[发明专利]一种基于网络修剪的复杂网络整体效率优化方法

说明书

本发明公开了一种基于网络修剪的复杂网络整体效率优化方法。包括：求网络的最大连通分支，计算其整体效率；依据获得的最大连通分支，分别计算每个节点删除后对应的整体效率，逐个与原整体效率进行比较；获取待修剪的节点集合；依据节点集合中元素的个数判断是否进行优化；依据判断结果，选择执行或者结束优化；在执行优化的情形下，删除待修剪节点集合中的节点及其相邻边，构成新的网络，并重新执行以上步骤。本发明适用于大量实际复杂系统在结构上的精简，为提高网络通信性能、整体互通效率、节约硬件设施、优化能源消耗等提供参考方案。

技术领域

本发明涉及一种网络整体效率的优化方法，特别涉及一种基于网络修剪的复杂网络整体效率优化方法。

背景技术

人类的生活和生产活动依赖于大量自然界及人造的复杂系统，对于一个给定系统，其各组件之间的联系和交互模式可以用网络表示，系统的各个组件可以抽象成网络中的节点，组件间的联系抽象成边。

网络的效率是对信息等载体的传输和交换能力的一种测量，因此在网络科学和Internet、物联网等应用领域中都受到广泛关注。通常效率计算的是节点间路径长度的倒数，因此相比平均路径长度而言，更加容易测度非连通的节点。

网络效率可以应用在网络的整体和局部，其中整体效率量化了载体在网络各处同时进行交换的能力，局部效率则量化网络对小规模故障的抵抗能力。目前对网络效率的研究，一部分集中在不同网络拓扑结构下的效率及达到效率的成本。此外，研究还较多关注网络规模改变、网络攻击对效率的影响。对现有研究结合来看，无论是随机性地小规模攻击网络还是蓄意攻击具有某些中心化指标的重要节点，网络整体的效率通常是下降的，只是在不同网络结构下，下降的比例不同。目前的技术缺乏对整体效率的主动优化，而是被动地承受随机或蓄意攻击后效率的下降。

发明内容

为了解决网络整体效率的优化问题，本发明在将原网络修剪为最大连通分支的基础上，比较每一个节点删除前后对整体效率的影响，然后实施进一步的修剪。对修剪后的网络不断重复以上修剪过程，以实施网络整体效率的动态优化。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，一种基于网络修剪的复杂网络整体效率优化方法，包括以下步骤，

步骤一：求网络的最大连通分支，并计算其整体效率。其中求网络的最大连通分支，以及计算整体效率均为公知技术。

步骤二：根据步骤一所得到的最大连通分支，分别计算其中每个节点删除后的整体效率，获得节点删后整体效率值的数组；

步骤三：根据步骤二中获取的整体效率值的数组，与步骤一所得的整体效率值相减，得到效率偏差数组；然后筛选偏差数组中的非正数值，将其对应的节点作为待修剪节点集合的元素；依据集合中元素的个数和修剪规模大小判断是否执行优化；

步骤四：根据步骤三所得的判断结果中的执行优化情形，在步骤一所得的最大连通分支中删除集合中的节点及其相邻边，由此产生新的网络；然后重新回到步骤一，依此循环，实施动态优化。

定义初始网络为G(N,g)，其中，N为网络的节点的集合，g为网络的边的集合。

所述的方法，所述的步骤一中求网络的最大连通分支的步骤为：

步骤1求所有连通分支：

其中，N'为网络连通分支中的节点的集合，g'为网络的连通分支中边的集合。

ΠG(N',g')表示所有连通分支的集合，i,j∈N'且ij∈g表示在搜索所有节点的过程中，每确立一个连通分支G(N',g')，必须同时满足的条件为：节点i，节点j均属于N'，且节点i和节点j在G(N,g)中存在一条路径相连接。表示N'为非空集合，且N'和g'属于N和g。易知，当每一连通分支中N'确定后，在G(N,g)中连接N'所含节点的各边构成了g'。