一种全局同质化相依网络耦合方法技术

本发明专利技术公开了一种全局同质化相依网络耦合方法，该方法动态地在两个子网络间根据总度分布均匀的原则建立相依边。以单个网络A/B的总度分布均匀化为原则，在子网络间建立相依边；具体方法首先求出原始网络AB的平均度〈kA〉，则耦合后网络A’的平均度为〈kA'〉＝〈kA〉+1；然后按照一定步骤在两个已经标注好序号Ai和Bi的网络中建立相依边。仿真结果表明，无论面对随机攻击还是蓄意攻击，所提全局同质化相依模式都能够提高相依网络的鲁棒性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及相依网络
，尤其涉及的是一种全局同质化相依网络耦合方法。
技术介绍
大多数基础设施网络具有无标度特性(scale-free)，如：电力网络、通讯网络、internet网、航空网等，并且这些网络之间相互依存，构成相依网络。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。人类社会的现代化越来越依赖于基础设施网络，如电力网、internet网、交通网、能源网、通讯网络等。这些基础设施网络之间彼此作用和相互依存，如电力系统与通信系统之间的相互依赖关系，电力系统需要通信系统进行通信和调度，而通信系统又需要电力系统提供电力支持。网络之间的这种相依关系对其鲁棒性能有着较大的影响，一个网络中节点失效，可能导致另外和其有相依关系的网络中节点失效，从而引发一连串的失效反应，甚至是整个网络的失效，即级联失效反应。一个最为典型的例子就是2003年9月发生在意大利的电力中断事故，由于供电网络和通讯网络的相依关系，当一个电站发生故障时，直接导致了其SCADA通讯网络失效，通讯网络失效进而又导致了电网电站的进一步失效，从而引发大面积电力中断事故。在过去的十多年内，人们针对单个网络(实际网络及各种模拟网络)中动态级联失效建模，有效保护和控制级联失效传播策略、对比不同攻击策略作了大量的研究工作。然而众多类似2003年意大利电站事故的发生激发了人们对具有两个及以上具有相依关系的网络面对级联失效的抗毁性研究，是目前复杂网络中关于网络安全的研究热点之一。2010年，Buldyrew等人在《Nature》杂志上首次提出相互依存网络面对级联失效的鲁棒性理论分析模型[BuldyrevSV,ParshaniR,PaulG,StanleyHE,HavlinS2010Nature4641025]，开启了人们从复杂网络角度研究相互依存网络的新篇章。Buldyrew等人分析了级联失效过程，发现相依网络比单层网络更脆弱。Vespignani等人在文献[VespignaniA2010Nature464984]得到同样的结论，网络之间的相依关系，大大降低了具有密切耦合关系的基础设施网络的鲁棒性能，所以提出在设计系统时需要考虑相依网络的级联失效问题。由此相依网络级联失效的各方面研究都不断开展，特别是网络之间的耦合关系与网络安全性能之间关系的研究，文献[WangJW,ChenJ,QianJF2014PhysicaA393535]对BA/ER组成的不同相依网络在三种不同的相依模式(AssortativeLink(AL),DisassortativeLink(DL),RandomLink(RL))下，考虑负载容量及负载失效后容量的重分配情况进行了研究，研究发现网络结构及网络间的耦合模式均对网络的鲁棒性能有影响；文献[ChengZS,CaoJD2015PhysicaA430193]重点对比分析了相同及不同子网络类型在一对一节点随机耦合模式下构成的相依网络的鲁棒性能的差异，研究发现不同类型子网络所构成的相依网络比相同类型子网络构成的相依网络更加脆弱。上述研究成果均对相依网络的构建具有一定的指导意义，然而现实相依网络的相依关系灵活，并非固定为在单一相依或多重相依的情况，如电站的控制可能依赖一个或多个附近通讯站点。因此在两个子网络间，如何动态灵活地建立他们之间的相依边，使其具有较强的鲁棒性，是一个更加值得研究的课题。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足提出一种全局同质化相依网络耦合方法，该方法动态地在两个子网络间根据总度分布均匀的原则建立相依边。一方面压缩相依网络的度分布，提高其面对随机失效的鲁棒性能，另一方面又避开了度大节点的相互依存，从而有效提高其面对蓄意攻击的鲁棒性能。