复杂网络上动力系统同步的研究进展

本文简要介绍复杂网络的基本概念并详细总结了近年来复杂网络上动力学系统的同步的研究进展，主要内容有复杂网络同步的稳定性分析，复杂网络上动力学系统同步的特点，网络的几何特征量对同步稳定性的影响，以及提高网络同步能力的方法等。最后文章提出了这一领域的几个有待解决的问题及可能的发展方向。     

非线性网络的动力学复杂性研究

综述了非线性网络的动力学复杂性研究在网络理论、实证和应用方面所取得的主要进展和重要成果;深刻揭示了复杂网络的若干复杂性特征与基本定量规律;提出和建立了网络科学的统一混合理论体系(三部曲)和网络金字塔,并引入一类广义Farey组织的网络家族,阐明网络的复杂性-简单性与多样性-普适性之间转变关系;揭示了网络的拓扑结构特征与网络的动态特性之间关系;建立具有长程连接的规则网络的部分同步理论并应用于随机耦合的时空非线性系统的同步;提出复杂网络的动力学同步与控制多种方法;提出若干提高同步能力的模型、方法和途径,如同步最优和同步优先模型、同步与网络特征量关系、权重作用、叶子节点影响等;提出复杂混沌网络的多目标控制及具有小世界和无标度拓扑的束流输运网络的束晕-混沌控制方法;提出集群系统的自适应同步模型及蜂拥控制方法;探讨网络上拥塞与路由控制、资源博弈及不同类型网络上传播的若干规律;揭示含权经济科学家合作网及其演化特点;实证研究并揭示了多层次的高科技企业网和若干社会网络的特点;提出一种复杂网络的非平衡统计方法,把宏观网络推进到微观量子网络。     

一个复杂网络家族的结构与同步能力研究

研究了一个介于BA无标度网络和ER随机网络之间的复杂网络家族的结构与同步能力。结果表明,在平均度保持不变的情况下,随着随机连接概率的增大,该网络家族的度分布趋于均匀,平均最短距离缓慢增大,簇系数缓慢减小,对于同步稳定区域无界的动力学系统,网络家族的同步能力基本保持不变,而对于同步稳定区域有界的动力学系统,网络家族的同步能力则逐步提高,并与度分布的标准差成线性关系。有助于理解网络结构对同步能力的影响,且对如何提高网络的同步能力有一定的指导意义。     

非线性网络的动力学复杂性研究

综述了非线性网络的动力学复杂性研究在网络理论、实证和应用方面所取得的主要进展和重要成果;深刻揭示了复杂网络的若干复杂性特征与基本定量规律;提出和建立了网络科学的统一混合理论体系(三部曲)和网络金字塔,并引入一类广义Farey组织的网络家族,阐明网络的复杂性-简单性与多样性-普适性之间转变关系;揭示了网络的拓扑结构特征与网络的动态特性之间关系;建立具有长程连接的规则网络的部分同步理论并应用于随机耦合的时空非线性系统的同步;提出复杂网络的动力学同步与控制多种方法;提出若干提高同步能力的模型、方法和途径,如同步最优和同步优先模型、同步与网络特征量关系、权重作用、叶子节点影响等;提出复杂混沌网络的多目标控制及具有小世界和无标度拓扑的束流输运网络的束晕一混沌控制方法;提出集群系统的自适应同步模型及蜂拥控制方法;探讨网络上拥塞与路由控制、资源博弈及不同类型网络上传播的若干规律;揭示含权经济科学家合作网及其演化特点;实证研究并揭示了多层次的高科技企业网和若干社会网络的特点;提出一种复杂网络的非平衡统计方法,把宏观网络推进到微观量子网络.     

