面向復雜網絡的節(jié)點重要性排序和級聯失效研究.pdf

1、20世紀90年代末期，隨著小世界網絡和無標度網絡模型的提出，復雜網絡的研究進入了一個嶄新的階段，越來越多的人開始關注復雜網絡。作為復雜性科學的一個重要分支，復雜網絡的理論研究得到飛速發(fā)展，并且已經滲透到數理學科、生命科學以及工程學科等各種領域。
　　當今隨著物聯網的興起和發(fā)展，智慧城市進程的加快，各種網絡系統(tǒng)紛紛涌現并得到快速發(fā)展，人類社會生活已經越來越依賴這些基礎設施網絡系統(tǒng)，如電力網絡、通信網絡、Internet、航空網絡以及

2、物流網絡等等。這些基礎設施網絡在為人類生活帶來便利的同時也埋下了安全隱患，如交通網絡的擁堵、大面積的停電事故等等?，F實世界中的這些網絡大都可以抽象成復雜網絡，復雜網絡為研究現實網絡系統(tǒng)提供了一種新的途徑。
　　通過對基礎設施系統(tǒng)災難性事件的分析發(fā)現，重要節(jié)點以及級聯失效現象對基礎設施系統(tǒng)功能的影響非常大，因此，本文從網絡節(jié)點重要性識別和級聯失效兩個方面對復雜網絡進行研究，旨在減少基礎設施系統(tǒng)中災難性事件的發(fā)生避免不必要的經濟損失。

3、雖然現有的相關研究已經取得了一些理論成果，但仍存在很多問題有待進一步研究。復雜網絡中節(jié)點的重要性排序一直是很多學者所關注的研究熱點，現有的基于全局信息的方法，如介數中心性，能夠較為有效地判斷節(jié)點的重要性，但計算復雜度高；基于局域信息的方法，雖然降低了計算復雜度，但排序精度有待進一步提高。另外，目前關于復雜網絡級聯失效模型的研究也很多，但很多模型沒有考慮網絡負載的時變特性，負載重分配的不合理性很可能擴大網絡級聯失效的規(guī)模。鑒于此，本文從網

4、絡拓撲結構入手，基于網絡的局域信息，考慮節(jié)點和邊的相互影響提出了一種新的節(jié)點重要性排序方法，同時研究了時變負載對網絡級聯失效的影響，并提出了一種新的級聯失效模型，減小負載時變網絡級聯失效的規(guī)模。另外，考慮人為干預對網絡級聯失效的影響，研究了過載節(jié)點崩潰概率對網絡級聯失效的影響，并提出了相應的保護資源分配策略，又考慮現實網絡間的相互依賴關系，研究了耦合作用下網絡級聯失效的影響因素。具體工作如下：
　?、倏紤]網絡中節(jié)點和邊的相互依存相

5、互影響，提出了一種基于邊重要性的節(jié)點重要性排序方法。該方法首先根據邊的端節(jié)點的屬性提出邊的重要性計算方法，然后根據端節(jié)點對該邊重要性的貢獻率確定該邊的重要性對端節(jié)點重要性的影響力，最后根據節(jié)點的連邊數量和各連邊對節(jié)點重要性的貢獻值來判斷節(jié)點的重要性。以節(jié)點移除后網絡效率的下降率為評價指標兼顧方法的計算復雜度來綜合評價節(jié)點重要性排序方法的優(yōu)劣。
　?、诳紤]網絡負載的時變特性，基于節(jié)點的實時剩余容量，提出一種時變負載重分策略，并以此策

6、略構建新的級聯失效模型。以節(jié)點移除后導致的失效節(jié)點的比例的歸一化指標作為網絡抵御級聯失效能力的評價指標，并通過算例分析、數值模擬和實例仿真研究了負載重分策略對網絡抵御級聯失效能力的影響。相比已有的基于固定負載重分策略的級聯失效模型，新模型能夠根據失效節(jié)點的鄰節(jié)點的實時負載處理能力來對失效節(jié)點的負載進行重新分配，具有極強的抗干擾能力。在網絡負載時變的情況下，新模型能夠有效提高網絡抵御級聯失效的能力。
　?、鄄煌诂F有的大多數研究，本

7、文考慮過載節(jié)點由于保護機制的存在可能不會立刻失效的情況，基于現有研究提出了一種改進的帶有崩潰概率的級聯失效模型。同樣地，以節(jié)點移除后導致的失效節(jié)點的比例的歸一化指標作為網絡抵御級聯失效的能力的評價指標，通過算例分析、數值模擬和實例仿真研究了模型中的參數對網絡級聯失效規(guī)模的影響，并提出了相應的保護資源分配策略，為網絡中保護機制的建立和保護資源的分配提供了依據。
　?、芸紤]網絡的負載特性，基于兩種失效模式對不同條件下網絡間耦合作用對網