[发明专利]一种关键基础设施的可靠性测评方法

说明书

本发明提供一种基于故障相关性网络渗流模型的关键基础设施的可靠性测评方法，步骤如下：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；二：使用故障相关性计算方式，通过给边权和时间延迟取一定的阈值，形成有向的、加权的多层故障相关性网络；三：使用与一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；通过以上步骤，本发明有效评价了由不同关键基础设施(子)系统组成的耦合系统的可靠性，揭示不同系统节点在(子)系统内部与跨不同(子)系统之间的故障事件传播中的重要程度，解决了现代社会复杂基础设施系统中的节点保护问题。

技术领域

本发明提出一种关键基础设施可靠性测评方法，它是基于故障相关网络渗流模型的关键基础设施可靠性评价，即一种基于故障相关性网络渗流模型的关键基础设施的可靠性测评方法，属于系统可靠性技术领域。

背景技术

关键基础设施一般是指通讯、电力、能源、交通运输、供水等领域的关系到国家经济社会正常安全运转的最重要的基础设施系统。因此，评价关键基础设施的安全风险、提升关键基础设施的系统可靠性，是实现国家安全与社会正常运行的重大课题。

目前，很多国家均处在互联网技术飞速发展的新时代。技术的进步在改善人们生活的同时，也给很多关键的基础设施系统带来了更为复杂的安全隐患。其中，不同系统之间，乃至同一系统的不同子系统之间存在的故障耦合关系，是导致故障事件跨(子)系统传播的重要因素。例如，在地震、台风等极端自然灾难的发生导致城市中的互联网络停止运转后，其它一些依赖于网络通讯的如电力、交通等系统也倾向于发生故障。这样的耦合关系使得故障更容易在不同关键基础设施(子)系统之间传播，并给整个系统带来更严重的安全问题。

值得注意的是，计算不同系统节点的故障事件时间序列的相关性是衡量节点之间故障耦合关系强弱的一种可行的方法。而且，来自不同系统(或者同一系统的不同子系统)的节点之间存在的耦合关系，本身也形成一定的网络拓扑结构。因此，为了深入研究关键基础设施系统内部和不同关键基础设施系统之间的故障耦合关系，从而帮助评价系统可靠性，非常有必要基于系统节点的历史故障数据构建故障相关关系网络，并借助复杂网络领域，尤其是多层网络研究领域的一些方法，分析系统节点间故障相关关系的结构特性。

复杂网络这一交叉学科研究领域，主要从理论与实际两方面揭示大规模网络的结构特征与其功能之间的联系。实际上，很多现实系统中都可以抽象出一定的网络结构。例如由人与人之间的朋友关系组成的朋友关系网络、不同机场之间由航线的连边组成的航班网络、不同生物物种之间的食物关系组成的食物网络等。因此，一个很重要的问题是这些实际网络的结构是否有利于其系统的可靠性，使系统更有效地实现其功能。在这方面，复杂网络已经提供了丰富而有力的理论研究工具。通过考虑具有不同拓扑结构特性的模型网络或实际网络上的疾病传播模型、级联故障模型、同步动力学等，复杂网络方法已经较成功地揭示了网络拓扑结构与系统的功能之间的联系，为理解乃至改进现实系统的网络结构提供了有效的建议。除此之外，复杂网络方法还被应用于从现实系统节点数据出发探测系统节点之间存在的关联，并分析其网络结构性质。相关性网络就是其中常用的网络构建方法之一，已经在生物、金融、气候等不同系统中得到了大量应用，帮助揭示节点之间的内在耦合结构。然而，在系统可靠性分析领域，还较少有人从系统节点历史故障时间序列出发，构建整个系统的故障相关关系(耦合关系)的网络，使用一些网络结构指标来帮助评价系统可靠性，尤其是考虑跨不同系统(或不同子系统)的多层耦合的故障相关性网络。

因此，本发明重点考虑基于通信、交通、电网等关键基础设施系统的节点故障历史数据构建多层耦合的故障相关关系(耦合关系)网络，并在定义连边时考虑时间延迟与方向性。基于构建出的多层网络，本方法重点考虑网络上的键渗流过程寻找系统中跨子系统的故障大面积传播的关键节点以及所需的故障相关关系强度，并以此作为评价单个节点以及整个耦合系统的可靠性的指标。