基于耦合策略的相依网络级联故障研究

随着基础设施网络的不断扩大,使得网络之间的相依性不断增加,导致相依网络系统中发生的级联故障较为严重。对此,本文提出了一个在相依网络系统中研究级联故障的理论框架,其中考虑了层内和层间的级联故障的影响,探究了跨层网络元件之间的不同耦合方式,即相依方式对级联故障的动态影响。通过利用提出的理论框架,对三种有代表性的耦合方式,即随机耦合、"低到高"耦合和"高到高"耦合,进行实验比较。结果显示,"高到高"耦合曲线非常接近Sfin=Sinit曲线,其余两个耦合方式在某些情况下导致电网最终级联故障增加了150%,在通信网中更严重;且在相依网络为一对一耦合模型下,两个相依网络节点的耦合方式对级联故障的最终影响程度起着关键作用,与其他形式的相依耦合方式相比,将两个网络的对等节点耦合,即"高到高"耦合所产生的级联故障较小,有效减轻相依网络级联故障的潜在策略。     

相依网络在不同攻击策略下的鲁棒性

相依网络的鲁棒性是网络科学研究的重点问题之一,目前很多重要的工作都致力于这一问题的研究.基于此,系统研究了相依网络在几种蓄意攻击策略下的级联失效过程,发现了同时考虑两个网络中相依节点度的特性比考虑单侧网络节点度的特性的攻击策略更有效.研究成果不但有助于理解相依网络级联失效的过程,而且为找到相依网络的弱点并进行有效的保护和攻击提供了有益的提示.     

灰色信息攻击下相依网络的鲁棒性

研究了双层相依网络在灰色信息攻击下的鲁棒性,讨论了在该模型上的数据包传输问题,建立了一个由节点负荷过载而引发的级联失效动态模型.通过一个可调参数来控制攻击网络节点信息的精度,随机失效和蓄意攻击是该模型的两种极端情况.分别对不同类型网络和不同耦合方式情况下的双层相依网络鲁棒性进行了研究.仿真实验发现,降低攻击信息的精度能提高网络的鲁棒性,而且攻击信息的精度存在着临界现象.     

BA无标度通信网络的级联故障研究

研究了通信网络在不同通信负载下的鲁棒性问题.采用BA无标度网络作为通信网络模型,采用大度节点优先的局域结构路由策略,研究了网络在自由畅通态的级联故障.仿真研究表明:网络的鲁棒性、平均效率随网络中信息产生速率的增加而减小;当网络处于临界拥塞态时,攻击网络中10％的节点,网络中会有约50％的节点由于级联而失效,攻击网络中20％的节点就会使网络的效率变为零;当网络中节点负荷较轻时,攻击网络中40％～50％的最大度节点也可使得整个网络崩溃.     

基于节点重要度动态评估的复杂网络级联失效分析

级联失效前的评估和检测是预防和控制级联失效现象的关键,对充分把握整个网络系统的稳定运行至关重要。为深入探究级联失效传播过程的内在机理,提出一种考虑网络动态特性的节点重要度评估模型;在此基础上,采用一种更符合真实复杂系统的非线性容量负载模型,利用该模型进行不同攻击策略下的级联失效仿真,以网络的最大连通子图比例为测度量化网络抵御级联失效的抗毁性,仿真结果表明,节点41所在的广安市与节点55所在的重庆市,无论是在静态节点重要度评估,还是动态节点重要度评估下,均是成渝铁路网络中最关键的节点;此外,不考虑级联失效情况下,在网络的静态拓扑结构中,节点的度中心性更能代表节点的关键程度;而在动态的网络拓扑结构中,节点的介数中心性更能代表节点的重要性,与度值攻击相比,采用重要度攻击策略能以更快的速度击溃网络;考虑级联失效情况下,与其他攻击策略比较,采用重要度攻击策略时,在级联失效的作用下,仅攻击2个节点,网络便会迅速崩溃,验证了节点重要度动态评估模型的有效性;同时探讨了网络在不同模型参数下抵御级联失效的抗毁性,实验结果表明,在一定范围内提高负载系数、容量系数可以有效提高网络抵制级联失效的抗毁性;受网络拓扑结构和攻击策略的影响,需设置较大的节点容量,来预防网络的级联失效。     

带有邻居度信息的容量负载模型下电网级联故障研究

考虑节点及其邻居节点的度值信息,本文提出了一种全新的节点容量负载模型,并将其应用到美国西部电网等电网级联故障研究中。通过高负载攻击(HL攻击)和低负载攻击(LL攻击)2种方式来攻击电网,仿真实验表明,与传统的基于节点度的容量负载模型相比,改进负载模型的电网具有更好的鲁棒性和抗毁性。通过对受攻击节点的邻居度值和与其本身度值之比的研究,分析了本文所提容量负载模型可以减小网络级联故障规模的原因。     