由于众多基础设施网络均具有无标度特性，因此本专利技术构建两个具有相同节点数，不同特性的BA网络组成BA-BA相依网络，为了更好地说明所提相依网络的耦合模式对网络鲁棒性能提高，采用文献研究常用的三种节点一对一耦合关系(ALDLRL)以及一对多随机相依模式作对比。仿真结果表明，无论面对随机攻击还是蓄意攻击，所提全局同质化相依模式都能够提高相依网络的鲁棒性能。本专利技术的技术方案如下：一种全局同质化相依网络耦合方法，以单个网络A/B的总度分布均匀化为原则，在子网络间建立相依边。具体方法首先求出原始网络AB的平均度〈kA〉，则耦合后网络A’的平均度为〈kA'〉＝〈kA〉+1；按照如下步骤在两个已经标注好序号Ai和Bi的网络中建立相依边：第一步：选择A网络中度最小的节点A1，依次与B网络前m个节点B1,B2,…,Bm建立相依边，其中m=<kA′>-KA1,kB1≤kB2≤,...,≤kBm-1≤kBm≤,...,≤kBN]]>使得节点A1的总度等于平均度〈kA'〉；第二步：重新计算网络A中节点度，按照度从小到大进行排序，并标注为Ai(i＝1,2,…,N)，即，代表节点Ai的度，如果节点具有相同的度，优先排列尚未建立过相依边的节点；第三步：重新计算网络B中节点度，对网络B中的节点按照度从小到大依次排序，并标注为Bi，如果两个节点具有相同的度，则优先排列尚未建立过相依边的节点；每次建立相依边前判断是否已经产生了N条相依边，否则重复第一步到第三步，依次建立相依边，直到完成N条相依边为止。本专利技术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。该模式以使子网络的度分布均匀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，另一方面避开度大节点(关键节点)的相依，提高其对蓄意攻击的抗毁性。本专利技术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，本专利技术所提的全局同质化的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。本专利技术研究成果能够为网络的安全设计等提供指导意义。附图说明图1为相依网络级联失效模型示意图，(a)网络最初状态(b)第一步失效(c)第二步失效(d)稳定状态；图2为相依网络耦合模式示意图，(a)同配耦合(b)异配耦合(c)随机耦合(d)全局同质耦合(e)全局随机耦合；图3为BA-BA蓄意攻击示意图；(a)攻击比例0-40％，(b)攻击比例0-14％；图4为BA-BA随机攻击示意图；(a)随机失效比例0-40％，(b)随机失效比例0-55％；具体实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种全局同质化相依网络耦合方法，其特征在于，以单个网络A/B的总度分布均匀化为原则，在子网络间建立相依边；具体方法首先求出原始网络AB的平均度〈kA〉，则耦合后网络A’的平均度为〈kA'〉＝〈kA〉+1；按照如下步骤在两个已经标注好序号Ai和Bi的网络中建立相依边：第一步：选择A网络中度最小的节点A1，依次与B网络前m个节点B1,B2,…,Bm建立相依边，其中m=<kA′>-KA1,]]>kB1≤kB2≤,...,≤kBm-1≤kBm,...,≤kBN]]>使得节点A1的总度等于平均度〈kA'〉；第二步：重新计算网络A中节点度，按照度从小到大进行排序，并标注为Ai(i＝1,2,…,N)，即，代表节点Ai的度，如果节点具有相同的度，优先排列尚未建立过相依边的节点；第三步：重新计算网络B中节点度，对网络B中的节点按照度从小到大依次排序，并标注为Bi，如果两个节点具有相同的度，则优先排列尚未建立过相依边的节点；每次建立相依边前判断是否已经产生了N条相依边，否则重复第一步到第三步，依次建立相依边，直到完成N条相依边为止。

【技术特征摘要】
1.一种全局同质化相依网络耦合方法，其特征在于，以单个网络A/B的总度
分布均匀化为原则，在子网络间建立相依边；具体方法首先求出原始网络AB的平均度
〈kA〉，则耦合后网络A’的平均度为〈kA'〉＝〈kA〉+1；按照如下步骤在两个已经标注好序号
Ai和Bi的网络中建立相依边：
第一步：选择A网络中度最小的节点A1，依次与B网络前m个节点B1,B2,…,Bm建
立相依边，其中m=<kA′>-KA1,]]>kB1≤kB2≤,...,≤kBm-1≤kBm,...,≤k...

【专利技术属性】
技术研发人员：高彦丽，陈世明，
申请(专利权)人：华东交通大学，
类型：发明
国别省市：江西;36