考虑耦合强度的相互依赖网络级联故障模型研究

摘要

在现实生活中的许多基础设施网络上常常会爆发级联故障现象，级联故障一旦发生，便会造成不可估计的损失甚至是灾难性的后果。随着单层次网络上级联故障研究的日趋成熟，不少研究者发现，相互依赖的网络上更容易爆发级联故障，并且一层网络上级联故障的发生将会迅速的蔓延到与它相互依赖的网络上，这将会造成部分网络甚至是整个网络的瘫痪，最终造成不可估计的损失。在众多关于相互依赖网络级联故障的研究中，很少有学者涉及相互依赖网络之间存在耦合强度的问题，只是把相互依赖网络之间的连边看作只是起到连接两个网络的目的，而不具有其他的功能，网络之间的连边的不同并不会影响它两端的网络上节点和边的初始负荷，也没有影响节点和边的能力，而实际上不同类型的耦合边所起的作用是不同的，也会对节点和边的初始负荷和能力产生不同的影响。比如，对于一个计算机网和电力网的相互依赖网络，如果计算机网络中一个功能很强大的计算机与电力网中一个很大的发电站相互耦合，那么计算机能够对发电站传输一些信号，并对它进行很好的控制，而发电站能够对计算机提供很好的电力支持，正常情况下这两个相互依赖的网络能够有序运转，发挥着各自的作用。然而，当计算机（发电站）发生故障，将会导致发电站（计算机）也随之发生故障，随着故障在各自的网络中蔓延，最后使部分甚至是整个网络陷入故障，最终造成严重的损失。 为了更贴合实际地研究相互依赖网络级联故障行为，本文在考虑两个相互依赖网络之间相互影响的基础上提出了耦合强度的概念，并对此概念做出了说明，也提出了合理的度量方法。整篇文章紧紧围绕耦合强度这一要素展开对相互依赖网络级联故障的研究。本论文侧重于探讨了如下几个方面的内容: (1)提出了相互依赖网络之间耦合强度的概念并给出了度量方法。在对相互耦合的节点的局部特征分析的基础之上，认为网络之间耦合强度的大小与相互耦合的节点的权重有关，节点的权重越大，耦合强度也随之增大。 (2)在考虑耦合强度的基础上构建了相互依赖网络节点级联故障模型。考虑到耦合强度会影响相互依赖网络上节点级联故障的动力学行为，构建了考虑耦合强度的节点级联故障模型和级联故障负荷模型，通过引入可调参数来控制相互依赖网络之间耦合强度的大小，并用数值分析和模拟仿真的方法研究耦合强度对相互依赖网络节点级联故障的影响。 (3)在考虑耦合强度的基础上构建了相互依赖网络边级联故障模型。考虑到实际上相互依赖的网络之间存在耦合强度，耦合强度的存在在很大程度上会影响网络上级联故障的爆发和繁衍过程。因此，在构建级联故障模型时，要充分考虑网络之间耦合强度的作用，用参数控制耦合强度的大小，研究耦合强度对边级联故障的动力学过程的影响作用。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景

1．2研究问题的提出

1．3研究目的与研究意义

1．3．1研究目的

1．3．2研究意义

1．4研究内容、方法与技术路线

1．4．1研究内容

1．4．2研究方法

1．5本文的主要工作

第2章相关研究文献综述

2．1相关研究文献检索情况概述

2．1．1文件检索范围分析

2．1．2相关文献检索情况

2．2单层次网络上级联故障研究综述

2．2．1节点的级联故障研究

2．2．2边的级联故障研究

2．3相互依赖网络上相关文献综述

2．4国内外研究现状分析

2．4．1已有研究成果的主要贡献

2．4．2已有研究成果的不足之处

2．5已有研究成果对本文的启示

2．6本章小结

第3章复杂网络相关理论基础

3．1复杂网络的基本概念

3．1．1节点的度与度分布

3．1．2最短路径和平均路径长度

3．1．3介数

3．1．4度相关性

3．2复杂网络的基本模型及其性质

3．2．1随机网络

3．2．2小世界网络

3．2．3无标度网络

3．3本章小结

第4章相互依赖网络之间耦合强度度量方法研究

4．1引言

4．2耦合强度概念的提出

4．3耦合强度的度量

4．3．1耦合强度度量的必要性

4．3．2耦合强度的度量方法

4．4本章小结

第5章考虑耦合强度的节点级联故障模型研究

5．1引言

5．2模型描述

5．3耦合强度对节点级联故障模型鲁棒性的影响效果

5．3．1度量指标的确定

5．3．2耦合强度作用下节点级联故障模型的鲁棒性分析

5．3．3相互依赖网络节点级联故障模型中的整体预防策略

5．4本章小结

第6章考虑耦合强度的边级联故障模型研究

6．1引言

6．2模型描述

6．3耦合强度对边级联故障模型鲁棒性的影响效果

6．3．1度量指标的确定

6．3．2耦合强度作用下边级联故障模型的鲁棒性分析

6．3．3考虑耦合强度的边级联故障模型的实例研究

6．4相互依赖网络上边级联故障的整体预防措施

6．5本章小结

第7章结论与展望

7．1结论

7．2论文的核心创新点

7．3展望

参考文献

致谢

附录