[发明专利]一种基于级联失效的网络功能端节点传播预测方法

说明书

本发明提供一种基于级联失效的网络功能端节点预测方法，其步骤包括：一、对基础设施网络进行数据预处理，抽象实际网络建立网络模型；二、基于关键节点识别方法或历史数据确定初始薄弱节点并建立负载容量模型；三、计算级联失效时的网络割点；四、根据过载级联失效传播距离，预测功能端节点的传播距离。本发明能够在失效前防护阶段提前发现级联失效过程中的功能端节点，事先在功能端节点处设计布置关键节点或不易修复节点。通过功能端节点的传播预测，进行级联失效过程阶段的实时控制，有利于展开级联失效控制与事后修复工作。

技术领域

本发明专利提出一种基于级联失效的网络功能端节点传播预测方法，用于基础设施网络(如交通网络、电力网络、通信网络等)设计提高鲁棒性，属于可靠性与网络科学交叉领域。

背景技术

近年来，基础设施网络的雪崩似的级联失效引起了广泛关注。级联失效危害巨大且普遍存在，例如2003年8月美加大停电影响范围覆盖三分之一美国人口，造成经济损失近300亿美元；道路拥堵已成为各大型城市交通网络系统突出问题，2013年《中国经济大调查》结果表明交通拥堵造成700多亿元经济损失；2016年10月美国Dyn服务商遭受分布式拒绝服务(DDoS)攻击，造成半个美国网络瘫痪。这极大激发了研究学者对网络级联失效的研究关注，促进了一系列级联失效相关成果的提出与应用。

网络级联失效的控制缓解一般分为三个阶段：失效前防护阶段、失效过程控制阶段以及事后修复阶段。

失效前的防护阶段主要通过设计优化网络拓扑结构以提高网络抵抗级联失效的鲁棒性。这类措施多数从结构设计出发，属于静态鲁棒性方法范畴。包括以下几种类型的措施：增加设备冗余措施、增加节点的连边、增加节点(边)的容量、改变负载的分配机制、针对关键节点的重点保护等前期设计阶段的预防护措施。

失效过程阶段的级联失效控制主要从功能出发，针对网络节点(或连边)的负载采取相应措施，包括结构性减载和功能性减载两种类型。结构性减载通过删减部分网络节点改变网络的拓扑结构，达到减少关键节点负载的作用，典型的结构性减载如电网中常见的低压减载和低频减载。而功能减载是通过主动降低网络负载流量达到缓解级联失效的目的，例如航空网络中，机场遭遇意外因素(不良天气、跑道维护等)影响，通过直接减少航班数量而非关闭机场来降低机场的航班负载，避免级联失效的航班延误。

事后修复的方式通常难以挽回已经造成的经济损失和社会影响，只能最大限度降低后续效应，例如电力网络中通常采用黑启动的方式恢复电网电压及频率。由于资源的限制，事后修复顺序也存在时间先后，即关键节点可能率先得到修复。这就需要准确识别关键功能的节点，加以特别保护。

综上所述，第一类失效前防护方法仅仅考虑网络的结构特点，只能在设计阶段对级联失效起到预防作用，第二类措施虽然在失效过程中可以一定程度缓解级联失效，但是对于部分网络如电网、互联网络，由于级联失效扩散速度极快，超过了人们对其施加控制的反应速度，极大限制了级联失效过程中的控制效果；另外，针对关键节点这类措施也无法起到预防性的保护作用，会造成一定的经济损失。第三类方式对于已发生级联失效的网络进行修复，只能最大限度降低事后影响、挽回损失，在级联失效的控制缓解措施上稍显被动。

发明内容

(一)发明的目的