基于進化算法的網絡魯棒性優(yōu)化及其應用.pdf

1、網絡是表征世界的一種方式，不管是通訊、交通、運輸還是生產、交易乃至環(huán)境、生態(tài)，都可以建立成網絡，并用復雜網絡理論進行分析、研究。分析中，網絡的正常工作保證其對應的真實系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運行，然而實際的情況中，不論什么樣的系統(tǒng)都有出現(xiàn)故障的可能，不管是系統(tǒng)自身由于高頻率的運轉產生還是由于人為因素，這些故障出現(xiàn)的時候，網絡能否繼續(xù)正常工作，或者部分正常工作是關鍵。網絡魯棒性，致力于研究網絡正常情況下及遭受攻擊情況下高效運行的綜合能力，在實際應用

2、中有重要的指導作用。本文根據(jù)實際情況，以優(yōu)化的角度，就攻擊、保護網絡做了系統(tǒng)、深入的研究：
　?。?）從優(yōu)化角度比較性綜合研究網絡魯棒性指標性能?，F(xiàn)階段，網絡魯棒性評價指標多樣，優(yōu)缺點各異，不便學習、理解和研究。本文以加邊強化網絡，刪邊衰弱網絡為指導，結合不同的策略，在優(yōu)化前后的無標度網絡上，對比了網絡魯棒性指標評價的精準度；以優(yōu)化網絡魯棒性時，網絡功能增強對應重視，削弱對應犧牲為指導，對比研究了網絡魯棒性指標的側重點；以優(yōu)化后網

3、絡抵抗多種惡意攻擊能力大小為參考，對比分析了網絡魯棒性指標對惡意攻擊的考慮程度。綜合以上三點，系統(tǒng)的分析了網絡魯棒性指標衡量網絡在穩(wěn)定、多變及復雜環(huán)境中穩(wěn)定工作性能的能力。
　　（2）提出高效優(yōu)化無標度網絡抵抗惡意攻擊魯棒性的Memetic算法。無標度網絡是一類良好模擬了現(xiàn)實系統(tǒng)的網絡模型，其抵抗惡意攻擊的低能性，暴露了現(xiàn)實網絡應對惡意攻擊的易碎性。面對此問題，本文設計符合問題特征的交叉算子、局部搜索算子，從而利用Memetic算

4、法強大的全局選優(yōu)能力，結合著名的惡意攻擊形式和魯棒性評價指標提出了能高效優(yōu)化無標度網絡抵抗惡意攻擊魯棒性的Memetic算法(MA-RSFMA)。與已有的算法性能對比中，MA-RSFMA在無標度網絡模型和實際網絡上都表現(xiàn)出強大的尋優(yōu)能力。系統(tǒng)分析的實驗結果符合已有的研究成果，側面驗證“洋蔥狀”是一種魯棒的網絡結構的同時，將網絡魯棒性提升了一個層級。
　　（3）提出高效優(yōu)化無標度網絡抵抗多重惡意攻擊魯棒性的多目標進化算法。實際應用場

5、景的復雜性和魯棒性評價指標的互斥性（R與 Rl成負相關關系[13]）表明魯棒抵抗單一惡意攻擊的網絡不能滿足實際需求。基于此，本文結合問題特點，綜合考慮優(yōu)化性能和計算復雜度，結合皮爾遜相關系數(shù)選擇優(yōu)化目標的方法，充分利用單目標Memetic算法尋優(yōu)的深度和多目標進化算法尋優(yōu)的廣度，提出能高效優(yōu)化無標度網絡抵抗多樣惡意攻擊魯棒性的兩階段的多目標進化算法(MOEA-RSFMMA)。與已有的算法比較中，MOEA-RSFMMA在無標度網絡模型和實

6、際網絡中都表現(xiàn)出強大的尋優(yōu)能力。系統(tǒng)分析的實驗結果，充分說明了算法能力的同時，強調了該多目標優(yōu)化的必要性和優(yōu)化結果的實用性。
　?。?）初步研究癌癥信號網絡魯棒性，并探討了網絡魯棒性對癌癥治療的意義。癌癥信號網絡是根據(jù)癌癥在人體內信息傳遞、交互途徑建立的網絡模型。其包含癌癥運作過程中信息傳達、交互的方式，能夠表達癌癥運作的基本機制。癌癥信號網絡的有效擊毀，對癌癥的治療有重要的指導作用。本文根據(jù)網絡魯棒性研究基礎，結合攻防理論，制定

7、尋找合理描述癌癥信號網絡魯棒性指標，了解癌癥信號網絡的關鍵信息，從而給予癌癥信號網絡致命打擊的策略。據(jù)此研究，找到了與癌癥信號網絡中信息交互特性相吻合的指標，并驗證了根據(jù)該指標提供的信息而確定的網絡節(jié)點的重要性，為癌癥的治療提供了具有戰(zhàn)略意義的指導。
　?。?）提出新的惡意攻擊概念——最優(yōu)攻擊：能根據(jù)網絡拓撲結構自適應確定最優(yōu)攻擊策略?，F(xiàn)有的惡意攻擊形式多樣，但攻擊節(jié)點的重要性都是根據(jù)預先制定的評價策略計算所得，從而在攻擊不同網絡