小世界网络浅介

正一、小世界网络的基本定义复杂网络由许多节点及节点之间相连接的边构成,可以刻画自然和社会中大量的复杂系统。网络中的节点代表系统的构成元素,连边则描述两个元素之间的相互作用。一个网络的规模大小和稀疏稠密性质可由网络平均路径长度及网络群聚性这两个网络结构性质的参数来度量。网络中两个节点之间的连边数称为两节点之间的路径长度,网络的平均路径长度是网络中任意两个节点之间的最短路径长度的平均值。网     

与地理环境相关的中国铁路客运网拓扑结构

以中国铁路车站作为“节点”,每辆列车经过的相邻两个停靠车站之间连接一条“边”,构成有方向有权重的中国铁路客运网.首先研究了该网络的拓扑结构,包括连接度、聚集系数、最短路径和强度,结果表明中国铁路客运网的连接度分布,强度分布都是介于指数分布和幂率分布之间,是一个具有小世界性质的阶层网络.修建铁路需考虑人口分布,行政区域等因素.铁路固定设施成本高,修建完成后很难做变动,因此需考虑诸多空间地理环境对中国铁路客运网的影响,如站点的连接度和站点的相连站点之间的平均行驶距离之间的关系、车站的分布密度与人口密度的关系, 关键词： 铁路客运网 拓扑统计 小世界 地理环境     

一种基于随机行走和策略连接的网络演化模型

本文提出了一个基于随机行走和策略选择的复杂网络局域演化模型RAPA. 新节点加入系统不需要全局知识,而是通过随机行走构造局域世界;然后依据概率采用随机连接,"扶贫"连接或"亲富"连接策略,从局域世界中选择节点增加连接边;最终自组织演化具有幂律特点的复杂网络. 初步的解析计算和仿真实验都表明,RAPA模型不仅重现了具有小世界特性、整体上的无标度特性,还可以演化出小变量饱和以及指数截断等现象,同时也具有明显的聚类特性,并能够构造出同配或异配等不同混合模式的网络. 关键词： 复杂网络 模型 随机行走 策略连接     

一类高聚类系数的加权无标度网络及其同步能力分析

针对真实世界中大规模网络都具有明显聚类效应的特点, 提出一类具有高聚类系数的加权无标度网络演化模型, 该模型同时考虑了优先连接、三角结构、随机连接和社团结构等四种演化机制. 在模型演化规则中, 以概率p增加单个节点, 以概率1–p增加一个社团. 与以往研究的不同在于新边的建立, 以概率φ在旧节点之间进行三角连接, 以概率1–φ进行随机连接. 仿真分析表明, 所提出的网络度、强度和权值分布都是服从幂律分布的形式, 且具有高聚类系数的特性, 聚类系数的提高与社团结构和随机连接机制有直接的关系. 最后通过数值仿真分析了网络演化机制对同步动态特性的影响, 数值仿真结果表明, 网络的平均聚类系数越小, 网络的同步能力越强. 关键词： 无标度网络 加权网络 聚类系数 同步能力     

基于感知流量算法的复杂网络拥塞问题研究

研究了在具有感知流量的路由策略下,复杂网络的拓扑结构对网络中传输流量的影响.为了描述数据包传输过程的有效性,通过引入一个状态参数,利用由稳态到拥塞的指标流量相变值来刻画网络的吞吐量.基于每个节点的数据包处理能力与该节点的度或介数成比例提出两种模型并进行仿真.仿真结果表明,平均度相同的情况下,模型Ⅰ中,WS小世界网络比ER随机网络和BA无标度网络更容易产生拥塞;模型Ⅱ中,所有网络容量都得到较大的提高,尤其是WS小世界网络.但当网络的基本连接参数改变时,哪种模型更利于网络的流量传输,还要依据网络本身的结构特性 关键词： 复杂网络 无标度网络 感知流量 拥塞     

度关联无标度网络上的有倾向随机行走

有倾向随机行走是研究网络上数据包路由策略的有效方法. 由于许多真实技术网络包括互联网都具有负的度关联特征, 因此本文研究这种网络上的有倾向随机行走性质. 研究表明: 在负关联网络上粒子可以在连接度较大的节点上均匀分布, 而连接度小的节点上粒子较少; 负关联网络上随机行走的速度比非关联网络更快; 找到了负关联网络上的最佳倾向性系数, 在此情况下负关联网络上随机行走的速度远快于非关联网络. 负关联网络既可以利用度小的节点容纳粒子, 又可以利用度大的节点快速传输, 这是负关联网络上高行走效率产生的机制.     