基于多子网复合复杂网络模型的级联失效研究

针对目前耦合网络级联失效的研究方法仅限于单个关系的问题,根据多子网复合复杂网络模型构建复合网络,结合多种关系研究了复合网络级联失效问题,考察在不同影响因素下,网内关系和加载关系对网络鲁棒性的影响。研究结果表明,网内关系和加载关系共同影响着网络级联失效的过程及规模,复合网络中两子网拓扑结构不同,网内关系对网络的影响不同;加载关系强度占比越大,网络鲁棒性越强。关系强度比例对网络故障规模存在决定性影响。     

电力信息物理融合系统结构脆弱性分析

为了识别电力信息物理融合系统(Cyber Physical Power System,CPPS)脆弱性并制定相应脆弱性防控策略,从结构的角度,建立电力网为IEEE118节点系统、双星型信息网和网型信息网2种具有不同子网络结构的CPPS相依网络模型.提出一种相依节点对重要度综合指标,该指标可以辨识对CPPS结构脆弱性产生重大影响的相依节点对,克服单层网络指标的局限性.基于相依网络连锁故障模型,分别采用随机攻击策略和蓄意攻击策略,分析2种CPPS的结构脆弱性,并研究关键节点保护策略对2种CPPS结构脆弱性的影响.仿真结果表明,随机攻击策略下,网型信息网CPPS的结构比双星型信息网CPPS更加脆弱.蓄意攻击策略下,优先攻击相依节点对对网络连通性的破坏程度更大.合理选取关键节点保护策略的保护节点可以改善系统的结构脆弱性.     

加权BA网络负荷重分配建模及级联抗毁性

增强复杂网络在级联故障下的抗毁性具有重要的实际应用意义。在考虑了网络中边之间的差异性,基于BA无标度网络模型构建了加权BA无标度网络模型,对负荷重分配策略进行建模,分析了分配过程中局部规模大小对网络抗毁性的影响,确定出了最佳负荷重分配策略,并研究了蓄意攻击条件下采取不同负荷重分配策略时重要网络参数对网络抗毁性的影响。仿真结果表明,局部规模越小、权重系数越小、平均度越大,网络的抗毁性越强,且采用就近局部负荷重分配策略时网络抗毁性始终高于采用就近全局负荷重分配策略时网络的抗毁性。研究结果可为提高复杂系统的级联抗毁性提供理论参考。     

加权BA网络负荷重分配建模及级联抗毁性研究

增强复杂网络在级联故障下的抗毁性具有重要的现实意义。文中考虑了网络中边之间的差异性,基于BA无标度网络模型构建了加权BA无标度网络模型,对负荷重分配策略进行建模,分析了分配过程中局部规模大小对网络抗毁性的影响,确定出了最佳负荷重分配策略,并研究了蓄意攻击条件下采取不同负荷重分配策略时重要网络参数对网络抗毁性的影响。仿真结果表明,局部规模越小、权重系数越小、平均度越大,网络的抗毁性越强,且采用就近局部负荷重分配策略时网络抗毁性始终高于采用就近全局负荷重分配策略时网络的抗毁性。研究结果可为提高复杂系统的级联抗毁性提供理论参考。     

基于多关系网络模型的级联失效研究

针对目前网络级联失效研究未涉及多关系网络的问题,根据多子网复合网络模型构建多关系网络,采用负载—容量模型研究多关系网络级联失效现象。考察不同影响因素下,节点之间的关系强度和关系类型对网络级联失效规模的影响。研究结果表明,根据关系类型调整关系强度比例系数,可有效提高网络的鲁棒性。     

基于节点状态的中南地区民航网络级联失效

随着中国各类突发事件的频繁发生,为保障民航交通网络的安全运营,使民航网络在不断动态演化过程中保持较强的网络抗毁能力,通过复杂网络理论构建民航网络级联失效模型,该模型根据级联失效现象下民航网络节点的变化情况,构建了一种基于节点状态的民航网络容量-负载级联失效模型,模型中的网络节点包含"正常-失效-暂停"三种状态.以中南地区民航网络为例进行了实证分析.结果 表明:改进后的民航网络级联失效模型能更为准确地仿真网络级联失效过程;网络在选择性攻击下所呈现的鲁棒性较差.针对仿真结果分析,对于民航网络优化时,应该重视提升网络关键节点的鲁棒性,可有效提升网络的安全运行.     

