复杂网络重构与瓦解方法及其应用研究
无人集群作战是未来智能化作战的重要样式，近期的技术进步使得这种新型作战样式的现实威胁越来越紧迫。如何对大规模无人集群系统及其对抗进行建模、分析、评估和规划，是未来智能化战争亟待解决的关键难题。一方面，集群对抗伴随着大量异构智能体之间的群体博弈，是极其复杂的动态过程，很难建模和评估，而复杂网络理论是刻画和分析复杂系统的强有力工具，为无人集群系统的攻防建模和评估提供了理论基础；另一方面，决策双方的“尔虞我诈”是集群间智能对抗的重要手段，使得战场环境中充斥着大量不完备信息和虚假信息，严重干扰集群攻防的有效性，而复杂网络重构理论是还原真实网络信息的有效方法，为揭开无人集群系统对抗中的“战争迷雾”提供了新的思路方法。因此，本文以无人集群系统攻防为实际问题背景，以复杂网络为理论主线，重点围绕不完备信息和虚假信息条件下的复杂网络重构及在此基础上的复杂网络瓦解、防御问题，开展系统性的问题分析、模型构建、算法设计优化、数据验证研究，主要成果和创新点如下： （1）从不完备信息、虚假信息条件下网络重构方法的局限性出发，考虑无先验知识、有先验知识两种场景对应的子问题，首次系统性地提出两种相互补充的复杂网络重构解决方案：改进型随机分块网络重构方法和基于相似性的网络重构方法。一方面，无先验知识条件下的网络重构问题是一个基础性的理论问题，尽管随机分块（stochasticblockmodels，简称SBM）方法是解决此问题的可行之道，但SBM耗时过长且易陷入局部最优解的缺点严重降低其实用性。本文定义并构建了无先验知识下的网络重构问题模型，针对SBM方法存在的问题，从求解速度和解最优性出发改进网络重构启发机制，提出一种新的无先验知识下的网络重构方法：增强型随机分块（enhancedstochasticblockmodels，简称ESBM）方法。另一方面，相较于前者，现实世界中有先验知识的网络重构是一个更加复杂的问题，在复杂网络领域尚无明确的定义和专门的解决方法。本文重点围绕节点度为核心的先验知识，首次提出已知部分节点度信息的网络重构问题并进行问题描述和建模，综合考虑网络微观与宏观特征，首次提出一种有先验知识条件下基于相似性的网络重构（networkreconstructionbasedonpriorknowledge，简称PKNR）方法。仿真网络和真实网络的实验结果表明：第一，无先验知识条件下，ESBM的预测精度优于SBM方法，收敛速度能比SBM快10倍以上；第二，有先验知识条件下，PKNR方法生成的重构网络能够降低相对误差率15.6%；第三，有先验知识条件下，PKNR的预测精度高于无先验知识重构方法，收敛速度也比ESBM快100倍以上，表明先验知识和相似性指标方法有助于提升网络重构的时效性。 （2）针对信息不完备、虚假信息条件下的复杂网络攻防问题，从复杂网络瓦解和复杂网络防御两个子问题出发，首次纳入网络重构能力和观测信息伪装能力，系统性地提出两种相互补充的复杂网络攻防解决方案：基于网络重构的复杂网络瓦解方法和隐藏欺骗式复杂网络防御方法；揭示网络重构对网络瓦解的“锐化效应”和隐藏欺骗式防御的攻击迁移特点。对于攻击方决策者，传统的基于观测网络的网络瓦解策略（networkdisruptionbasedonnetworkobservation，简称NO-ND）难以适用于信息不完备与信息虚假的情况，本文给出网络瓦解环节之前进行缺失补全和虚假甄别的全新思路，首次提出一种基于网络重构的网络瓦解方法（networkdisruptionbasedonnetworkreconstruction，简称NR-ND）。对于防御方决策者，传统网络防御方法采用网络重置（networkrewiring）的方式，此种方式不仅耗费巨大且未考虑到不完备信息、虚假信息的影响。因此，本文通过分析被动型防御的局限性，构建基于观测信息伪装的攻击迁移模型，以度序列与观测信息伪装的关系为突破口，首次提出指定度序列、有限资源下的两种隐藏欺骗式观测网络生成算法。仿真网络和真实网络的实验结果表明：第一，NR-ND的瓦解效果优于NO-ND，表明网络重构有助于网络瓦解；第二，当噪声水平较低时，NR-ND的效果甚至优于基于完全信息下的网络瓦解（networkdisruptionbasedoncompletenetwork，简称CN-ND），本文将这种现象命名为网络重构的“锐化”效应；第三，借助隐藏欺骗式复杂网络防御方法，防御方的网络结构鲁棒性最多提高44.17%，表明隐藏欺骗式复杂网络防御方法能够有效迁移攻击伤害从而提高网络的整体防御能力。 （3）针对信息不完备、虚假信息条件下的无人集群系统攻防问题，从网络科学的视角，首次引入复杂网络重构、瓦解、防御理论并系统性地提出一整套分析方法，为无人集群系统攻防研究提供一种全新的思路。无人集群具有涌现机制和自组织特征，这与复杂网络有很大的相似性和同构性，然而基于复杂网络的无人集群系统攻防问题却鲜有研究，尚无信息不完备、虚假信息条件下的研究。因此，从无人集群系统的复杂网络模型、网络拓扑结构、动态重配置机制出发，将本文的复杂网络重构、复杂网络瓦解、复杂网络防御理论成果进行拓展，提出面向无人集群系统的NR-ND瓦解方法和隐藏欺骗式防御方法。案例实验表明，该方法能有效刻画无人集群系统间对抗特征，并且有效提升无人集群系统的攻防能力，以全新的视角探究无人集群系统攻防问题，为无人集群作战提供关键的技术支撑。
无人集群系统;集群智能对抗;不完备信息;复杂网络重构;复杂网络瓦解;隐藏欺骗
国防科学技术大学;国防科技大学
博士
控制科学与工程
陈璟
2019
中文
E91;O157.5
2022-02-14（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）