一类节点结构互异的复杂网络的混沌同步

提出了一种实现节点结构互异的复杂网络的混沌同步方法.以异结构混沌系统作为节点构造复杂网络,基于Lyapunov稳定性定理确定了复杂网络中连接节点的耦合函数的形式.以Rssler系统、Coullet系统以及Lorenz系统作为网络节点构成的复杂网络为例,仿真模拟发现,整个复杂网络存在稳定的混沌同步现象.此方法不但可以实现任意混沌系统作为节点的网络混沌同步,而且网络节点数对整个复杂网络同步的稳定性也无影响,因而,具有一定的普适性. 关键词： 混沌同步 复杂网络 异结构 Lyapunov稳定性定理     

平均度对复杂网络同步能力的影响

提出了一个平均度随网络大小线性增大而其它的网络特征量保持不变或变化很小的网络,研究了平均度对其同步能力的影响。研究发现,当网络的大小增大时,该网络的平均距离基本保持不变,而平均度线性增大,且对于同步稳定区域无界的动力学系统,网络的同步能力线性地提高;而对于同步稳定区域有界的动力学系统,网络的同步能力基本保持不变。     

一门崭新的交叉科学:网络科学(下篇)

在上篇综述里,我们评述了网络科学的发展简史,基本概念和网络分类,以及国内外迄今提出的复杂网络的主要理论模型及其拓扑特性。着重总结了我们"一院二校"开展的国家自然科学基金重点项目的研究进展,上篇的研究成果主要涉及加权网络模型、和谐统一的混合模型和量子信息网络模型及其纳米网络,简单说,我们探索了从宏观网络到微观网络的不同层次的若干特点和结果。在下篇综述里,我们将系统概述5个重要课题的研究进展,从第7章到第11章,课题内容包括:复杂网络的动力学完全同步与网络的拓扑结构之间的关系;网络拓扑结构的对称性破缺导致动力学部分同步;给出判断给定网络部分同步斑图稳定性的方法和一般判据,讨论了由网络的多种拓扑对称导致的部分同步斑图的竞争和选择问题以及李指数谱的简并性质。进一步,分别以具有小世界和无标度拓扑结构的束流输运网络为典型的"混沌复杂网络",提出了实现束晕-混沌的同步和控制的若干方法,特别是实现分区网络的多目标的同步控制问题。同时,基于Vicsek模型和Boid模型,研究了生物体集群动态网络的拓扑结构和动力学方程,提出复杂多智能体网络的协调控制策略。另外,从复杂网络的不同拓扑结构对合作涌现和资源分配的作用角度,评述了三个主要的博弈模型—少数者博弈、囚徒困境和雪堆博弈,研究了复杂网络的群聚系数和网络异质性等结构特性对个体的博弈行为的重要影响。最后第12章,我们简介其它课题的进展,讨论了网络科学面临的挑战,并展望了其应用与发展前景。     

一门崭新的交叉科学:网络科学(下篇)

在上篇综述里,我们评述了网络科学的发展简史,基本概念和网络分类,以及国内外迄今提出的复杂网络的主要理论模型及其拓扑特性。着重总结了我们"一院二校"开展的国家自然科学基金重点项目的研究进展,上篇的研究成果主要涉及加权网络模型、和谐统一的混合模型和量子信息网络模型及其纳米网络,简单说,我们探索了从宏观网络到微观网络的不同层次的若干特点和结果。在下篇综述里,我们将系统概述5个重要课题的研究进展,从第7章到第11章,课题内容包括:复杂网络的动力学完全同步与网络的拓扑结构之间的关系;网络拓扑结构的对称性破缺导致动力学部分同步;给出判断给定网络部分同步斑图稳定性的方法和一般判据,讨论了由网络的多种拓扑对称导致的部分同步斑图的竞争和选择问题以及李指数谱的简并性质。进一步,分别以具有小世界和无标度拓扑结构的束流输运网络为典型的"混沌复杂网络",提出了实现束晕-混沌的同步和控制的若干方法,特别是实现分区网络的多目标的同步控制问题。同时,基于Vicsek模型和Boid模型,研究了生物体集群动态网络的拓扑结构和动力学方程,提出复杂多智能体网络的协调控制策略。另外,从复杂网络的不同拓扑结构对合作涌现和资源分配的作用角度,评述了三个主要的博弈模型—少数者博弈、囚徒困境和雪堆博弈,研究了复杂网络的群聚系数和网络异质性等结构特性对个体的博弈行为的重要影响。最后第12章,我们简介其它课题的进展,讨论了网络科学面临的挑战,并展望了其应用与发展前景。     

