復雜網(wǎng)絡上級聯(lián)故障的建模研究.pdf

1、級聯(lián)故障普遍發(fā)生在現(xiàn)代社會非常依賴的許多復雜的網(wǎng)絡系統(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)故障所導致的各種災難性事故屢見不鮮，對國民經(jīng)濟和社會發(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難的需要，復雜網(wǎng)絡上的級聯(lián)故障研究受到了國內(nèi)外學者的廣泛關注。在吸收國內(nèi)外研究成果的基礎上，本論文主要從復雜網(wǎng)絡理論，以及網(wǎng)絡新的不同現(xiàn)實場景的角度出發(fā)，并緊緊圍繞與級聯(lián)故障發(fā)生和傳播密切相關的流的動力學過程，對

2、級聯(lián)故障進行深入分析與理論建模，通過度量網(wǎng)絡抵制級聯(lián)故障魯棒性的指標，研究級聯(lián)故障的動力學特性，為給網(wǎng)絡制定合理有效的保護策略提供依據(jù)。論文的主要研究成果如下:
　　 1.針對復雜網(wǎng)絡遭遇攻擊引發(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，隨機攻擊和蓄意攻擊是本模型的兩個特例。研究了兩種典型的模型網(wǎng)絡上由邊攻擊而引發(fā)的節(jié)點級聯(lián)故障行為，分析

3、了信息參數(shù)對不同網(wǎng)絡抵制級聯(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)絡魯棒性的兩個關鍵因素:網(wǎng)絡的信息條件和動態(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)實網(wǎng)絡中普遍存在的分布式流，在此基礎上，使用更符合實際網(wǎng)絡的負載-容量關系，提出了基于分布式流的，帶有可調(diào)權重參數(shù)的級聯(lián)故障模型。研究了典型的加權模型網(wǎng)絡和真實網(wǎng)絡上由蓄意節(jié)點以及邊攻擊而引發(fā)的級聯(lián)故障行為。獲得了網(wǎng)絡達到分別抵制節(jié)點以及邊級聯(lián)故障

4、最強魯棒性時的不同最優(yōu)參數(shù)值。而且從仿真和實證分析兩個角度進一步與以往的最短路徑流策略進行了對比，發(fā)現(xiàn)無論是抵制節(jié)點的級聯(lián)故障還是邊的級聯(lián)故障，不需要網(wǎng)絡拓撲全局信息的分布式流策略使得網(wǎng)絡表現(xiàn)出更強的魯棒性，能更顯著地降低級聯(lián)故障動力學發(fā)生的可能性。
　　 3.為了更好地探討加權網(wǎng)絡抵制級聯(lián)故障的魯棒性問題，提出了一種介數(shù)相關的節(jié)點加權方案，并應用加權流局域重新分配原則構建了帶有可調(diào)權重參數(shù)的級聯(lián)故障模型。在不同的加權網(wǎng)絡上研究

5、了由小的節(jié)點攻擊而引發(fā)的級聯(lián)故障行為。數(shù)值仿真和理論解析結果給出了所研究的四種典型的模型網(wǎng)絡達到最強抵制級聯(lián)故障魯棒性時的權重參數(shù)值。而且與現(xiàn)有的度相關的加權策略對比，介數(shù)相關的加權策略使得網(wǎng)絡魯棒性更強，能更加降低級聯(lián)故障發(fā)生的可能性和發(fā)生時的級聯(lián)規(guī)模。該結果的有效性在對四個真實網(wǎng)絡的實證研究中得到了驗證。
　　 4.以通信網(wǎng)絡為背景，考慮網(wǎng)絡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