[发明专利]基于多层耦合关系网络的关键基础设施脆弱性测评方法

说明书

本发明提供一种基于多层耦合关系网络的关键基础设施脆弱性测评方法，步骤如下：一：获取系统节点信息与历史故障数据，确定合适的节点数量、空间分布、时间范围与时间间隔；二：考虑节点间关联的时间延迟的方式定义每对节点之间的边权、方向、时间延迟等，形成加权有向的多层耦合关系网络；三：使用节点的度(连边数量)等网络结构指标，及其在整个网络上的均值等，作为单个节点乃至整个系统的故障耦合关系强弱的评价指标；通过以上步骤，本发明能够有效的发现与度量现实系统节点间客观存在的故障耦合关系；对于将来发展节点关键程度的评价方法具有启发性作用，从而为更好地理解基础设施的系统脆弱性服务。

技术领域

本发明提出一种基于多层耦合关系网络的关键基础设施脆弱性测评方法，属于系统可靠性技术领域。

背景技术

在现代社会中，关键基础设施是包括通讯、电力、能源、交通运输等在内的关系到经济社会正常运转的最重要的基础设施系统。探测关键基础设施系统的安全隐患、评估关键基础设施的脆弱性、帮助避免大规模安全事故的发生，都是当代国家安全与社会运行中的重大课题。

在信息技术高速发展的今天，由于很多系统内部，以及不同系统之间，都涌现出越来越多的相互依赖、相互耦合的关系，使许多关键基础设施具有越来越强的系统脆弱性。例如，当城市中的电力系统由于一些极端自然灾难或者人为因素而中止工作后，其它如互联网、交通运输等依赖于电力供应的关键系统也会发生停运故障。这样的故障耦合关系的存在使得故障事件可以跨系统地施加影响，造成更大规模的破坏。基于这些考虑，计算不同系统节点之间的故障相关关系成为了衡量系统节点间故障耦合关系强弱、帮助评价系统脆弱性的可行的方法。此外，考虑到系统节点之间存在的故障耦合关系自身也具有一定的多层网络结构，很有必要从系统节点故障时间序列出发构建多层的耦合关系网络，并使用复杂网络领域的节点重要性评价方法，从网络结构的角度衡量系统节点间的故障耦合关系，乃至整个系统的脆弱性。

复杂网络是近二十年来迅速发展的交叉学科领域，主要研究网络的结构性质与其功能属性之间的关系。由于很多现实系统中都包含着不同类型的网络结构，这些网络的结构如何影响系统的运行是具有重大现实意义的问题。在复杂网络领域，人们基于一些模型网络与现实系统的网络结构研究渗流相变、级联故障、同步动力学、疾病传播等方面的功能特性，还能为改进现实系统的网络结构提供建议。实际上，除了研究系统节点已知的网络结构，人们也开始从系统节点时间序列出发发掘系统中未知的节点间的关联，并分析其网络结构。相关性网络就是其中常用的方法之一，主要以节点时间序列的相关系数作为定义节点之间连边的方式。近年来，相关性网络分析已经广泛应用于基因、金融、大脑、气候等不同现实系统，用于探测系统内部的组织结构。

本发明考虑将基于相关性网络的方法应用于系统可靠性与脆弱性的评价上。具体来说，本发明考虑由不同关键基础设施系统的节点故障历史数据出发，构建多层故障耦合关系(相关关系)网络，并定义具有时间延迟及其方向的连边。基于所构建的相关性网络，本方法重点使用节点在子网络内部与跨子网络的度等结构指标作为衡量节点的耦合关系数量与强度的主要指标，以此评价单个节点以及整个系统的脆弱性。

与传统的系统脆弱性分析方法相比，基于故障相关性网络探测的脆弱性评价方法具有以下两方面优势。一方面，本方法的主要目的在于发现与度量现实系统节点间客观存在的故障耦合关系，而并非关注于故障事件发生的概率等其它方面。这样的耦合关系恰恰是使现代社会关键基础设施系统出现越来越多的大规模安全问题的主要原因之一。而且，基于0-1故障时间序列的建网方式使本方法可以广泛应用于很多不同领域基础设施的脆弱性评估。另一方面，本方法是基于复杂网络领域的一些节点重要程度的评价指标，从而在将来可以有进一步发展的广阔空间。例如，如果在将来复杂网络领域(包括单层网络和多层网络)发现了新的更好的节点关键程度的评价方法，就同样可以应用在本方法中构建的节点故障相关性网络上，为更好地理解基础设施的系统脆弱性服务。

在上述背景的基础上，提出以下基于多层故障耦合关系网络的关键基础设施脆弱性测评方法。

发明内容