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

1、20世紀(jì)90年代末期，隨著小世界網(wǎng)絡(luò)和無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)模型的提出，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)入了一個(gè)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(gè)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(dāng)今隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起和發(fā)展，智慧城市進(jìn)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(huì)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(shí)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?，F(xiàn)實(shí)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)重要性識別和級聯(lián)失效兩個(gè)方面對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(jì)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(jìn)一步研究。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的重要性排序一直是很多學(xué)者所關(guān)注的研究熱點(diǎn)，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(diǎn)的重要性，但計(jì)算復(fù)雜度高；基于局域信息的方法，雖然降低了計(jì)算復(fù)雜度，但排序精度有待進(jìn)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(fù)載的時(shí)變特性，負(fù)載重分配的不合理性很可能擴(kuò)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)入手，基于網(wǎng)絡(luò)的局域信息，考慮節(jié)點(diǎn)和邊的相互影響提出了一種新的節(jié)點(diǎn)重要性排序方法，同時(shí)研究了時(shí)變負(fù)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(fù)載時(shí)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(diǎn)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(hù)資源分配策略，又考慮現(xiàn)實(shí)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(diǎn)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(diǎn)重要性排序方法。該方法首先根據(jù)邊的端節(jié)點(diǎn)的屬性提出邊的重要性計(jì)算方法，然后根據(jù)端節(jié)點(diǎn)對該邊重要性的貢獻(xiàn)率確定該邊的重要性對端節(jié)點(diǎn)重要性的影響力，最后根據(jù)節(jié)點(diǎn)的連邊數(shù)量和各連邊對節(jié)點(diǎn)重要性的貢獻(xiàn)值來判斷節(jié)點(diǎn)的重要性。以節(jié)點(diǎn)移除后網(wǎng)絡(luò)效率的下降率為評價(jià)指標(biāo)兼顧方法的計(jì)算復(fù)雜度來綜合評價(jià)節(jié)點(diǎn)重要性排序方法的優(yōu)劣。
　　②考慮網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的時(shí)變特性，基于節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)剩余容量，提出一種時(shí)變負(fù)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(diǎn)移除后導(dǎo)致的失效節(jié)點(diǎn)的比例的歸一化指標(biāo)作為網(wǎng)絡(luò)抵御級聯(lián)失效能力的評價(jià)指標(biāo)，并通過算例分析、數(shù)值模擬和實(shí)例仿真研究了負(fù)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(fù)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(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)負(fù)載處理能力來對失效節(jié)點(diǎn)的負(fù)載進(jìn)行重新分配，具有極強(qiáng)的抗干擾能力。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載時(shí)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(diǎn)由于保護(hù)機(jī)制的存在可能不會(huì)立刻失效的情況，基于現(xiàn)有研究提出了一種改進(jìn)的帶有崩潰概率的級聯(lián)失效模型。同樣地，以節(jié)點(diǎn)移除后導(dǎo)致的失效節(jié)點(diǎn)的比例的歸一化指標(biāo)作為網(wǎng)絡(luò)抵御級聯(lián)失效的能力的評價(jià)指標(biāo)，通過算例分析、數(shù)值模擬和實(shí)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(hù)資源分配策略，為網(wǎng)絡(luò)中保護(hù)機(jī)制的建立和保護(hù)資源的分配提供了依據(jù)。
　　④考慮網(wǎng)絡(luò)的負(fù)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)