中国铁路客运网网络性质的研究

中国铁路客运系统可以采用两种不同的网络构建方式来描述. 一种是以铁路的站点作为“节点”，并以轨道作为“边”，这样生成的网络称为铁路地理网. 统计显示该网络的平均群聚系数〈C〉近似为零，故该网络为树状网络. 另一种是以站点作为“节点”，任意两个站点间只要有同一列车在这两个站点停靠，就可以认为这两个站点间有连线，这样生成的网络称为车流网. 统计显示该网络有较大的平均群聚系数和较小的平均网络距离〈d〉，而且该网络节点的度分布基本上服从无标度幂律分布，故车流网为具有无标度性质的小世界网络. 关键词： 铁路地理网 车流网 小世界 无标度分布     

带有层级结构的复杂网络级联失效模型

针对现实世界的网络中普遍存在的层级结构建立一个级联失效模型, 该模型可用于优化金融、物流网络设计. 选择的层级网络模型具有树形骨架和异质的隐含连接, 并且骨架中每层节点拥有的分枝数服从正态分布. 级联失效模型中对底层节点的打击在不完全信息条件下进行, 也即假设打击者无法观察到隐含连接. 失效节点的负载重分配考虑了层级异质性, 它可以选择倾向于向同级或高层级完好节点分配额外负载. 仿真实验表明, 层级网络的拓扑结构随连接参数变化逐渐从小世界网络过渡到随机网络. 网络级联失效规模随隐含连接比例呈现出先增加后降低的规律. 负载重分配越倾向于高层级节点, 网络的抗毁损性越高. 同时, 由于连接参数会改变隐含连接在不同层级之间的分布, 进而对网络的抗毁损性产生显著影响, 为了提高网络抗毁损能力, 设计网络、制定管理控制策略时应合理设定连接参数. 关键词： 复杂网络 级联失效 层级结构     

1—30d尺度温度关联网动力学统计性质研究

利用美国国家环境预报中心再分析资料中的温度资料,从低频和高频振荡等多种尺度构建温度关联网络,并分析其动力学统计性质及转换条件.研究表明：1和30d尺度下温度关联网络分别属于小世界网络和类全局耦合网络.温度关联网络在两种类型之间转化的时间尺度条件为11—12d.1d尺度节点的连边数南北半球呈准对称分布,赤道附近的低纬度地区存在三个连边数较大的区域：热带印度洋海域、赤道东太平洋海域和赤道东大西洋海域.海陆气候子系统的关联性差异导致30d尺度温度关联网络中陆地节点的联边数较少,节点之间的关联性相对海洋要差许多. 关键词： 多尺度 小世界网络 全局耦合网络 关联阈值     

混合流体浸润相变的研究(Ⅲ)——二元系统的四相共存态

本文讨论二元Sullivan系统的一个特殊状态——二元四相系的浸润相变性质,该系统的许多性质可以通过对两个二元二相系的讨论而得到。结果表明:这一系统同时存在一级相变和二级相变。 关键词：     

具有双峰特性的双层超网络模型

随着社会经济的快速发展,社会成员及群体之间的关系呈现出了更复杂、更多元化的特点.超网络作为一种描述复杂多元关系的网络,已在不同领域中得到了广泛的应用.服从泊松度分布的随机网络是研究复杂网络的开创性模型之一,而在现有的超网络研究中,基于ER随机图的超网络模型尚属空白.本文首先在基于超图的超网络结构中引入ER随机图理论,提出了一种ER随机超网络模型,对超网络中的节点超度分布进行了理论分析,并通过计算机仿真了在不同超边连接概率条件下的节点超度分布情况,结果表明节点超度分布服从泊松分布,符合随机网络特征并且与理论推导相一致.进一步,为更准确有效地描述现实生活中的多层、异质关系,本文构建了节点超度分布具有双峰特性,层间采用随机方式连接,层内分别为ER-ER,BA-BA和BA-ER三种不同类型的双层超网络模型,理论分析得到了三种双层超网络节点超度分布的解析表达式,三种双层超网络在仿真实验中的节点超度分布均具有双峰特性.     

一种全局同质化相依网络耦合模式

相依网络的相依模式(耦合模式)是影响其鲁棒性的重要因素之一.本文针对具有无标度特性的两个子网络提出一种全局同质化相依网络耦合模式.该模式以子网络的总度分布均匀化为原则建立相依网络的相依边,一方面压缩度分布宽度,提高其对随机失效的抗毁性,另一方面避开对度大节点(关键节点)的相依,提高其对蓄意攻击的抗毁性.论文将其与常见的节点一对一的同配、异配及随机相依模式以及一对多随机相依模式作了对比分析,仿真研究其在随机失效和蓄意攻击下的鲁棒性能.研究结果表明,本文所提全局同质化相依网络耦合模式能大大提高无标度子网络所构成的相依网络抗级联失效能力.本文研究成果能够为相依网络的安全设计等提供指导意义.     

