基于度的正/负相关相依网络模型及其鲁棒性研究

利用典型的Barabási-Albert无标度网络构建了基于度的正/负相关相依网络模型, 该模型考虑子网络间的相依方式及相依程度, 主要定义了两个参数F和K, F表示相依节点比例, K表示相依冗余度. 在随机攻击及基于度的蓄意攻击模式下, 针对网络的级联失效问题, 研究了不同的F值和K值对该相依网络模型鲁棒性的影响, 与随机相依网络模型进行了对比研究. 仿真结果表明:无论是随机相依或是基于度的正/负相关相依网络, 其鲁棒性都是随着F的增大而减弱, 随着K的增大而增强; 在随机攻击下, 全相依模式(F=1)时, 基于度正相关相依网络模型鲁棒性最优, 部分相依模式 (F =0.2, 0.5, 0.8)时, 基于度的负相关相依网络模型则表现出更好的鲁棒性. 而在基于度的蓄意攻击下, 无论F为何值, 基于度的正相关相依网络模型表现出弱鲁棒性.     

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.     

负荷作用下相依网络中的级联故障

研究负荷作用下相依网络中的级联故障具有重要的现实意义, 可为提高相依网络的鲁棒性提供参考. 构建了双层相依网络级联故障模型, 主要研究了外部度和内部度对负荷贡献比、耦合因素、层内度-度相关性对相依网络级联故障的影响. 研究表明, 当外部度和内部度对负荷贡献比达到一定值时, 相依网络抵抗级联故障的鲁棒性最强. 而耦合因素的影响是多方面的, 为了达到较高鲁棒性, 建议采用异配耦合方式和尽可能大的平均外部度, 并尽量使外部度保持均匀分布. 另外, 与不考虑负荷作用时相反, 当表征层内度-度相关性的相关系数越大时, 其抵抗级联故障的能力越强.     

相依网络的条件依赖群逾渗

相依网络鲁棒性研究多集中于满足无反馈条件的一对一依赖,但现实网络节点往往依赖于多节点构成的依赖群,即使群内部分节点失效也不会导致依赖节点失效.针对此现象提出了一种相依网络的条件依赖群逾渗模型,该模型允许依赖群内节点失效比例不超过容忍度γ时,依赖节点仍可正常工作.通过理论分析给出了基于生成函数方法的模型巨分量方程,仿真结果表明方程理论解与相依网络模拟逾渗值相吻合,增大γ值和依赖群规模可提高相依网络鲁棒性.本文模型有助于更好地理解现实网络逾渗现象,对如何增强相依网络鲁棒性有一定指导作用.     

相依网络上基于相连边的择优恢复算法

如何有效地应对和控制故障在相依网络上的级联扩散避免系统发生结构性破碎,对于相依网络抗毁性研究具有十分重要的理论价值和现实意义.最新的研究提出一种基于相依网络的恢复模型,该模型的基本思想是通过定义共同边界节点,在每轮恢复阶段找出符合条件的共同边界节点并以一定比例实施恢复.当前的做法是按照随机概率进行选择.这种方法虽然简单直观,却没有考虑现实世界中资源成本的有限性和择优恢复的必然性.为此,针对相依网络的恢复模型,本文利用共同边界节点在极大连通网络内外的连接边数计算边界节点的重要性,提出一种基于相连边的择优恢复算法(preferential recovery based on connectivity link,PRCL)算法.利用渗流理论的随机故障模型,通过ER随机网络和无标度网络构建的不同结构相依网络上的级联仿真结果表明,相比随机方法和度数优先以及局域影响力优先的恢复算法,PRCL算法具备恢复能力强、起效时间早且迭代步数少的优势,能够更有效、更及时地遏制故障在网络间的级联扩散,极大地提高了相依网络遭受随机故障时的恢复能力.     

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     

具有弱依赖组的复杂网络上的级联失效

复杂系统的功能通过节点之间的连接而维持,部分节点的失效会对系统的连通性造成破坏而影响整体的功能.除此之外,部分节点还会通过隐含依赖性而形成“依赖组”,其中一个节点的失效会对依赖组中其余节点造成损害.本文研究了“依赖组”的平均规模,规模分布和节点之间的依赖强度对网络级联失效和鲁棒性的影响.通过数值模拟和理论分析发现,网络的级联失效在尺度层次上可以分为“组内级联”和“组间级联”两个过程.在组内级联过程中,一个节点的失效会通过节点之间的依赖性对组内其他节点造成破坏,从而诱发更多节点的失效,进而产生更大的破坏力.在组间级联过程中,失效节点会引起网络发生破碎而导致组外节点脱离网络巨分支而失效,这就引起了失效节点的跨依赖组传播.在这两种失效过程的共同作用下,网络在级联失效过程中会表现出连续和不连续的两种渗流相变现象,这两种相变现象的发生与节点间的依赖强度、网络度分布以及依赖组规模分布有关.这意味着通过控制依赖组的特征,如依赖组中节点之间的依赖强度或依赖组规模分布,可以避免系统突然崩溃进而提高网络的鲁棒性.     

