杨 晗，叶志浩，梅 丹，肖 晗



船舶电力信息网络脆弱性分析

杨 晗1，叶志浩1，梅 丹2，肖 晗1

（1.海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430033；2.海军工程大学理学院，武汉 430033）

船舶电力信息网络的脆弱性分析对确保船舶电网安全、稳定、高效的运行有着重要意义。本文以复杂网络理论为基础，对船舶电力信息网络的脆弱性进行了研究。首先对某一具体的船舶电力信息网络拓扑结构进行抽象，然后在此基础上运用复杂网络理论计算船舶电力信息网络节点脆弱性和链路脆弱性,由此找出整个网络中最脆弱的部分。分析结果表明，该研究可为船舶电力信息网络的优化设计提供依据,并且在在拓扑结构方面着手对信息网络进行了优化提高。

船舶 复杂网络 电力信息网络 脆弱性

0 引言

随着船舶系统结构的日趋复杂化，对电力网络的要求越来越高，使得船舶电力网络越来越依赖于信息网络。船舶信息网络作为智能电网的支撑网络，其可靠性已经成为船舶电网经济、安全运行的先决条件[1]。为了有效确保船舶电力网络安全稳定运行，应准确找出船舶电力信息网络的脆弱部位，采用有效的方法进行脆弱性分析。

在传统的分析方法中，主要是通过可靠性来分析电力信息网络，但是这种方法仅仅针对于已知的事故类型，不能反映整个网络的固有缺陷，而脆弱性作为网络可靠性的一种有效测度，可以衡量网络在遭受攻击或者自然失效时的网络性能，指明网络中的薄弱环节[2]。由于船舶电力信息网络也属于复杂网络，因此复杂网络的分析方法同样适用于船舶电力信息网络。近年来，基于复杂网络理论的船舶电力信息网络脆弱性的研究大量涌现，由于脆弱性科学目前正处于起步研究阶段，不同研究领域对“脆弱性”的概念理解存在差异，加之各类网络的复杂性，使得脆弱性评价研究存在很多困难。本文在有限的知识范围内，对船舶电力信息网络的脆弱性进行了分析探讨。

1 复杂网络理论的基础知识

几个基本概念：

1)平均路径长度L：在一个网络中节点i与节点j之间的的最短距离dij被定义为连接这两个节点间的最短路径所包含的总边数。对所有节点对的最短距离求平均值，即可得到该网络的平均路径长度L

2)聚类系数C：网络的聚类系数C是专门用来衡量网络节点集聚程度的一个重要参数。在网络中，每个节点的聚类系数可表示为

C=a／b

式中：a为连接到顶点i的三角形的个数；b为连接到顶点i的三元组的个数。整个网络的聚类系数定义为

3)节点度数D：度是描述单独节点属性的简单而重要的概念。对无向图而言，节点i的度Ki是指与节点i相连的边的数量。直观上看，一个节点的度越大，该节点越重要。网络的平均度k的定义为

4)介数：介数分为节点介数和边介数两种，它是一个全局特征量，反映了节点或边在整个网络中的作用和影响力。节点介数Bi的定义为

式中表示节点vj和vl之间的最短路径条数，(i)表示节点vj和vl之间的最短路径路过节点vi的条数。类似地，边的介数Bij定义为网络中所有的最短路径中经过边eij的数量比例为

式中，表示节点vl和vm之间的最短路径数，(eij)表示节点vl和vm之间的最短路径经过边ej的条数。

在复杂网络理论[4,5]中，介数的大小反映了节点的吞吐量、访问量、通行能力以及节点在网络中的活跃程度。对应到信息网络中，则反映了节点对信息的承载能力及节点在网络中的活跃程度[6]。因此，采用节点介数就可以很好地描述节点脆弱性。

2 船舶电力信息网络拓扑建模

目前，人们普遍将船舶电力信息网络从功能上划分为两个层次，分别为管理层和控制层。管理层包括电力系统管理工作站、供电系统管理工作站、交直流配电及照明管理工作站、电力推进管理工作站、在线模拟培训子系统、服务器等。设备层包括智能传感器、信息采集装置等[7,8]。

在船舶信息网络中较为常用的组网方式为以太网+现场总线，由于现场总线本身就是用于现场智能化装置与控制室之间的通信线路，而以太网本身的高带宽就特别适合管理信息的传输，因此这种网络构成方式在工业自动化领域广泛采用。

3 基于复杂网络的船舶电力信息网络脆弱性分析

在一个网络的脆弱性分析过程中，这个网络承受干扰的能力以及它受影响的程度是电力信息网脆弱性的两个重要衡量标准。信息网络的脆弱性主要有物理脆弱性和结构脆弱性，物理脆弱性的分析方法主要以可靠性分析为主，而结构脆弱性主要以复杂网络理论的分析方法为主。信息网络主要包括网络终端设备和光纤等媒介，对网络终端设备和网管系统的容量和端口配置、光纤线路的光纤类型和线路长度进行确认[9]，可得到信息网络的物理脆弱性。

结构脆弱性主要是描述网络拓扑的脆弱性，船舶信息网络与船舶电力网络不同，船舶信息网络拓扑结构没有经过预先规划，通常是根据船舶电网的需求而建。在信息网络对应的复杂网络中，介数的大小反映了节点的吞吐量、访问量、通行能力以及节点在网络中的活跃程度。类似的，采用边介数就可以很好地描述链路脆弱性，介数越高的光纤线路越容易引起网络传输的脆弱。