The exponential degree distribution in complex networks: Non-equilibrium network theory, numerical simulation and empirical data

The exponential degree distribution has been found in many real world complex networks, based on which, the random growing process has been introduced to analyze the formation principle of such kinds of networks. Inspired from the non-equilibrium network theory, we construct the network according to two mechanisms: growing and adjacent random attachment. By using the Kolmogorov-Smirnov Test (KST), for the same number of nodes and edges, we find the simulation results are remarkably consistent with the predictions of the non-equilibrium network theory, and also surprisingly match the empirical databases, such as the Worldwide Marine Transportation Network (WMTN), the Email Network of University at Rovira i Virgili (ENURV) in Spain and the North American Power Grid Network (NAPGN). Our work may shed light on interpreting the exponential degree distribution and the evolution mechanism of the complex networks.     

Duplication： a Mechanism Producing Disassortative Mixing Networks in Biology

Assortative/disassortative mixing is an important topological property of a network. A network is called assortative mixing if the nodes in the network tend to connect to their connectivity peers, or disassortative mixing if nodes with low degrees are more likely to connect with high-degree nodes. We have known that biological networks such as protein-protein interaction networks （PPI）, gene regulatory networks, and metabolic networks tend to be disassortative. On the other hand, in biological evolution, duplication and divergence are two fundamental processes. In order to make the relationship between the property of disassortative mixing and the two basic biological principles clear and to study the cause of the disassortative mixing property in biological networks, we present a random duplication model and an anti-preference duplication model. Our results show that disassortative mixing networks can be obtained by both kinds of models from uncorrelated initial networks. Moreover, with the growth of the network size, the disassortative mixing property becomes more obvious.     

Finding communities in directed networks by PageRank random walk induced network embedding

Community structure has been found to exist ubiquitously in many different kinds of real world complex networks. Most of the previous literature ignores edge directions and applies methods designed for community finding in undirected networks to find communities. Here, we address the problem of finding communities in directed networks. Our proposed method uses PageRank random walk induced network embedding to transform a directed network into an undirected one, where the information on edge directions is effectively incorporated into the edge weights. Starting from this new undirected weighted network, previously developed methods for undirected network community finding can be used without any modification. Moreover, our method improves on recent work in terms of community definition and meaning. We provide two simulated examples, a real social network and different sets of power law benchmark networks, to illustrate how our method can correctly detect communities in directed networks.     

A general evolving model for growing bipartite networks

In this Letter, we propose and study an inner evolving bipartite network model. Significantly, we prove that the degree distribution of two different kinds of nodes both obey power-law form with adjustable exponents. Furthermore, the joint degree distribution of any two nodes for bipartite networks model is calculated analytically by the mean-field method. The result displays that such bipartite networks are nearly uncorrelated networks, which is different from one-mode networks. Numerical simulations and empirical results are given to verify the theoretical results.     

一种基于点和边差异性的网络结构熵

熵是反映网络异构性的重要指标. 由于只是关注网络结构中"点"或"边"的单一作用,基于度分布和度相对值的两种传统熵在刻画网络结构特征时均存在缺陷. 文章综合考虑"点"和"边"差异性,定义一种新的网络结构熵,并对规则网络、随机网络和无标度网络等结构熵进行理论分析和仿真实验. 结果表明,这种新网络结构熵可以更有效地反映网络的结构特征,尤其是对于稀疏网络及星型网络的结构差异解释更为合理. 关键词： 均匀网络 无标度网络 熵     

Mean-field Theory for Some Bus Transport Networks with Random Overlapping Clique Structure

Transport networks, such as railway networks and airport networks, are a kind of random network with complex topology. Recently, more and more scholars paid attention to various kinds of transport networks and try to explore their inherent characteristics. Here we study the exponential properties of a recently introduced Bus Transport Networks （BTNs） evolution model with random overlapping clique structure, which gives a possible explanation for the observed exponential distribution of the connectivities of some BTNs of three major cities in China. Applying mean-field theory, we analyze the BTNs model and prove that this model has the character of exponential distribution of the connectivities, and develop a method to predict the growth dynamics of the individual vertices, and use this to calculate analytically the connectivity distribution and the exponents. By comparing mean-field based theoretic results with the statistical data of real BTNs, we observe that, as a whole, both of their data show similar character of exponential distribution of the connectivities, and their exponents have same order of magnitude, which show the availability of the analytical result of this paper.     

小世界网络与无标度网络的社区结构研究

模块性(modularity)是度量网络社区结构(community structure)的主要参数.探讨了Watts和Strogatz的小世界网络(简称W-S模型)以及Barabàsi 等的B-A无标度网络(简称B-A模型)两类典型复杂网络模块性特点.结果显示，网络模块性受到网络连接稀疏的影响，W-S模型具有显著的社区结构，而B-A模型的社区结构特征不明显.因此，应用中应该分别讨论网络的小世界现象和无标度特性.社区结构不同于小世界现象和无标度特性，并可以利用模块性区别网络类型，因此网络复杂性指标应该包括 关键词： 模块性 社区结构 小世界网络 无标度网络