復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)上級聯(lián)故障的建模研究.pdf

1、級聯(lián)故障普遍發(fā)生在現(xiàn)代社會(huì)非常依賴的許多復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上，如通信網(wǎng)、交通網(wǎng)、電力網(wǎng)、供水網(wǎng)、供氣網(wǎng)等。近年來大規(guī)模級聯(lián)故障所導(dǎo)致的各種災(zāi)難性事故屢見不鮮，對國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展造成了巨大沖擊和極其不利的影響。得益于理解和控制這類災(zāi)難的需要，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)上的級聯(lián)故障研究受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。在吸收國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，本論文主要從復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，以及網(wǎng)絡(luò)新的不同現(xiàn)實(shí)場景的角度出發(fā)，并緊緊圍繞與級聯(lián)故障發(fā)生和傳播密切相關(guān)的流的動(dòng)力學(xué)過程，對

2、級聯(lián)故障進(jìn)行深入分析與理論建模，通過度量網(wǎng)絡(luò)抵制級聯(lián)故障魯棒性的指標(biāo)，研究級聯(lián)故障的動(dòng)力學(xué)特性，為給網(wǎng)絡(luò)制定合理有效的保護(hù)策略提供依據(jù)。論文的主要研究成果如下:
　　 1.針對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)遭遇攻擊引發(fā)的級聯(lián)故障問題，考慮攻擊信息的不完全精確性以及邊到節(jié)點(diǎn)的失效模式，提出了基于灰色信息的級聯(lián)故障模型。其中信息精度可以通過參數(shù)調(diào)節(jié)控制，隨機(jī)攻擊和蓄意攻擊是本模型的兩個(gè)特例。研究了兩種典型的模型網(wǎng)絡(luò)上由邊攻擊而引發(fā)的節(jié)點(diǎn)級聯(lián)故障行為，分析

3、了信息參數(shù)對不同網(wǎng)絡(luò)抵制級聯(lián)故障魯棒性的影響，并發(fā)現(xiàn)了其中的臨界現(xiàn)象，揭示了決定網(wǎng)絡(luò)魯棒性的兩個(gè)關(guān)鍵因素:網(wǎng)絡(luò)的信息條件和動(dòng)態(tài)特性。
　　 2.考慮以自然定律所決定的流量模型來建模在現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)中普遍存在的分布式流，在此基礎(chǔ)上，使用更符合實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載-容量關(guān)系，提出了基于分布式流的，帶有可調(diào)權(quán)重參數(shù)的級聯(lián)故障模型。研究了典型的加權(quán)模型網(wǎng)絡(luò)和真實(shí)網(wǎng)絡(luò)上由蓄意節(jié)點(diǎn)以及邊攻擊而引發(fā)的級聯(lián)故障行為。獲得了網(wǎng)絡(luò)達(dá)到分別抵制節(jié)點(diǎn)以及邊級聯(lián)故障

4、最強(qiáng)魯棒性時(shí)的不同最優(yōu)參數(shù)值。而且從仿真和實(shí)證分析兩個(gè)角度進(jìn)一步與以往的最短路徑流策略進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)無論是抵制節(jié)點(diǎn)的級聯(lián)故障還是邊的級聯(lián)故障，不需要網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙中畔⒌姆植际搅鞑呗允沟镁W(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出更強(qiáng)的魯棒性，能更顯著地降低級聯(lián)故障動(dòng)力學(xué)發(fā)生的可能性。
　　 3.為了更好地探討加權(quán)網(wǎng)絡(luò)抵制級聯(lián)故障的魯棒性問題，提出了一種介數(shù)相關(guān)的節(jié)點(diǎn)加權(quán)方案，并應(yīng)用加權(quán)流局域重新分配原則構(gòu)建了帶有可調(diào)權(quán)重參數(shù)的級聯(lián)故障模型。在不同的加權(quán)網(wǎng)絡(luò)上研究

5、了由小的節(jié)點(diǎn)攻擊而引發(fā)的級聯(lián)故障行為。數(shù)值仿真和理論解析結(jié)果給出了所研究的四種典型的模型網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最強(qiáng)抵制級聯(lián)故障魯棒性時(shí)的權(quán)重參數(shù)值。而且與現(xiàn)有的度相關(guān)的加權(quán)策略對比，介數(shù)相關(guān)的加權(quán)策略使得網(wǎng)絡(luò)魯棒性更強(qiáng)，能更加降低級聯(lián)故障發(fā)生的可能性和發(fā)生時(shí)的級聯(lián)規(guī)模。該結(jié)果的有效性在對四個(gè)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)證研究中得到了驗(yàn)證。
　　 4.以通信網(wǎng)絡(luò)為背景，考慮網(wǎng)絡(luò)擁塞全局信息的難以獲得性，提出了一種基于局域擁塞信息的，帶有可調(diào)參數(shù)的路由策略，在此