面向復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點重要性排序和級聯(lián)失效研究.pdf

1、20世紀90年代末期，隨著小世界網(wǎng)絡(luò)和無標度網(wǎng)絡(luò)模型的提出，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的研究進入了一個嶄新的階段，越來越多的人開始關(guān)注復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。作為復(fù)雜性科學(xué)的一個重要分支，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的理論研究得到飛速發(fā)展，并且已經(jīng)滲透到數(shù)理學(xué)科、生命科學(xué)以及工程學(xué)科等各種領(lǐng)域。
　　當今隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起和發(fā)展，智慧城市進程的加快，各種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)紛紛涌現(xiàn)并得到快速發(fā)展，人類社會生活已經(jīng)越來越依賴這些基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如電力網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)、Internet、航空網(wǎng)絡(luò)以及

2、物流網(wǎng)絡(luò)等等。這些基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)在為人類生活帶來便利的同時也埋下了安全隱患，如交通網(wǎng)絡(luò)的擁堵、大面積的停電事故等等。現(xiàn)實世界中的這些網(wǎng)絡(luò)大都可以抽象成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)為研究現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供了一種新的途徑。
　　通過對基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)災(zāi)難性事件的分析發(fā)現(xiàn)，重要節(jié)點以及級聯(lián)失效現(xiàn)象對基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)功能的影響非常大，因此，本文從網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要性識別和級聯(lián)失效兩個方面對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)進行研究，旨在減少基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)中災(zāi)難性事件的發(fā)生避免不必要的經(jīng)濟損失。

3、雖然現(xiàn)有的相關(guān)研究已經(jīng)取得了一些理論成果，但仍存在很多問題有待進一步研究。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的重要性排序一直是很多學(xué)者所關(guān)注的研究熱點，現(xiàn)有的基于全局信息的方法，如介數(shù)中心性，能夠較為有效地判斷節(jié)點的重要性，但計算復(fù)雜度高；基于局域信息的方法，雖然降低了計算復(fù)雜度，但排序精度有待進一步提高。另外，目前關(guān)于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)失效模型的研究也很多，但很多模型沒有考慮網(wǎng)絡(luò)負載的時變特性，負載重分配的不合理性很可能擴大網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)失效的規(guī)模。鑒于此，本文從網(wǎng)

4、絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)入手，基于網(wǎng)絡(luò)的局域信息，考慮節(jié)點和邊的相互影響提出了一種新的節(jié)點重要性排序方法，同時研究了時變負載對網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)失效的影響，并提出了一種新的級聯(lián)失效模型，減小負載時變網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)失效的規(guī)模。另外，考慮人為干預(yù)對網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)失效的影響，研究了過載節(jié)點崩潰概率對網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)失效的影響，并提出了相應(yīng)的保護資源分配策略，又考慮現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)間的相互依賴關(guān)系，研究了耦合作用下網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)失效的影響因素。具體工作如下：
　　①考慮網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點和邊的相互依存相

5、互影響，提出了一種基于邊重要性的節(jié)點重要性排序方法。該方法首先根據(jù)邊的端節(jié)點的屬性提出邊的重要性計算方法，然后根據(jù)端節(jié)點對該邊重要性的貢獻率確定該邊的重要性對端節(jié)點重要性的影響力，最后根據(jù)節(jié)點的連邊數(shù)量和各連邊對節(jié)點重要性的貢獻值來判斷節(jié)點的重要性。以節(jié)點移除后網(wǎng)絡(luò)效率的下降率為評價指標兼顧方法的計算復(fù)雜度來綜合評價節(jié)點重要性排序方法的優(yōu)劣。
　　②考慮網(wǎng)絡(luò)負載的時變特性，基于節(jié)點的實時剩余容量，提出一種時變負載重分策略，并以此策

6、略構(gòu)建新的級聯(lián)失效模型。以節(jié)點移除后導(dǎo)致的失效節(jié)點的比例的歸一化指標作為網(wǎng)絡(luò)抵御級聯(lián)失效能力的評價指標，并通過算例分析、數(shù)值模擬和實例仿真研究了負載重分策略對網(wǎng)絡(luò)抵御級聯(lián)失效能力的影響。相比已有的基于固定負載重分策略的級聯(lián)失效模型，新模型能夠根據(jù)失效節(jié)點的鄰節(jié)點的實時負載處理能力來對失效節(jié)點的負載進行重新分配，具有極強的抗干擾能力。在網(wǎng)絡(luò)負載時變的情況下，新模型能夠有效提高網(wǎng)絡(luò)抵御級聯(lián)失效的能力。
　?、鄄煌诂F(xiàn)有的大多數(shù)研究，本

7、文考慮過載節(jié)點由于保護機制的存在可能不會立刻失效的情況，基于現(xiàn)有研究提出了一種改進的帶有崩潰概率的級聯(lián)失效模型。同樣地，以節(jié)點移除后導(dǎo)致的失效節(jié)點的比例的歸一化指標作為網(wǎng)絡(luò)抵御級聯(lián)失效的能力的評價指標，通過算例分析、數(shù)值模擬和實例仿真研究了模型中的參數(shù)對網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)失效規(guī)模的影響，并提出了相應(yīng)的保護資源分配策略，為網(wǎng)絡(luò)中保護機制的建立和保護資源的分配提供了依據(jù)。
　?、芸紤]網(wǎng)絡(luò)的負載特性，基于兩種失效模式對不同條件下網(wǎng)絡(luò)間耦合作用對網(wǎng)