[发明专利]一种航空交通网络模体识别方法及子图结构韧性评估方法

说明书

本发明提供了一种航空交通网络模体识别方法及子图结构韧性评估方法；从局部角度出发，以构成空中交通网络的子图结构为研究对象，对其模体特性进行识别。通过对子图浓度在外界扰动下的变化情况进行分析，提出子图结构韧性概念表征网络底层拓扑结构的动态演化规律；以华东地区空中交通网络为例，对低阶子图结构进行了模体特性识别，并对不同扰动下子图结构韧性的变化情况进行评估。本发明所述的子图结构的模体特性符合空中交通网络的实际连通度需求；在网络受扰动及恢复过程中，子图相对浓度较为稳定，子图结构韧性和网络宏观结构变化之间较为一致。

技术领域

本发明属于交通网络技术领域，尤其是涉及一种航空交通网络模体识别方法及子图结构韧性评估方法。

背景技术

目前，对空中交通网络的研究内容主要围绕网络自身的结构功能特性及空中交通网络受扰动状态下的运行情况展开，鲜有对扰动后空中交通网络恢复能力的研究。而韧性作为系统的一种固有属性，可以较好的表现复杂系统预测、吸收、适应以及从破坏性事件中恢复的能力。韧性研究已经在生物结构、电力系统、指挥信息系统、城市建设等多个领域展开，主要研究方法是通过观察全局拓扑特征(中心性指标、小世界特性、幂律分布特性)和网络受扰动及恢复过程中网络指标(最大连通子图、网络效率)等的变化情况进行分析。然而，不同的局部结构会对网络整体的表现产生很大的影响，具有相似全局结构的网络之间也可能由于功能或生成机理的不同反映出不同的局部特征。Milo首次提出模体的概念，定义为在网络中反复出现的节点之间的连接结构。Schultz等证明了网络的鲁棒性及稳定性与网络中的低阶子图结构有关；Gorochowski等的研究结论表明网络中各低阶子图结构的相互协调并实现集体性功能的具体过程。因此，从局部特征角度对网络韧性进行研究具有重要意义。空中交通网络的与电力系统、社交网络类似，但是空中交通网络具有规律性、动态性，网络容量和有限性等特征。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种航空交通网络模体识别方法及子图结构韧性评估方法，以解决空中交通网络在受扰动或可承载的运输能力下降及恢复时的变化情况的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种航空交通网络模体识别方法，包括以下步骤：

S1、通过交换算法或匹配算法生成与真实网络规模一致、切分布相通的随机网络；

S2、利用ESU算法分别在真实网络和生成的随机网络中识别特定的导出子图，将导出子图构建同构子图数据库；

S3、通过软件调取数据库中的同构子图来进行模体评价，识别同构子图的模体特性。

进一步的，所述步骤S1中的匹配算法步骤如下：

4)按源图中的节点度分布产生节点的轴辐序列，即生成每个节点和它自身度值的列表，每个节点按照度值分成若干新节点。

5)随机从1)中生成的轴辐序列挑选两个节点进行连接，建立连边关系。

6)将源-目标节点聚合，它们之间的连接聚合成一条边，生成和源图具有相同度分布的随机网络。

进一步的，所述步骤S2中的ESU算法识别特定的导出子图的过程如下：

ESU算法是基于点的枚举算法，通过思想是从每个顶点出发，每次增加一个大于当前顶点索引的新顶点，生成新的顶点集合，直到扩展成预定子图规模，得到源图的所有特定阶数的导出子图。

进一步的，所述步骤S3中的模体评价识别模体特性的过程如下：

模体评价一般通过定义子图结构在真实网络中出现的显著性水平；显著性水平如下公式得出：