[发明专利]双层超网络级联故障行为研究方法和系统

说明书

本发明涉及双层超网络级联故障鲁棒性的评估技术领域，具体涉及一种双层超网络级联故障行为研究方法和系统。本发明通过构建双层超网络和双层超网络超边扩散级联故障行为的CML级联故障模型，并将CML级联故障模型应用于双层超网络，分析双层超网络级联故障行为，得到均匀双层超网络的鲁棒性，本发明提出了双层超网络的构建方法，并根据双层超网络的结构，基于超边扩散的级联故障，得到了适于描述双层超网络超边扩散级联故障行为的CML级联故障模型，并将CML级联故障模型应用于双层超网络，通过分析得到为了提高双层超网络的鲁棒性，应尽量降低层间连接概率和超边间的耦合强度。

技术领域

本发明涉及双层超网络级联故障鲁棒性的评估技术领域，具体涉及一种双层超网络级联故障行为研究方法和系统。

背景技术

由于人类社会的相互联系越来越紧密，人们的关键系统网络(如电网、交通网络、互联网、通信网络等)如果发生了灾害，将会严重影响人们的正常生产和生活，从而带来无法估量的巨大损失。在这种关键系统的网络中，节点可能由于过载或人为攻击而发生故障，当网络中发生故障时，故障会通过节点或者边扩散，最终导致大多数节点失效，甚至可能导致整个网络崩溃。这种雪崩式的级联效应会严重破坏网络，例如，电网的崩溃、交通网络的拥堵和通信网络的瘫痪，都是由节点或边的故障引起的网络灾难。

在超网络中，一个节点或者超边的故障通过节点和超边间的相互关联关系进行扩散，最终导致超网络全局故障，使超网络系统全局崩溃的一种现象称为级联故障行为。现实中的各类超网络之间也存在相互的依赖和影响。例如：地铁超网络与航空超网络之间有一定的关联关系，物流超网络与交通超网络也相互影响与制约等。级联故障现象一旦发生在相互关联的超网络中，将会对相互关联的超网络产生重要的影响，甚至是灾难性毁灭。

相关技术中，利用级联故障评估复杂网络鲁棒性：通过对各类复杂系统上的级联故障行为的研究，能更系统更深入地分析与评估网络的鲁棒性。从 1987年起，研究者提出了二值模型，沙堆模型，容量负载模型，耦合映像格子(CoupleMapLattice,CML)模型等许多级联故障模型。同时，他们利用这些模型分析了标准或实证复杂网络上的级联故障行为，评估了各类复杂网络的鲁棒性。

另一些相关技术中，利用级联故障模型分析多层普通网络的级联故障行为：随着复杂网络应用的深入研究发现，现实中的很多复杂网络并不是相互独立的，它们之间往往存在紧密的相互依赖关系。因此，利用多层复杂网络建模了各个复杂网络之间的关联关系。与此同时，为了分析这些多层复杂网络的级联故障行为，也对多层普通网络上的级联故障行为进行了系统的研究，获得了多层普通网络上级联故障行为的发生机理、扩散过程以及影响因素等。例如，对不同依赖关系下，多层复杂网络的级联故障进程进行了研究，同时考虑了耦合网络类型、容量冗余、耦合模式、耦合强度、攻击方式等对多层复杂网络级联故障进程的影响，并利用相关结果评估了多层复杂网络的鲁棒性，还提出了很多增强多层普通网络鲁棒性的策略。

另一些相关技术中，利用级联故障分析单层超网络的级联故障行为：随着现实系统的多元化和复杂性，普通网络已不能充分刻画现实复杂系统的特性，于是超网络引起了广泛关注。已有的研究结果表明，对超网络结构及特性的分析，能挖掘出现实复杂系统的更多特性，加深对现实复杂系统的全面认识。例如，对科研合作超网络的研究，不仅可以体现作者间的合作关系，同时可以直观地描述几个作者合作发表文章的数量。再比如，对快递系统的超网络建模研究，不仅可以直观地展示快递公司之间的合作关系，也可以更好地描述快递公司与电商之间的多元合作关系。此外，为了分析单层超网络的级联故障行为，也关注了发生在单层超网络上的级联故障现象。例如，利用CML研究无标度超网络上的基于超边和基于节点扩散的相继故障行为，并利用相关结果评估了无标度超网络的超边扩散鲁棒性和节点扩散鲁棒性；根据超网络的超邻接矩阵和联合度矩阵提出了一类CML模型，利用该模型分析单层超网络的级联故障行为，并评估了单层超网络的鲁棒性。另外，利用容量负载模型研究几类超网络的级联故障行为，评估了小世界超网络与随机超网络鲁棒性的异同。