[发明专利]一种关键基础设施的可靠性测评方法

权利要求书

1.一种关键基础设施可靠性测评方法，其特征在于：它包含以下步骤：

步骤一：获取系统节点历史故障数据，确定节点数量、时间间隔与空间分布，从而获得每个节点的0-1故障时间序列；

步骤二：使用故障相关性计算方式，以考虑时间延迟的方式计算每对节点之间的边权与时间延迟方向；通过给边权和时间延迟取一预定的阈值，只保留那些强的耦合关系连边；在为每个子系统内部的和不同子系统之间的节点对分别连边后，形成有向的、加权的多层故障相关性网络；

步骤三：针对步骤二中构建的多层故障相关性网络，按照所有连边的边权从小到大顺序去掉连边，观察整个网络的键渗流过程；使用与一预定规模的剩余最大连通集团相对应的去边的边权作为评价整个系统的耦合关系典型强度的指标；使用不同子网络不再同时属于最大连通集团的时刻对应的边权作为衡量跨不同子系统间故障影响危险程度的指标；借助最大连通集团所包含的点集为现实系统保护节点提供建议；

在步骤二中，具体作法如下：

相关关系计算方法的选取：在步骤一中获得系统节点的0-1故障时间序列之后，能通过计算每对节点时间序列的皮尔逊相关系数、互信息、偏相关系数的时间序列相似性指标，来衡量节点之间的故障相关性；为了充分考虑故障事件影响的时间因素，使用互相关系数的方法计算节点故障相关性；具体来说，对每一对节点i，j的故障时间序列S_i(t)和S_j(t)，t＝1，2，…，L，计算互相关系数X_i，j(τ)：

其中与SD(·)分别为序列在t＝1，2，…，L范围内的均值和标准差；这里考虑时间延迟τ的范围是从-τ_max到+τ_max之间；然后，取X_i，j(τ)在此范围内的最大值，定义为两点之间的边权W_i，j；并定义两点间的时间延迟τ_i，j为该最大值对应的τ值；于是，τ_i，j的正负决定了两点之间的关联的方向：τ_i，j为正时为从i到j；τ_i，j为负时为从j到i；τ_i，j为0时为双向连边；

为边权选择阈值：在用上述方法计算得到每一对点之间的故障耦合关系的边权W_i，j与时间延迟τ_i，j以后，需要为边权选择一个阈值W_min，然后仅保留强于该阈值的故障耦合关系；在阈值的选取上，既需要考虑相关关系的统计显著性，也需要考虑相关关系本身；在相关关系的显著性方面，使用一预定的随机打乱时间序列的方式计算实际边权的p-值；如果p-越小，就认为得到的是显著的故障相关关系；在选择阈值时，应该保证留下的连边都是具有显著相关性的；除了要求边权的显著性，也要求边权本身要大到一预定程度以上，才能认为存在节点间的故障耦合关系；基于以上考虑，选取一预定的阈值W_min；给定阈值以后，能为所有节点对之间确定是否连边，从而构建出加权有向的多层故障相关性网络。

2.根据权利要求1所述的一种关键基础设施可靠性测评方法，其特征在于：在步骤一中描述的“获取系统节点历史故障数据，确定节点数量、时间间隔与空间分布，从而获得每个节点的0-1故障时间序列”，其具体作法包括以下内容：

确定系统节点集合：构建系统故障相关性网络所用的系统节点是全部系统节点中的一个子集；在构建故障相关性网络之前，需要根据实际需要确定选用的节点的数量及其空间分布；在这方面，构建网络的计算复杂度、节点是否具有代表性，都是考虑因素；

确定节点时间序列的时间点：除了确定节点的数目和空间分布，节点时间序列的长度与时间间隔也是需要根据系统具体需要事先取定的；这也是影响计算复杂度，也是相关关系度量的有效性的重要因素；如果在计算节点故障序列相关性时是用了过于密集的时间点，则会导致在计算出的相关性中引入了自相关干扰因素，而过于稀疏的时间序列，则影响计算出的相关关系的统计显著性；

