基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)脆弱性分析.pdf

1、基礎(chǔ)設(shè)施是一類(lèi)為社會(huì)生產(chǎn)和居民生活提供服務(wù)的物質(zhì)工程設(shè)施,它們是社會(huì)賴(lài)以生存和發(fā)展的一般性物質(zhì)條件,也是典型的復(fù)雜系統(tǒng)。當(dāng)今社會(huì)越來(lái)越依賴(lài)于基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)提供的各種服務(wù)以維持其正常運(yùn)行。然而近年來(lái)以北美大停電、08年中國(guó)南方雪災(zāi)為代表的各類(lèi)災(zāi)害頻繁爆發(fā),給基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的安全敲響了警鐘。鑒于基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)對(duì)社會(huì)生產(chǎn)和人民生活的重要性,研究基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)在不同擾動(dòng)下的響應(yīng)情形,分析、理解、識(shí)別基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的脆弱性,進(jìn)而提出相應(yīng)的抗干擾措施和改進(jìn)策

2、略,提高基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的可靠性,成為了當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)課題。
　　圍繞基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的脆弱性研究及其應(yīng)用,國(guó)內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者分別采用投入產(chǎn)出模型、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型、Agent仿真模型,探討了災(zāi)害對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)中的經(jīng)濟(jì)體、功能器件、業(yè)務(wù)流程等的影響并取得了若干初步成果,但是就總體而言,基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)脆弱性的研究尚處于起步階段,特別地,對(duì)于關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)脆弱性研究目前仍然是一個(gè)較新的研究領(lǐng)域。
　　復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)作為大量真實(shí)復(fù)雜系統(tǒng)

3、的高度抽象,其理論與應(yīng)用研究已滲透到數(shù)理、生命和工程學(xué)科等眾多不同的領(lǐng)域。利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的理論和方法能夠很好的描述基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和彼此間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,為基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)脆弱性的研究提供一個(gè)全新的視角和研究方法,有助于從整體上把握系統(tǒng)的復(fù)雜性和系統(tǒng)響應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性?；诖?本文運(yùn)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的理論和方法,從單一基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)入手,以關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)為研究重點(diǎn)分析基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的脆弱性。主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　首先,利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的理論和方法

4、對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)進(jìn)行了拓?fù)涿枋龊凸δ芸坍?huà),介紹并總結(jié)了描述基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的聚類(lèi)系數(shù)、度相關(guān)性、介數(shù)等參量,以便更深刻的理解基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能特性,給出了基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的脆弱性分析理論框架。
　　針對(duì)以往單一基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)脆弱性研究中對(duì)邊的級(jí)聯(lián)故障和社團(tuán)脆弱性很少提及這一情形,本文在一般脆弱性分析的基礎(chǔ)上,建立了節(jié)點(diǎn)和邊的級(jí)聯(lián)故障模型,分析了基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在節(jié)點(diǎn)故障和邊故障下的脆弱性。同時(shí)利用模塊度優(yōu)化算法給出了社團(tuán)結(jié)構(gòu)劃分方法,

5、并結(jié)合基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特性和功能特點(diǎn)分別提出了結(jié)構(gòu)和功能脆弱性指標(biāo),用以尋找網(wǎng)絡(luò)最脆弱和魯棒的社團(tuán)。
　　對(duì)于關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng),本文分別從關(guān)聯(lián)類(lèi)型、運(yùn)行狀態(tài)、基礎(chǔ)設(shè)施特性、故障類(lèi)型、耦合和響應(yīng)行為、基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境等不同方面分析了其關(guān)聯(lián)性,結(jié)合基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)脆弱性分析框架,對(duì)關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)進(jìn)行了脆弱性分析。在研究中對(duì)每一個(gè)具體系統(tǒng)進(jìn)行了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)抽象,結(jié)合其運(yùn)行機(jī)制建立了功能模型,考慮了不同系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,并給出了關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施系

6、統(tǒng)接口設(shè)計(jì)策略。利用網(wǎng)絡(luò)效率、雪崩規(guī)模等性能指標(biāo)分析了系統(tǒng)在不同接口、不同擾動(dòng)策略下的脆弱性,得出了關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的故障容忍性和最優(yōu)的接口設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
　　脆弱性分析的目的是為了更好的保護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)。在單一和關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)脆弱性分析基礎(chǔ)上,探討了基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的關(guān)鍵組件辨識(shí)方法,以便對(duì)這些關(guān)鍵組件進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)。通過(guò)納入緩沖、增加冗余、故障修復(fù)等手段討論了基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的改進(jìn)策略,為控制基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)故障、增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力提