消防應急指揮專網引入通信可靠性仿真分析

高德君，戚張豪

(華東理工大學，上海 200237)

1 引言

專網通信是一些單位、部門或者行業內部為了滿足有組織的指揮調度、安全生產以及管理等所構建的通信網絡。專網通信的規模迅速擴大，其技術水平和公網同步發展，已經逐漸成為了電信市場非常重要的支撐力量。專網的通信系統一般分為三個階層：一是終端層，主要為用戶使用的終端，完成數據采集與上傳的終端等。二是系統層，系統層是完成終端數據的路由交換功能，且利用外網關設備和外網進行連接。三是應用層，具有基于系統層開放的應用層接口，面向用戶應用場景開發具體應用設備。

文獻[1]構建了核應急雙層指揮網絡，基于級聯失效模型，分析不同攻擊強度下核事故應急指揮網絡網絡結構級聯失效規模變化情況，做好應急工作的重要保障，提高網絡魯棒性。文獻[2]分析了從生產標準化，設計性能化到運營效能化的演進趨勢，對我國建筑消防設施可靠性管理存在的問題進行了分析，基于項目全壽命周期理論，建立建筑消防設施全壽命周期的可靠性管理體系，提高消防資源的費效比。文獻[3]針對交通運輸移動應急通信指揮管理網絡平臺的架構進行探討，在突發事件中實現現場信息的實時采集與傳輸，全面掌握應急現場信息，為交通運輸災害應急工作提供參考。

由于上述方法核心的軟硬件自主開發能力較弱、病毒的感染風險比較大、信息傳輸的安全性比較差等問題，這些都有可能導致專網通信系統出現故障，通信出現延時，丟失，甚至可能出現停止通信的現象。這很可能妨礙火災應急網絡中的信息溝通，無法及時完成救援。為此，本文提出了一種火災應急指揮網通信可靠性仿真分析方法，構建的通信可靠性仿真模型，實現消防應急指揮專網引入通信可靠性分析。

2 構建消防應急指揮專網模型

2.1 消防人員節點的通信距離計算

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

(1)

式中：dij代表骨干節點的通信距離。

消防人員的最大通信距離是中繼設備的互通距離，由通信設備的性能決定。只有當兩個消防員節點之間的實際通信距離小于最大通信距離時，才能進行通信，即dij

2.2 聚集度系數

聚合系數主要用于控制消防員的最小部署距離dmin，即網絡節點隨機布局過程中設定的最小距離限制。采用消防員節點的最小部署距離來限制節點的分散，并增加約束dij>dmin以防止消防員在區域內的隨機分散距離過小。

(2)

式中：本文定義的系數用聚集系數α表示，通過β調整[5]可以得到不同離散度α的節點。

2.3 通信設備的技術參數

如果需要根據通信設備的性能來確定消防員節點的最大通信距離，則將通信設備視為一個變量，使模型更具適應性。采用通信設備的技術參數，確認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，將其稱之為通信設備的技術參數，利用控制β大小，能夠整體反應出通信設施技術水平以及性能[6]。

2.4 連接偏好的系數以及消防人員連接概率

依據上述的假設，只要隨機分布在應急地域中隨意的兩個消防人員節點，滿足了約束條件dmin≤dij≤Rmi，即可擁有構建連邊硬件的條件。然而，在實際網絡中，每個節點與兩個或多個消防員節點之間的連接也受到消防員節點中繼方向的限制。因此，并非所有節點都能在所有通信距離內建立連接。基于以上分析，消防員節點應首先選擇彼此靠近的節點構建邊緣，即而連接偏好的系數為γ∈(0，1]，那么該系數就是調節消防人員節點的連接概率具體公式為

(4)

式中，ρij表示節點的連接概率。當任意兩個節點能滿足中繼的一跳范圍dmin≤dij≤Rmax時，節點間存在連接邊的概率；當任意兩對節點之間的距離dij

(5)

節點間的連接概率受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，消防員節點的連通概率越小[7]。

通過調整相鄰連接偏好的強度γ，相關偏好系數提高了偏好，反之，當γ趨于1時，偏好降低。考慮了幾種極端情況，包括：

1)在γ=1，dij≤Rmax時，具體公式為

ρij=γ(dij-dmin)=1

(6)

這時全部滿足dij

2)在γ≠1，dij=Rmax時，具體公式為

(7)

3)在γ≠1，dij=dmin時，具體公式為

ρij=γ(dmin-dmin)=γ0=1

(8)

當節點之間的距離最小時，邊連接的概率最大[8]。

綜上所述，消防員應急指揮網絡模型如下：

第一步：確定應急區域的基本參數。

先設定應急的地域范圍K，消防人員的節點布置個數為Nhub，聚集度的系數為α，計算出消防人員的節點最小布置距離dmin。

第二步：布置消防人員的節點。

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

隨機對vi節點以及vj節點通信距離dij進行計算，分別生成消防人員節點的vi坐標(xi，yi)，其中j=1，…，i-1，如果vi和隨意節點之間通信的距離都小于dmin，i=i重復上面步驟；如果vi和隨意節點之間的通信距離都比dmin大，并且i

