發(fā)布時間：2018-05-24 02:36

  本文選題：相互依存網絡 + 相互連接網絡��； 參考：《北京郵電大學》2015年碩士論文

【摘要】：相繼故障是復雜網絡研究領域中的熱點問題之一,長期以來受到專家學者們的廣泛關注。它研究的是網絡少部分元素發(fā)生故障,對整體性能所造成的災難性損害。對于這個問題的討論有助于人們深入了解現實系統(tǒng)發(fā)生大規(guī)模崩潰時的內在機制,提高現代基礎設施的安全可靠性等等。近些年來,隨著科學與技術的迅猛發(fā)展,各類基礎系統(tǒng)設施之間的依賴變得越來越強,耦合網絡模型的提出加深了人們對現代復雜系統(tǒng)內在機制的認識,討論耦合網絡上的相繼故障具有很現實的意義�？紤]到耦合關系的多樣性,相互依存網絡(Interdependent Network)和相互連接網絡(Interconnected Network)是耦合網絡中常見的兩類模型,本文分別針對這兩類網絡的相繼故障特性和保護策略展開討論,希望我們的研究結論能夠為實際中網絡系統(tǒng)的設計和災害防護,提供一些可行性的建議。 首先,我們注意到在大多數的前人研究中,網絡的拓撲結構在相繼故障過程中都發(fā)生了變化。對于相互連接網絡,本文基于網絡中節(jié)點負載(Load)動態(tài)分布的假設,提出了一種更貼合實際的相繼故障模型,認為網絡的結構不應該隨著級聯失效的傳播而發(fā)生改變。通過與單層無標度網絡(Scale-Free Network)的抗毀性能進行對比,我們發(fā)現相互連接的無標度網絡具有較高的脆弱性。而且,當網絡遭受蓄意攻擊時,提高網絡異質性會降低相互連接網絡的魯棒性。接下來在考察網絡間的耦合偏好(Coupling Preference)與級聯特性的關系時,仿真結果表明前者對后者沒有產生明顯的影響。最后,將模型應用到了北京市交通系統(tǒng)(公交網和地鐵網相互耦合形成的相互連接網絡),研究其抗毀性特征。得出系統(tǒng)受到蓄意攻擊后,地鐵網將會遭受更大的損害。而如果初始狀態(tài),公交網而非地鐵網受到了蓄意攻擊,這會使得系統(tǒng)發(fā)生更加嚴重的相繼故障。上述結論可以為相互連接網絡系統(tǒng)的設計以及最優(yōu)化提供一些實際的參考建議。 其次,對于相互依存網絡,我們早前的工作曾討論過有負載的相繼故障模型的特性,得到有負載的互依存網絡的脆弱性大大增加,而且隨著網絡異質性參數的變化呈現出一種“谷型”分布特征。由于有負載的相互依存網絡呈現出較強的脆弱性,針對其提出有效的保護措施,具有非常重要的意義。首先,我們將在單網中得到廣泛應用的無代價保護策略,直接引入到相互依存網絡,發(fā)現大多數情況下這會導致網絡發(fā)生更嚴重的相繼故障。接下來,考慮到相互依存網絡的依存關系特性,我們提出了一種改進型的無代價保護策略,并呈現出較好的保護效果,在某些網絡參數下,可以使得網絡魯棒性提升3倍有余。對于不同異質性的網絡,改進后的保護策略存在一定的容忍度有效保護范圍。通過上述細致的分析討論表明,在有效保護范圍內,調整到合理的保護強度,可以使得網絡具有最佳抵抗級聯失效的能力。 綜上所述,本文提出了基于負載動態(tài)再分布的相互連接網絡相繼故障模型,并針對有負載的相互依存網絡相繼故障模型設計了一種無代價保護策略,有助于揭示如：通訊、電力、交通、Internet等現代基礎設施系統(tǒng)級聯失效的內在規(guī)律和特征,為保證系統(tǒng)的安全可靠運行提供了重要指導。同時,在日益復雜、多變、融合的外部環(huán)境下,針對異常行為導致的網絡故障問題,本研究成果提供了新的理論與方法,并提出了具有較強實際意義的參考建議。
[Abstract]:Successive failures are one of the hot issues in the field of complex network research. It has been widely concerned by experts and scholars for a long time. It studies the disastrous damage to the overall performance of a few elements of the network. The discussion of this problem helps people to understand the large-scale collapse of the real system. Internal mechanism, improving the security and reliability of modern infrastructure, and so on. In recent years, with the rapid development of science and technology, the dependence between various basic systems and facilities becomes more and more strong. The proposed coupling network model has deepened people's understanding of the internal mechanism of modern complex systems, and discussed successive failures on the coupled network. Considering the diversity of the coupling relationship, the interdependent network (Interdependent Network) and the interconnected network (Interconnected Network) are two common types of models in the coupling network. This paper discusses the successive fault characteristics and protection strategies of the two types of networks. In the actual design of network system and disaster prevention, some feasible suggestions are provided.
First, we note that in most previous studies, the topology of the network has changed in the process of successive failures. For interconnected networks, based on the assumption of the dynamic distribution of node load (Load) in the network, this paper proposes a more practical sequential fault model, and considers that the structure of the network should not be cascaded with the cascade. The propagation of failure has changed. By comparing with the survivability of Scale-Free Network, we find that the interconnected scale-free networks have high vulnerability. Moreover, when the network suffers a deliberate attack, increasing network heterogeneity will reduce the robustness of the interconnected network. The simulation results show that the former has no obvious influence on the latter when the coupling preference (Coupling Preference) is connected with the cascade characteristics. Finally, the model is applied to the Beijing traffic system (the interconnected network coupled with the bus network and the subway network) to study its destruction characteristics. The subway network will suffer more damage. If the initial state, the bus network rather than the subway network is deliberately attacked, this will make the system more serious failure. The conclusion can provide some practical suggestions for the design and optimization of the interconnected network system.
Secondly, for the interdependent network, our earlier work has discussed the characteristics of the load sequential fault model, and the vulnerability of the load dependent interdependent networks is greatly increased, and with the changes of network heterogeneity parameters, a "valley type" distribution is presented. Frailty, it is of great significance to put forward effective protection measures. First, we will get a cost free protection strategy widely used in the single network and directly into the interdependent network. It is found that in most cases it will lead to more serious failure of the network. Next, we consider the dependency network dependency. We propose an improved non cost protection strategy and show a better protection effect. Under some network parameters, we can make the network robustness up to 3 times more. For different heterogeneous networks, the improved protection strategy has a certain tolerance range. It is shown that in the effective protection range, the reasonable protection strength can make the network have the best ability to resist cascading failures.
To sum up, this paper proposes a sequential fault model of interconnected networks based on load dynamic redistribution, and designs a non cost protection strategy for the sequential failure model of a load dependent interdependent network, which helps to reveal the inherent laws and characteristics of cascading failures of modern infrastructure systems, such as communication, electricity, traffic, and Internet. It provides an important guide for ensuring the safe and reliable operation of the system. At the same time, in the increasingly complex, changeable and integrated external environment, this research provides a new theory and method for the network fault caused by abnormal behavior, and puts forward some useful reference suggestions.
【學位授予單位】：北京郵電大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O157.5

【共引文獻】

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本文編號：1927355