级联故障下具有应急恢复机制的复杂网络鲁棒性增强方法技术

本发明专利技术提供了一种级联故障下具有应急恢复机制的复杂网络鲁棒性增强方法，包括：获取复杂网络中的节点和边，形成节点集合和边集合，根据所述节点集合和边集合构造复杂网络拓扑结构图作为研究对象；根据复杂网络中节点的初始负载、容量以及带有应急恢复机制的复杂网络系统在节点故障后的负载重分配过程，构建应急恢复机制下节点权重参数可调的复杂网络级联故障模型；通过所述复杂网络级联故障模型设计复杂网络在级联故障下的鲁棒性增强算法，用于增强带有应急恢复机制的复杂网络在级联故障下的鲁棒性。障下的鲁棒性。障下的鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
级联故障下具有应急恢复机制的复杂网络鲁棒性增强方法


[0001]本专利技术涉及复杂网络级联故障
，特别涉及一种级联故障下具有应急恢复机制的复杂网络鲁棒性增强方法。

技术介绍

[0002]随着当前人类社会的科学技术不断发展，基础建设不断巩固完善，人类社会被越来越多的网络系统所包围，如现实世界中大量的基础设施网络系统包括电力网络、通信网络、公路交通、铁路交通和航空运输网络等；另外还包括金融网络、Internet网络、论文引用网络以及人际交往网络等。将现实世界中诸多系统的各个子系统视为网络的节点，而各个子系统之间的连接则视为网络的边，这些节点和边都被赋予了相应的属性，如生产、存储、传输、消费等属性，因此现实中的网络系统都可以抽象为一个个复杂网络。现实世界中的这些复杂网络系统，每个系统都有着自己的功能与作用，且在人们的日常生活中扮演着重要的角色。在交通、供水、电力、通信等网络系统中，存在大量的负载，如交通网络中的车辆和行人、供水网中的水流量、电力网中的输电量和通信网中的信息量等。系统具备一定承受负载的能力，一旦这些复杂网络中某个节点或者边的负载超过了节点或者边本身的负载承载量就会造成节点或者边的过载故障，导致网络系统功能失效。另外，由于网络结构的相互连接和网络功能的相互耦合，系统中故障节点或者边的过载负载就会流动到网络中的其它组成部分，导致网络中其他组成部分可能承受过多的负载而过载失效，该过程称之为负载重分配过程。如果网络中有新的组成部分出现过载故障，那么该故障重复上述过程可能会继续导致网络其他组成部分出现故障。由此，在网络的节点或者边自身故障或者意外受攻击失效的情况下，网络的结构、特征和性能可能随之在不断改变，故障点可能不断影响网络中的其他组成部分，最终导致故障在网络中级联式地进行传播，网络中出现的这种故障由局部逐渐扩散的级联式故障传播现象称之为“级联故障”,例如现实世界中一些局部停电导致大范围的停电现象、传染病的传播流行现象、病毒癌细胞的扩散现象等。
[0003]在实际网络系统的级联故障行为过程中，往往会伴随着某种应急恢复机制，比如，当高速铁路在运行过程遇到突发性的灾害天气时，高速铁路的运行控制和调度人员将对列车的运行速度和线路等进行干预，会及时对高速列车的行车计划进行调整，取消或者增加某些列车运行计划，最大程度地保障乘客的生命安全，而不是让高速列车在轨道线路上依次排队运行，造成高速线路网上拥堵和晚点现象不断级联式传播；在城市线路交通中，在交通事故发生后，交通警察会对事故现场的车辆运行进行指挥疏导、清理道路障碍并及时保证交通的有序畅通运行；在通信网络中，通信技术人员紧急对通信设备进行抢修和应急保障，恢复通信网络的正常运转。在这些基础设施网络系统的故障突发事件中，工程的维修技术人员、群众疏导指挥人员、支援的救助物资等外部资源均属于应急恢复机制的组成部分。在实际基础设施网络系统遇到级联式故障传播问题时，外部的应急恢复机制会进行干预，一定程度上阻碍故障的传播现象。
[0004]在具有应急机制的复杂网络系统中，提出有效改善级联故障下网络系统鲁棒性能
的方法策略、降低基础设施网络中级联故障行为给人类带来的负面影响，这将有利于提升我国基础设施复杂系统的国际竞争力，具有明确的现实意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种级联故障下具有应急恢复机制的复杂网络鲁棒性增强方法，其目的是为了在复杂网络具有应急恢复机制导致网络负载动态变化的前提下，提出复杂网络在级联故障下的鲁棒性增强算法有效减少节点失效所触发的级联故障行为对复杂网络的影响，有效降低级联故障下复杂网络的节点失效规模，增强级联故障下复杂网络的鲁棒性。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术提供了一种级联故障下具有应急恢复机制的复杂网络鲁棒性增强方法，包括：