结点含时滞的具有零和非零时滞耦合的复杂网络混沌同步

时滞耦合的复杂网络同步已经有大量的研究成果,而网络结点含时滞的无时滞耦合的复杂网络同步的研究工作较少.为使网络模型更接近现实和适用更广的范围,建立了网络结点含时滞,而耦合兼零时滞(无时滞)和非零时滞(有时滞)的复杂网络同步模型.在网络结点上分别设置线性控制器和自适应控制器,研究了其混沌同步问题.利用李雅普诺夫稳定性定理,设计相应的正定函数,分别给出了复杂网络同步的充分条件.最后,为证实同步方案的有效性,选择时滞Logistic函数为结点动力系统,在兼无时滞和有时滞的网络上,给出了线性反馈控制同步误差数值演化趋势.     

复杂网络时空混沌同步的Backstepping设计

利用Backstepping设计进行了复杂网络时空混沌的同步研究.首先将实现两个混沌系统同步的Backstepping设计推广到由m个时空混沌系统构成任意结构的复杂网络的同步研究中.进一步依据稳定性理论确定了网络同步时配置系数和控制增益满足的关系.整个网络实现同步仅需要在网络中的一个节点施加控制输入即可.进一步通过仿真实验验证了同步机理的有效性.     

多重边融合复杂动态网络的自适应同步

基于网络拆分的思想对多重边融合复杂动态网络局部和全局的自适应同步进行了研究.通过给出严格的数学定义及假设,运用Lyapunov稳定理论得出了网络局部和全局的同步准则,给出了更为简单的网络同步的控制器.最后以Lorenz 系统为例进行数值仿真,验证了结论的正确性和有效性. 关键词： 多重边融合复杂动态网络 自适应同步 网络拆分 时滞     

权重分布对加权局域世界网络动力学同步的影响

加权网络可以更细致地刻画复杂系统中两节点之间的相互作用, 所以加权网络也比无权网络更接近真实的复杂系统. 改变权重分布来调节和改善复杂网络的性质也成为一种新的研究方法. 基于现有无权网络同步的概念, 应用特征值比R来衡量加权局域世界网络的同步能力, 发现权重分布对加权局域世界网络的同步能力有很重要的影响, 权重分布越均匀, 网络的同步能力就越大. 关键词： 权重分布 局域世界 加权网络 同步     

叶子节点对于网络同步能力影响的研究

系统考察了叶子节点对于网络同步能力的影响,发现随着叶子节点比例的增加,网络的同步能力下降,同时给出了数值结果以及理论解释. 关键词： 复杂网络 叶子节点 同步能力     

复Ginzburg-Landau方程时空混沌的网络同步与参量辨识

研究了参量未知的时空混沌系统构成复杂网络的同步与参量辨识问题. 设计的参量辨识律可以有效地辨识复杂网络中所有节点时空混沌系统中的未知参量. 基于稳定性定理, 通过构造适当的Lyapunov函数, 确定了网络完全同步的条件. 以参量未知的一维复Ginzburg-Landau方程作为网络节点为例, 通过仿真模拟检验了参量辨识律以及同步方法的有效性.     

一类输出耦合时延复杂动态网络故障诊断研究

文章针对一类输出耦合时延复杂动态网络模型,考虑节点动力学参数未知的情况,基于网络外部同步思想,提出一种对该类复杂动态网络进行故障诊断的方法.利用节点的输出变量作为反馈变量设计控制器,根据Lyapunov稳定性理论,推导网络达到外部同步的条件.该方法可以实时监控时延网络拓扑结构的变化情况,对网络进行故障诊断.通过仿真验证本文方法的有效性. 关键词： 复杂动态网络 时延 故障诊断 节点参数     