节点故障时间序列预处理：使用0-1时间序列描述节点在每时刻是否发生了故障：1值表示该节点在该时刻处于故障状态及非正常状态；0值表示该节点在该时刻处于正常状态；而对于原本具有连续取值的节点时间序列的系统，能使用一预定的阈值来将时间序列转化为0-1序列；这样做是为了对各种不同领域的关键基础设施系统采用统一的故障描述方式，从而方便对构建出的多层故障相关性网络进行进一步分析与比较。

3.根据权利要求1所述的一种关键基础设施可靠性测评方法，其特征在于：在步骤三中所描述的“针对步骤二中构建的多层故障相关性网络，按照所有连边的边权从小到大顺序去掉连边，观察整个网络的键渗流过程；使用与一预定规模的剩余最大连通集团相对应的去边的边权作为评价整个系统的耦合关系典型强度的指标；使用不同子网络不再同时属于最大连通集团的时刻对应的边权作为衡量跨不同子系统间故障影响危险程度的指标；借助最大连通集团所包含的点集为现实系统保护节点提供建议”，其具体作法如下：

不考虑方向的键渗流过程：在上述步骤二构建成的多层故障相关关系网络中，首先回到未取边权阈值W_min时的全连接的状态；然后将所有连边按照边权W_i，j从小到大的顺序逐条从网络中去掉；这里暂时不考虑边的方向性，只用边权衡量节点间故障影响的危险程度；随着去边比例q从0增长到1，剩余的多层网络中的最大连通集团相对原始网络的规模P_∞从1逐渐减小至0；定义当P_∞下降到0.5处对应的去边的边权值为w_1/2；其意义为：整个多层耦合系统中，有半数的节点是能由强于w_1/2的节点故障相关关系的边以及路径相连；类似还能定义w_1/4、w_3/4分别为P_∞下降到0.25和0.75时对应的去边边权；这样的对应一预定的最大连通集团规模的边权，用于衡量整个系统中故障至少要以怎样的耦合关系强度才能影响到最大连通集团规模的节点；此外，还能在渗流过程中看q增长至何值时，剩余的最大连通集团已经不再能同时跨越某两个子网络l、m，定义相应的去边边权值为w_l，m；其意义为：当考虑更强于w_l，m的故障相关关系时，故障事件就无法跨越这两个子网络施加影响；只有取到包括w_l，m以及更强的耦合关系时，故障事件才恰好能跨层传播；因此，w_l，m是评价跨子系统的故障传播危险程度，是评价系统可靠性的指标；该值较大时，能认为故障事件较容易跨层从其中一个子系统影响到另外一个，并在两个子系统中都能造成较大规模的破坏；当每两个子网络之间的w_l，m值都获得之后，还能分析这些w_l，m值的整体分布，其均值与分布宽度都是描述整个多层耦合系统的跨层的故障影响危险程度的刻画指标；

考虑方向的键渗流过程：当考虑边的方向性时，能计算整个多层故障相关关系网络的最大“半强连通集团”，定义为其中每两个节点间都至少有一个方向由路径相连；仍然从全连接网络开始，按照边权W_i，j从小到大的顺序依次去边后，上述针对无向网络最大连通集团的方法也能类似用于有向网络中的最大半强连通集团；只要初始时最大半强连通集团存在，就仍然能类似计算针对整个网络的w_1/2评价指标，以及针对每两层子网络的w_l，m的值，衡量整个系统以及每两个子系统之间的故障事件传播的难易程度，从而评价系统的可靠性；

节点保护推荐：仍然在构建好的多层节点故障相关关系网络中按照边权从小到大删掉比例为q的边，分别观察整个网络所剩的最大连通集团和最大半强连通集团；当去边边权增长到某个较大的给定阈值w^*以后，最大连通集团或者最大半强连通集团中包含的剩余节点，也就是还能以比w^*更强的故障相关性相互影响；于是，当试图保护实际的关键基础设施系统时，这些分属不同子网络的具体节点就是应该重点予以保护的；此外，当去边边权增长到上述每两层子网络l、m的w_l，m值时，此时被去掉的那些两层子网络中间连边包含的节点，也能认为是故障跨两层之间影响过程中的关键节点；当w_l，m值较大时，在保护多层耦合基础设施系统时，这些节点也应该被重点关注。