[0007]步骤1，获取复杂网络中的节点和边，形成节点集合和边集合，根据所述节点集合和边集合构造复杂网络拓扑结构图作为研究对象；
[0008]步骤2，根据复杂网络中节点的初始负载、容量以及带有应急恢复机制的复杂网络系统在节点故障后的负载重分配过程，构建应急恢复机制下节点权重参数可调的复杂网络级联故障模型；
[0009]步骤3，通过所述复杂网络级联故障模型设计复杂网络在级联故障下的鲁棒性增强算法，用于增强带有应急恢复机制的复杂网络在级联故障下的鲁棒性。
[0010]其中，所述应急恢复机制下节点权重参数可调的复杂网络级联故障模型具体包括：
[0011]节点i的初始负载用L
i
(0)表示，所述复杂网络中的节点i的初始负载权重系数为其中β(β≥0)是一个可调权重参数，节点的初始负载L
i
(0)与其初始负载权重系数成比例关系，将节点i的初始负载简化表示为
[0012]节点i最大承受负载的能力用节点的容量C
i
表示，C
i
与节点的初始负载成比例关系，C
i
＝(1+T)L
i
(0)，T(T＞0)是一个容量阈值；
[0013]在网络中的任意t时刻，利用节点i的负载L
i
(t)并结合式T
i
′
＝L
i
(t)/C
i
‑
1，可以计算得到节点i的容量阈值T
i
′
；
[0014]若T
i
′
≤T成立，节点i处于正常状态；否则，节点i发生过载故障。
[0015]其中，所述步骤3具体包括：
[0016]在带有应急恢复机制的复杂网络中，给出级联故障下网络鲁棒性评估指标为关键容量阈值T
c
；
[0017]给出级联故障下网络鲁棒性评估指标与网络权重参数之间的表达式；
[0018]给出级联故障下具有应急恢复机制的复杂网络最优权重参数的求取算法，结合算法求取最优权重参数并调整网络中权重参数为使带有应急恢复机制的复杂网络在级联故障下鲁棒性达到最强。
[0019]其中，所述关键容量阈值T
c
与网络权重参数之间的表达式为：
[0020][0021]其中，a(a＞0)为负载动态减少因子。
[0022]其中，在带有应急恢复机制的复杂网络中，设计级联故障下网络最强鲁棒性的最优关键容量阈值
[0023]且
[0024][0025]其中，当θ＝β＜1时，
[0026]本专利技术的上述方案有如下的有益效果：
[0027]本专利技术的级联故障下具有应急恢复机制的复杂网络鲁棒性增强方法结合实际网络系统的应急恢复机制的作用特点，将级联故障下的应急恢复机制与级联故障的负载重分配过程紧密结合，在网络中某个节点失效后，过载节点的负载会随自身节点度特征和时间步的大小动态减少。考虑应急恢复机制在网络具有负载动态变化特点下，研究复杂网络的级联故障行为，并研究了带有应急恢复级联的复杂网络在级联故障下的鲁棒性增强方法。不改变网络的拓扑结构，从调整权重参数取值本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种级联故障下具有应急恢复机制的复杂网络鲁棒性增强方法，其特征在于，包括：步骤1，获取复杂网络中的节点和边，形成节点集合和边集合，根据所述节点集合和边集合构造复杂网络拓扑结构图作为研究对象；步骤2，根据复杂网络中节点的初始负载、容量以及带有应急恢复机制的复杂网络系统在节点故障后的负载重分配过程，构建应急恢复机制下节点权重参数可调的复杂网络级联故障模型；步骤3，通过所述复杂网络级联故障模型设计复杂网络在级联故障下的鲁棒性增强算法，用于增强带有应急恢复机制的复杂网络在级联故障下的鲁棒性。2.根据权利要求1所述的级联故障下具有应急恢复机制的复杂网络鲁棒性增强方法，其特征在于，所述应急恢复机制下节点权重参数可调的复杂网络级联故障模型具体包括：节点i的初始负载用L
i
(0)表示，所述复杂网络中的节点i的初始负载权重系数为其中β(β≥0)是一个可调权重参数，节点的初始负载L
i
(0)与其初始负载权重系数成比例关系，将节点i的初始负载简化表示为节点i最大承受负载的能力用节点的容量C
i
表示，C
i
与节点的初始负载成比例关系，C
i
＝(1+T)L
i
(0)，T(T＞0)是一个容量阈值；在网络中的任意t时刻，利用节点i的负载L
i
...

【专利技术属性】
技术研发人员：马山，雷雯，马骏峰，胡文峰，彭涛，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：