一种基于战争网络的级联失效模型

通过研究复杂网络的级联失效问题,提出一种基于战争网络的级联失效模型:在已知攻击策略的前提下,如何分配防御兵力,使得最终未失守的阵地尽可能多;定义了基于度的全局攻击策略,给出一种可行的防御策略;通过在四种典型的复杂网络上进行模拟仿真,验证该模型的可行性与合理性,得到抗毁性能与网络拓扑结构之间的关系,为研究攻击防御网络和资产负债网络等提供一种有效方法.     

边定向方法对随机网络抵制级联故障鲁棒性的影响

针对复杂网络抵制级联故障的鲁棒性问题,考虑节点权重和边的方向,通过扩展经典的全局介数方法定义节点负载,提出了新的随机网络级联故障模型.应用三种边方向确定策略,在具有单向边和双向边的随机网络上探讨了级联故障行为,分析了全局负载分布机制下定向边对网络抵制级联攻击鲁棒性的影响.仿真结果表明,对于随机网络,所使用的边定向方法均可以使得网络更加鲁棒.但是,不同的边方向确定策略和单向边比例对随机网络抵制级联故障鲁棒性的优化效果影响不大.     

网络故障边的权重优化分配与比例分配策略比较分析

边的故障可通过级联效应给网络带来灾难性后果.如何减弱或避免故障带来的影响成为目前研究的重点.当网络中某边出现故障后,需对故障边的边权进行分配,该文提出一种优化分配模型,模型中考虑了对点权大的节点的保护,常用的比例分配方案是优化分配模型的一个可行解.实例分析表明,采用优化分配策略有时可完全避免级联失效的发生,并指出不同的攻击策略下,易选取不同的故障边边权分配方案.     

拓扑对复杂通信网络级联故障传播的影响

考虑现实大规模通信网络中负载流量的动态变化,以及局域拥塞状态对路由的影响,引入一个带有可调参数的级联故障模型.对比了同质的ER(Erds-Rényi)随机网络和异质的BA(Barabási-Albert)无标度网络由蓄意节点攻击引发的级联行为,探讨了不同拓扑网络的包产生速率、路由参数和规模对故障传播的影响.依据临界包产生速率这种新的度量网络鲁棒性指标,通过仿真发现,拓扑结构对网络最优路由参数值以及不同网络规模上的攻击效果都产生重要影响.     

城市复杂地铁网络级联失效抗毁性分析

为全面分析了解地铁网络抗毁性问题,保障地铁网络安全平稳运行。采用复杂网络级联失效理论对城市地铁网络抗毁性进行研究。以北京地铁网络为例,构建北京地铁网络级联失效模型,通过MATLAB软件实现级联失效模型的仿真运算,对比分析不同节点攻击策略北京地铁网络抗毁性。仿真结果表明:随机攻击策略对地铁网络破坏性相对较小,而面临节点重要度和介数的两种蓄意攻击策略时,地铁网络抗毁性较弱。并进一步为地铁网络建设以及运营管理提供理论支持。     

基于级联失效的复杂网络抗毁性

传统的复杂网络抗毁性研究主要基于网络静态连通性,而忽视了网络动态特征。该文在网络动态性基础上,研究级联失效条件下复杂网络的抗毁性能,对ER随机网络模型、BA无标度网络模型和PFP互联网拓扑模型这三种模型在不同攻击策略下的抗毁性进行了对比分析和仿真实验。实验结果表明：在随机攻击下,ER网络表现最为脆弱,而BA网络的抗毁性...     

基于非线性容量负载模型下电网的级联故障分析

首先基于IEEE118系统分别构建了具有电气特征的加权电网和只具有拓扑结构的无权电网。其次提出了一种非线性负载容量模型,利用该模型进行随机攻击的级联失效仿真,结果表明加权电网的容量参数的阈值较无权电网小,对级联失效的抗毁性更强。最后通过蓄意攻击发现,加权电网对权攻击的级联故障的抗毁性强于无权电网的度攻击。但是加权电网的介数攻击与无权电网类似,对级联故障的抗毁性较差;原因在于高介数节点为IEEE118系统中的变压器节点,对电网的传输十分重要,在实际电网中需要加强对其的保护。     

基于分布式流的复杂网络上边级联失效

考虑现实网络中流的分布式传输方式和边的负载-容量关系,提出了一个带有可调权重参数的边级联失效模型.依据新的度量网络鲁棒性指标,探讨了两种典型复杂网络由蓄意边攻击而引发的级联失效行为.仿真结果表明,存在最优参数值使得网络达到最强抵制边级联失效的鲁棒性,能够显著降低灾害动力学发生的可能性.而且,网络的拓扑结构和平均度均对网络鲁棒性产生了影响。