基于面向自治計(jì)算的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)免疫策略及病毒傳播研究.pdf

1、目前，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論已經(jīng)滲透到多個學(xué)科領(lǐng)域，并在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制、交通控制、社會網(wǎng)絡(luò)分析、生物網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域取得了一系列成果。正是由于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論應(yīng)用廣泛，來自數(shù)理學(xué)科、生命學(xué)科和工程學(xué)科等小同領(lǐng)域的研究者共同致力于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的研究。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究理論不僅是科學(xué)家的興趣所在，還受到了各國政府及強(qiáng)力部門的密切關(guān)注，例如：如何利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的思想控制流行病、網(wǎng)絡(luò)輿論和謠言的傳播等，相關(guān)研究進(jìn)展不僅將促進(jìn)科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步，還對各國的安全穩(wěn)定產(chǎn)生一定的影響。

2、
　　 本文針對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)免疫策略及病毒傳播中亟需解決的4個問題進(jìn)行研究，包括：從復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)角度評估網(wǎng)絡(luò)免疫節(jié)點(diǎn)的選擇依據(jù)、挖掘影響病毒傳播的決定因素；結(jié)合傳統(tǒng)人工智能理論，設(shè)計(jì)分布式網(wǎng)絡(luò)免疫策略；提高病毒傳播模型的刻畫精度；設(shè)計(jì)高效低負(fù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)策略。本文的創(chuàng)新研究成果主要有：
　　 1.針對目前網(wǎng)絡(luò)免疫策略都以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)度數(shù)為選擇依據(jù)，提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)介數(shù)信息的全局免疫策略。實(shí)驗(yàn)緒果表明：節(jié)點(diǎn)介數(shù)免疫策略對病毒的抑制能力

3、優(yōu)于目前基于節(jié)點(diǎn)度數(shù)的免疫策略。這表明在選擇免疫節(jié)點(diǎn)時，不僅需要免疫網(wǎng)絡(luò)中度數(shù)大的節(jié)點(diǎn)，也需要免疫網(wǎng)絡(luò)中通信能力強(qiáng)的中繼節(jié)點(diǎn)。
　　 2.針對全局免疫策略需要掌握網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，結(jié)合自組織計(jì)算和正反饋機(jī)制，提出了一種基于面向自治計(jì)算(AOC)技術(shù)的分布式免疫策略以應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)離散性和動態(tài)變化的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：(1)該策略只通過局部信息就可以快速發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中度數(shù)大、通信能力強(qiáng)的一組節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而有效地抑制病毒擴(kuò)散；(2)基于AOC的

4、網(wǎng)絡(luò)免疫策略是一種分布式、可擴(kuò)展的策略，它不僅不受網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變化的影響，而且可擴(kuò)展的計(jì)算能力使得策略在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增大時，執(zhí)行效率反而得以提升；(3)通過自組織計(jì)算和正反饋過程，加快了基于AOC網(wǎng)絡(luò)免疫策略中搜索實(shí)體之間的間接交互，實(shí)現(xiàn)了“涌現(xiàn)”計(jì)算能力，從而加速整個系統(tǒng)快速收斂到目標(biāo)解。
　　 3.在病毒傳播模型中，目前的研究大都假設(shè)人群均勻混合，用泊松分布來刻畫人類行為。但這一假設(shè)偏離了近期統(tǒng)計(jì)觀察的結(jié)果，影

5、響了病毒傳播模型的預(yù)測準(zhǔn)確性。針對這一問題，本文提出了利用人類動力學(xué)研究成果提高病毒傳播模型的預(yù)測精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：用戶查看郵箱行為服從帶長尾特征的冪率分布；當(dāng)用戶查看郵箱行為服從冪律分布時，病毒傳播速度更快，感染規(guī)模更大；從人類動力學(xué)角度解釋網(wǎng)絡(luò)病毒長期潛伏是因?yàn)橛脩粼诙虝r間內(nèi)頻繁地進(jìn)行某項(xiàng)操作后，在很長時間內(nèi)不再進(jìn)行該操作。
　　 4.針對分布式約束優(yōu)化這類經(jīng)典的人工智能問題，提出一種基于面向自治的搜索策略，并將其應(yīng)用在路

6、由查詢轉(zhuǎn)發(fā)策略中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：借助自組織計(jì)算實(shí)現(xiàn)的非線性“涌現(xiàn)”計(jì)算能力，基于AOC的路由轉(zhuǎn)發(fā)策略可以將查詢請求信息先轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)中度數(shù)大的節(jié)點(diǎn)，從而在降低通信代價的前提下提高查詢請求的搜索覆蓋度。同時，利用此策略可以將免疫疫苗快速分發(fā)給網(wǎng)絡(luò)中的用戶，進(jìn)而有效抑制病毒在網(wǎng)絡(luò)中的進(jìn)一步傳播。
　　 總結(jié)以上成果，本文的主要貢獻(xiàn)可以歸納為：(1)在深入分析網(wǎng)絡(luò)免疫策略和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等因素對病毒傳播影響的基礎(chǔ)上，依靠網(wǎng)絡(luò)介數(shù)信息提出了基于

7、介數(shù)的全局免疫策略。結(jié)果發(fā)現(xiàn)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)中中轉(zhuǎn)能力強(qiáng)的中繼節(jié)點(diǎn)可以更加有效的抑制病毒的傳播；(2)利用面向自治計(jì)算技術(shù)將自組織性和正反饋機(jī)制融入到搜索算法中，設(shè)計(jì)具有“涌現(xiàn)”計(jì)算能力的分布式約束搜索策略，并將其應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)免疫策略和路由轉(zhuǎn)發(fā)策略的設(shè)計(jì)中。該問題的解決不僅克服了目前網(wǎng)絡(luò)免疫策略受網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)影響的問題，還增強(qiáng)了免疫策略的魯棒性和健壯性；同時通過對網(wǎng)絡(luò)路由轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)在減少網(wǎng)絡(luò)通信代價的前提下提高免疫疫苗在網(wǎng)絡(luò)中的分發(fā)速度