激光局域网络的混沌控制及并行队列同步

本文提出并研究了"单队列-双参数"光电延时反馈控制条件下的激光局域网络的混沌控制及串联的动力学行为的并行队列"交叉驱动-反馈"网络同步实现,建立了该光学局域网络的数学物理控制模型.通过含时延超越方程理论的分析,预言了该光学局域网络是可以实现混沌控制的,且网络两路结点队列是可以实现实时引导控制到多个类周期状态上的,并通过并行队列同步方程理论证明并行串联队列同步是可以获得的.结果发现在可控的激光局域网络两个并行串联队列光路上,分别实现了网络队列结点的混沌控制并能够实现多个类周期的网络结点的并行串联队列同步,实现了络网结点激光器的2周期、3周期、4周期等状态的并行队列同步,以及其他多个类周期的队列并行同步和动态同步.还发现了两个类周期并行队列网络同步控制区域.本文还给出了激光局域网络"并行多点混沌载波同步发射及其在光学超宽带通信中应用"的一个案例并成功实现.这是一种新型的激光混沌局域网络控制系统,具有光局域网络光传送与光联接核心控制技术要素,具有复杂动力学系统与网络的多变量、多空间维度及并行两路不同队列混沌控制技术特点,还具有光网络超宽带通信功能等.其研究结果对局域网络、光网络的控制与同步、激光技术以及混沌的研究具有重要的参考价值.     

噪声环境下时滞耦合网络的广义投影滞后同步

时滞和噪声在复杂网络中普遍存在,而含有耦合时滞和噪声摄动的耦合网络同步的研究工作却极其稀少. 本文针对噪声环境下具有不同节点动力学、不同拓扑结构及不同节点数目的耦合时滞网络,提出了两个网络之间的广义投影滞后同步. 首先,构建了更加贴近现实的驱动-响应网络同步的理论框架;其次,基于随机时滞微分方程LaSalle不变性原理,严格证明了在合理的控制器作用下,驱动网络和响应网络在几乎必然渐近稳定性意义下能够取得广义投影滞后同步;最后,借助于计算机仿真,通过具体的网络模型验证了理论推理的有效性. 数值模拟结果表明,驱动网络与响应网络不但能够达到广义投影滞后同步,而且同步效果不依赖于耦合时滞和比例因子的选取,同时也揭示了更新增益和耦合时滞对同步收敛速度的显著性影响. 关键词： 复杂网络 广义投影滞后同步 随机噪声 时滞     

基于滑模控制法实现规则网络的混沌同步

利用滑模控制法研究了规则网络的混沌同步问题. 将针对一个混沌系统进行控制或驱使一个混沌系统同步于另一个 混沌态的滑模控制法推广到由多个混沌系统构成的复杂网络的同步研究中. 设计了网络滑膜面以及控制输入, 并依据稳定性理论分析了它们的有效性. 选取Duffing系统和Coullet系统作为网络节点构成的规则网络为例进行了仿真模拟.     

非线性耦合时空混沌系统的反同步研究

利用非线性耦合方法研究了离散型时空混沌系统的反同步问题.对时空混沌系统的线性项和非线性项进行适当的分离,利用系统本身的非线性项作为耦合函数,实现了两个二维耦合映象格子的反同步.进一步将这种非线性耦合方法推广应用到由二维耦合映象格子构成复杂网络的反同步研究中,仿真模拟发现仍具有理想的反同步效果. 关键词： 反同步 非线性耦合 耦合映象格子 复杂网络     

节点结构互异的复杂网络的时空混沌反同步

研究了节点结构互异的离散型时空混沌系统构成复杂网络的反同步问题. 通过构造合适的Lyapunov函数, 确定了复杂网络中连接节点之间的耦合函数的结构以及控制增益的取值范围. 以物理中具有时空混沌行为的激光相位共轭波空间扩展系统、Gibbs电光时空混沌 模型、Bragg声光时空混沌模型以及一维对流方程的离散形式作为 网络节点构成的复杂网络为例进行了仿真模拟, 发现整个网络存在稳定的混沌反同步现象.