絡系統各部分之間結構關系和功能關系建立網絡系統模型，然后確定網絡節點的可靠性參數，最后用元胞自動機算法和蒙特卡羅仿真對復雜網絡系統可用性進行確定。本發明與傳統的可用性評價方法相比，元胞自動機不存在組合爆炸和無法求解的問題，且能進行平行計算，大大減少了計算量，提升了計算的效率，從而能對大型復雜的網絡系統進行可用性確定，為我國大型復雜網絡系統的研制建設提供重要的專業技術支持。
【專利說明】基于元胞自動機的復雜系統可用性確定方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及基于元胞自動機的復雜系統可用性確定方法，屬于復雜網絡系統可靠性【技術領域】。
【背景技術】
[0002]工程中實際系統除了串聯系統、并聯系統、k/N系統等典型系統外，還有很多典型結構無法表示的大型復雜網絡系統。例如衛星通信網絡系統、電路網絡系統、計算機網絡系統等。
[0003]利用傳統的方法進行網絡系統可用性分析評價時都面臨著無法求解的問題，因此一般僅局限于求解小規模網絡或具有特殊拓撲結構的網絡。利用最小路集和最小割集方法計算網絡系統的可靠性時，網絡系統結構復雜度的增加會導致求解可靠性的多項式項數急劇增加，產生組合爆炸問題，即使是大型計算機也難以勝任計算工作。
【發明內容】
[0004]本發明的技術解決問題是:克服現有技術的不足，提供了基于元胞自動機的復雜系統可用性確定方法，利用元胞自動機(CA)算法結合蒙特卡羅仿真(MC)通過分析網絡系統的連通性等性能來確定網絡系統的可用性。
[0005]本發明的技術解決方案是:
[0006]基于元胞自動機的復雜系統可用性確定方法，步驟如下:
[0007](I)根據所述復雜網絡系統的拓撲結構，建立網絡系統可用性模型，用于表示復雜網絡系統中各節點之間結構關系，源節點只有輸出連接弧，目標節點只有輸入連接弧；
[0008](2)對所述網絡系統可用性模型進行蒙特卡羅仿真，確定網絡系統中每個節點的節點狀態；
[0009](3)根據步驟(2)得到的網絡節點狀態，利用元胞自動機方法對所述復雜網絡系統的連通性進行分析，從而確定網絡系統的連通性，若網絡系統是連通的，則令計數值Num=Num+T, Num的初始值為0,若網絡系統是不連通的,則令計數值Num=Num ；
[0010](4)若T〈Tm，則返回步驟(3)重新確定網絡系統連通性，若T≥Tm，則進入步驟(5);T為節點轉換時間抽樣的最小值，Tm表示網絡系統預定的任務時間；
[0011](5)通過公式
【權利要求】
1.基于元胞自動機的復雜系統可用性確定方法，其特征在于步驟如下: (1)根據所述復雜網絡系統的拓撲結構，建立網絡系統可用性模型，用于表示復雜網絡系統中各節點之間結構關系，源節點只有輸出連接弧，目標節點只有輸入連接弧； (2)對所述網絡系統可用性模型進行蒙特卡羅仿真，確定網絡系統中每個節點的節點狀態； (3)根據步驟(2)得到的網絡節點狀態，利用元胞自動機方法對所述復雜網絡系統的連通性進行分析，從而確定網絡系統的連通性，若網絡系統是連通的，則令計數值Num=Num+T，Num的初始值為O，若網絡系統是不連通的，則令計數值Num=Num ； (4)若T〈Tm，則返回步驟(3)重新確定網絡系統連通性，若T≥Tm，則進入步驟(5);T為節點轉換時間抽樣的最小值，Tm表示網絡系統預定的任務時間； (5)通過公式
2.根據權利要求1所述的基于元胞自動機的復雜系統可用性確定方法，其特征在于:所述復雜網絡系統包括多個網絡節點以及網絡節點之間的有向連接弧。
3.根據權利要求1所述的基于元胞自動機的復雜系統可用性確定方法，其特征在于:用G= (N，A)表示為一個網絡系統可用性模型，共n個節點，N為n個節點的集合，』￡ iVx灰為連接弧的集合，Ai為節點i的鄰居，定義為:Ai=U G Nst (j，i) G A}, st (j, i)表示與節點i直接連接的連接弧，每個節點i被描述成與之相連接的節點的集合。
4.根據權利要求1所述的基于元胞自動機的復雜系統可用性確定方法，其特征在于:所述對所述網絡系統可用性模型進行蒙特卡羅仿真確定網絡系統中每個節點的節點狀態，具體為: (4.1)對網絡系統模型中每個節點的轉換時間U1, t^tn)進行直接蒙特卡羅抽樣，取節點轉換時間抽樣的最小值作為網絡系統變遷發生的時刻T ； (4.2)若節點為可修復節點，則通過公式
5.根據權利要求1所述的基于元胞自動機的復雜系統可用性確定方法，其特征在于:對所述復雜網絡系統的連通性進行分析從而確定網絡系統的連通性具體為: (5.1)通過四元組:A= {Ld, S, M, f}來表示元胞自動機，A表示元胞自動機，Ld表示元胞空間，S是元胞的有限離散狀態集合，M表示元胞自動機的鄰居，f?表示狀態轉移規則，所述狀態轉移規則包括OR或規則、AND與規則以及k/n規則，k/n規則為:n個單元組成的系統，至少有k個單元正常工作,系統才能正常工作,這樣的系統稱為n中取k系統； (5.2)當狀態轉移規則為OR或規則時，定義狀態轉移函數 w(i)=0R[w(j),…，w(k)] j,…，k G Ai,根據元胞鄰居狀態確定當前時刻該元胞狀態，節點i的元胞狀態w(i)=l時表示該節點的狀態是正常的，w(i)=0表示節點的狀態是故障；當狀態轉移規則為AND與規則時，定義狀態轉移函數 w(i)=AND[w(j),…，w(k)] j,…，k G A ”根據元胞鄰居狀態確定當前時刻該元胞狀態； 當狀態轉移規則為k/n規則時，定義狀態轉移函數 w(i)=KN[w(j),…，w(k)] j,…，k G A ”根據元胞鄰居狀態確定當前時刻該元胞狀態；(5.3)遍歷網絡系統的節點狀態，如果目標節點的狀態為正常，則網絡系統是連通的，否則為不連 通。
【文檔編號】H04L12/24GK103501235SQ201310300263
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年7月15日 優先權日:2013年7月15日
【發明者】周波, 顧長鴻, 李琴, 楊靜, 李昶, 鄭恒, 李海生, 王晉婧, 龔佩佩, 楊卓鵬, 薛恩 申請人:中國航天標準化研究所