下面定量地对某一个船舶电力信息网络进行脆弱性分析，它的简化结构图如下：

图1为某一个船舶电力信息网络简化之后的结构图，管理层通常使用双环以太网，此处为了便于计算处理，将其看做一个单环状的以太网。设备层则是用单根CAN总线组网并连接了区域管理、保护模块、显示与测量等模块。

3.1节点脆弱性分析

分析网络特性，对信息网络进行建模并将实际的信息网络抽象成图，对给定的一个由28个节点组成的信息网络，分析脆弱性主要按如下步骤进行：将每个独立的终端设备都看成一个信息元，并将其抽象为点，确定网络模型的节点并编号；将每条光纤传输线路抽象成线，形成一个简单图。

根据拓扑图写出对应的关联矩阵，导出矩阵文件，选取复杂网络理论中的介数指标进行网络拓扑脆弱性的计算，将节点介数用参数bi表示，以此反映节点在拓扑图中的重要程度；分析具体设备的脆弱性，在这个信息网络中，主要是针对集控台和交换机设备的可靠性【10】计算，根据可靠性理论计算每台设备的可靠性，并用参数ai表示；将以上两个脆弱性因素进行归一化，可得到每一个节点的脆弱性[11]，由于与均满足比值越大，线路的脆弱性越大，故可将用下式表示

其中，参数（1-i）表示节点的物理脆弱性，b表示节点的拓扑脆弱性，（1-i）max表示设备最高脆弱性，在这里取理想值为1，b表示最大的节点介数，V表示节点在这个网络中相对的脆弱程度。

整个通信网节点的相对平均脆弱程度用(vi)表示:

经过计算，(v1)=0.02518045。

3.2 链路脆弱性分析

在该船舶电力信息网络中，光纤作为主要的传输媒介，它的脆弱性影响着整个传输线路的脆弱性。链路脆弱性的计算过程类似于节点脆弱性，如下：根据光纤类型和线路长度计算光纤线路的物理脆弱性，在这里，将每段链路视为同等长度以及相同类型，故每段链路的物理脆弱性相同均为a;采用边介数参数b来描述链路脆弱性;类似于节点脆弱性，将以上两个脆弱性因素进行归一化得到单条传输线路的脆弱性V【11】

其中，（1-a）表示链路的物理脆弱性，b表示链路的拓扑脆弱性，（1-a）max表示链路最高的物理脆弱性，取理想值为1，b表示网络中的最大边介数，，示单条链路在这个网络中的相对脆弱程度。

整个通信链路的相对平均脆弱程度用(vs)表示

经过计算，(Vsi1)=0.162904329018。

以上计算得到的数据并不是一个绝对的值，而是一种相对值，脆弱性为“0”并不表示某节点或链路完全可靠，而是说该节点或链路在所有节点中对船舶信息网络特性影响最小。

可以直观的判断出以上网络中最脆弱的节点为3、4、5、6，最脆弱的链路为3-4和5-6，下面我们可以对网络的拓扑结构做出适当的调整，定量地用数据检验拓扑结构的改变是否可以优化信息网络。

4 船舶电力信息网络的拓扑优化

将信息网络结构调整为下图所示。

由图3可知，优化后的船舶电力信息网结构是将单根的CAN总线变为CAN双总线。由于最脆弱节点为3、4、5、6，故考虑将这几个节点上的单总线变为双总线，虽然从直观上分析，双总线有利于提高网络性能，但我们仍需在后续的步骤中定量验证该做法能否降低该船舶电力信息网络的脆弱性。

计算步骤按照原信息网络的节点脆弱性及链路脆弱性方法进行。

(v2)=0.01286079

(Vsi2)=0.111067498832

将两种结构下分别得到的信息网络节点相对平均脆弱程度和链路相对平均脆弱程度进行比较如下表1：

由以上计算得到的的数据综合比较可知：调整后用双总线的信息网最脆弱节点由（3,4,5,6）四个变成了（4,5）两个，最脆弱链路由（3-4,5-6）两条变成了（4-5）一条，并且整个网络的节点相对平均脆弱程度E(v)和链路相对脆弱程度E(Vsi)均降低。双总线的网络脆弱性比单总线信息网络脆弱性低，以上对网络的拓扑调整使得整个电力信息网络性能得到优化。

5 结束语

在本文中运用了复杂网络的分析方法定量地对船舶电力信息网络的脆弱性进行分析，并提出采用介数指标来表征网络的拓扑脆弱性，分别对物理脆弱性和拓扑脆弱性进行了计算，最后将二者归一化来表征节点和链路的脆弱性。通过图表中的数据，我们可以得到各个节点和各条链路的脆弱性排名，找出最脆弱的节点和最脆弱的链路，并对相应的船舶电力信息网络结构进行了适当优化来降低整个网络的脆弱性，使得其性能得到一定的提高。

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Vulnerability Analysis of Shipboard Electric Power Information Network

Yang Han1, Ye Zhihao1, Mei Dan2, Xiao Han1

(1.National Key laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. College of science, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Vulnerability analysis of shipboard electric power information network for ensuring safe, stable and efficient operation of shipboard electric power has great significance. In this paper, on the basis of the theory of complex networks, the vulnerability of the shipboard electric power information network is studied. Firstly, the paper abstracts the topological structure of a specific ship power information network, and then calculats the vulnerability and fragility of information network nodes and link circuit of the use of complex networks theory on this basis, whereby the entire network to identify the most vulnerable part. The results show that the study could provide a basis for optimizing design of the electric power information network, and then the topologies are optimized to improve in terms of the information network.

shipboard; complex network; electric power information network; vulnerability

TM73

A

1003-4862（2016）03-0063-05

2015-11-09

国家自然科学基金资助项目（51377167）

杨晗（1990-），女，硕士研究生。研究方向：电力系统保护与安全运行。