第三步：添加消防員節點之間的連接邊。

首先，設置通信設備的技術參數和連接偏好系數。然后，根據第二步得到的隨機節點之間的距離，計算隨機消防員節點對的連接概率ρij。

生成隨機數，在隨機數比ρij小時，那么在消防人員的節點vi和vj之間添加連邊[9]。

通過以上的方法，即可生成消防應急專用指揮網絡。

3 通信可靠性分析

3.1 網絡基本可靠度

基本的可靠度，能夠反映出目標的無故障概率，即指消防應急指揮專網在規定條件下，在規定通信的任務時間中完成消防人員所需要通信的任務概率。將其成為時間函數，標記R(t)，同樣也可以將其稱之為可靠度的函數，具體公式為

R(t)=ρ(T>t)

(9)

設置網絡G(V，E)，v代表G內的節點數，e代表G內的鏈路數，G(V，E)故障狀態為v+e+1種，其中，有一種是無故障的狀態，即設置節點以及鏈路都服從指數的分布，那么第i個節點故障率是i=1，…v，而第j個鏈路故障率是j=1，…e，那么G(V，E)無故障概率，就可以視為網絡的基本可靠度，具體公式為

Ro(t)=exp(-t/θ0)

(10)

3.2 指揮專網的完成性度數

表示網絡G(V，E)中的節點數v和網絡G中的節點數。節點鏈路e都可能發生故障，并且彼此獨立。然后定義任意兩個節點之間保持通信能力而不發生故障的概率，就是網絡的可靠度，將其標記成RG，具體公式為

(11)

依據上訴定義，能夠反衍出兩個子參數r和j，具體如下所示：

1)網絡的全端可靠度

定義網絡G內v個節點都可以連接工作，概率為1，視為網絡全端的可靠度，標記成RG全，具體公式為

(12)

2)網絡端的對端可靠度

如果網絡G內具有通信源s端以及目標t端，那么定義網絡G內規定兩個節點s-t間最少具有一條通道概率，就是網絡端的對端可靠度，將其標記成RG端，具體公式為

(13)

3)網絡的抗毀性

為確保系統不下降能力，網絡通信處于敵對的環境下，具體度量子的參數如下所示：

相對于一個存在N個節點相通網絡，考慮到網絡的粘聚度，設置CHij是斷開節點i與節點j間全部路經，且必須清除最小的路經個數，那么網絡的粘聚度公式為

(14)

網絡連通性：同樣，假設這次也代表了節點i和j間所有路徑的斷開，且必須清除最小的節點數，那么網絡的連通度公式為

(15)

混合的連通系數：還可以定義一個混合的連通系數C，具體公式為

C=min(M)

(16)

式中，M代表混合割集，該鏈接也需要節點。刪除這些節點和鏈路后，網絡可以分成幾個子網。

3.3 網絡的可用度參數

這些數據主要描述在維護條件下，消防應急指揮網的連通性保持情況，能夠反映用戶需要時網絡提供的通信性能[11-12]。它有兩個主要參數，具體如下所示：

1)固有的可用度

考慮到網絡的基本可靠性，依據網絡基礎的固有可靠性，固有的可用度具體公式為

Ai=Avi∏Aej

(17)

2)網絡的可用度

設置網絡G(V，E)，它表示網絡G中的節點數v和網絡中的鏈路數e。將其視為可維修的系統，在發生故障后應立即修復，在沒有需要修理的狀況下，網絡中斷的維持時間形成期望均值，表示網絡平均處于不能工作時間，具體公式為

(18)

通過以上數據信息，能夠完成通信可靠性分析。

4 仿真證明

為了驗證本文的通信可靠性分析效果，采用Sniffer-Pro作為數據采集工具。根據不同的閾值給出故障定義和不同的應用警告消息，當測試不同的任務時，需要重置。監測時間為30分鐘。在測試過程中，統計捕獲數據的大小和間隔時間。具體分配結果應與實際情況相一致。

在數據的統計以及告警統計基礎之上，利用分層指數法，計算消防應急指揮專網的任務可靠性水平。

及時計算可靠性參數，對測試內產生的告警數據進行處理，主要以延時故障進行舉例，計算各種告警比率，具體公式為

(19)

權重值為0.6，0.6，0.4，以此能夠獲得可靠性的指數，具體如圖1所示。

圖1 各節點的通信可靠性指數

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

圖2 通信隨時間變化的可靠性指數

通過以上的實驗證明，能夠看出，消防應急指揮專網引入通信的可靠性效果良好，即使是出現通信故障，仍然可以完成數據通信，且通信效果良好。

距離指標值越小，說明所提方法所得解集越逼近問題最優解集，無故障通信概率也越高；空間度量指標值越小，說明網絡的完成性參數的平均分布程度越高，應急指揮環境下的各專網節點間通信可靠性越強，基于此，進行世代距離指標值和空間度量指標值對比分析嗎，將所提方法與文獻[1]、文獻[2]和文獻[3]方法進行對比。

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

表1 指標測試結果

5 結束語

1)由于實際情況中，很多外界因素會干擾到信號的傳輸，導致通信效果較為，所以本文方法爭取進一步研究，對通信的可靠度進行仿真分析，距離指標值與空間度量指標值皆呈現明顯上升趨勢，通信可靠性較好。

2)為使消防人員在救援時，積極應對網絡故障問題，及時的可靠性指數無線接近1000，聯通的可靠性指數最高可達9998，說明出現信息數據丟失或者錯誤等情況較少。