基于时间序列的网络失效模型

随着网络科学的发展,静态网络已不能清晰刻画网络的动态过程.在现实网络中,个体之间的交互随时间而快速演化.这种网络模式将时间与交互过程紧密联系,能够清晰刻画节点的动态过程.因此,如何更好地基于时间序列刻画网络行为变化是现有级联失效研究的重要问题.为了更好地研究该问题,本文提出一种基于时间序列的失效模型.通过随机攻击某时刻的节点,分析了时间、激活比例、连边数、连接概率4个参数对失效的影响并发现网络相变现象.同时为验证该模型的有效性与科学性,采用真实网络进行研究.实验表明,该模型兼顾时序以及传播动力学,具有较好的可行性,为解释现实动态网络的级联传播提供了参考.     

多层网络级联失效的预防和恢复策略概述

现实生活中,与国计民生密切相关的基础设施网络大多不是独立存在的,而是彼此之间相互联系或依赖的,于是用于研究这些系统的多层网络模型随之产生.多层网络中的节点在失效或者遭受攻击后会因"层内"和"层间"的相互作用而产生级联效应,从而使得失效能够在网络层内和层间反复传播并使得失效规模逐步放大.因此,多层网络比单个网络更加脆弱.多层网络级联失效产生的影响和损失往往是非常巨大的,所以对多层网络级联失效的预防和恢复的研究具有重大意义.就多层网络级联失效的预防而言,主要包含故障检测,保护重要节点,改变网络耦合机制和节点备份等策略.就多层网络发生级联失效后的恢复策略而言,主要包含共同边界节点恢复、空闲连边恢复、加边恢复、重要节点优先恢复、更改拓扑结构、局域攻击修复、自适应边修复等策略.     

疾病传播与级联失效相互作用的研究:度不相关网络中疾病扩散条件的分析

在网络科学中,对疾病传播和级联失效的研究分属两个独立的领域,但在实际中存在许多两个过程相互耦合的情况. 比如在通信网络中,病毒传播会对数据传输造成影响,导致网络中负载变化,进而可能引发级联失效. 这个现象已被观察到. 通过建立两个动态过程相互作用的模型及针对该模型的分析,本文给出了计入节点的负载和容量时疾病爆发的条件. 这一条件是由描述疾病传播速率的传播概率与描述节点容量大小的冗余系数共同决定的. 进一步探讨表明,当疾病传播速率一定而冗余系数变化时,疾病恰好开始传播的临界点附近未感染且未失效的节点的数量是最大的,即在此点上网络处于最佳工作状态. 因此给出疾病爆发的临界条件具有重要意义. 关键词： 复杂网络 疾病传播 级联失效     

An LCOR model for suppressing cascading failure in weighted complex networks

Based on the relationship between capacity and load, cascading failure on weighted complex networks is investigated, and a load-capacity optimal relationship (LCOR) model is proposed in this paper. Compared with three other kinds of load-capacity linear or non-linear relationship models in model networks as well as a number of real-world weighted networks including the railway network, the airports network and the metro network, the LCOR model is shown to have the best robustness against cascading failure with less cost. Furthermore, theoretical analysis and computational method of its cost threshold are provided to validate the effectiveness of the LCOR model. The results show that the LCOR model is effective for designing real-world networks with high robustness and less cost against cascading failure.     

基于相继故障信息的网络节点重要度演化机理分析

分析了过载机制下节点重要度的演化机理.首先,在可调负载重分配级联失效模型基础上,根据节点失效后其分配范围内节点的负载振荡程度,提出了考虑级联失效局域信息的复杂网络节点重要度指标.该指标具有两个特点:一是值的大小可以清晰地指出节点的失效后果;二是可以依据网络负载分配范围、负载分配均匀性、节点容量系数及网络结构特征分析节点重要度的演化情况.然后,给出该指标的仿真算法,并推导了最近邻择优分配和全局择优分配规则下随机网络和无标度网络节点重要度的解析表达式.最后,实验验证了该指标的有效性和可行性,并深入分析了网络中节点重要度的演化机理,即非关键节点如何演化成影响网络级联失效行为的关键节点.     

基于可调负载重分配的无标度网络连锁效应分析

为了深入研究复杂网络抵制连锁故障的全局鲁棒性,针对现实网络上的负载重分配规则常常是介于全局分配与最近邻分配、均匀分配与非均匀分配的特点,围绕负荷这一影响连锁故障发生和传播最重要的物理量以及节点崩溃后的动力学过程,提出了一种可调负载重分配范围与负载重分配异质性的复杂网络连锁故障模型,并分析了该模型在无标度网络上的连锁故障条件.数值模拟获得了复杂网络抵制连锁故障的鲁棒性与模型中参数的关系.此外,基于网络负载分配规则的分析以及理论解析的推导,验证了数值模拟结论,也证明在最近邻与全局分配两种规则下都存在负载分配均匀性参数等于初始负荷强度参数即β=τ使得网络抵御连锁故障的能力最强.     

Model for cascading failures with adaptive defense in complex networks

<正>This paper investigates cascading failures in networks by considering interplay between the flow dynamic and the network topology,where the fluxes exchanged between a pair of nodes can be adaptively adjusted depending on the changes of the shortest path lengths between them.The simulations on both an artificially created scale-free network and the real network structure of the power grid reveal that the adaptive adjustment of the fluxes can drastically enhance the robustness of complex networks against cascading failures.Particularly,there exists an optimal region where the propagation of the cascade is significantly suppressed and the fluxes supported by the network are maximal. With this understanding,a costless strategy of defense for preventing cascade breakdown is proposed.It is shown to be more effective for suppressing the propagation of the cascade than the recent proposed strategy of defense based on the intentional removal of nodes.