多重自适应网络传播模型与重要节点防御研究

Aiming at the coexistence phenomenon of virus spreading and information diffusion in real networks, we analyze the virus networks , information networks topologies and spreading behaviors on them, and the multiple adaptive network models and Virus-information coupling adaptive spreading models is established in the project. We study the dynamics of the virus and information coexistence in multiple adaptive networks and the interplay among virus spreading, information spreading and network structure, reveal the coupling mechanism between layers in multiple adaptive networks. The dynamic properties on each layer and key factors affecting dynamic behaviors bring a better understanding of the relationship between multiple adaptive network structure and the dynamic behaviors, and the interplay among different types of dynamic processes. Based on the study of important nodes ranking algorithms in complex networks, we propose important nodes ranking algorithms and importance measurements in multiple adaptive networks, combining the relationship between multiple network structure and transmission dynamics. Then, defending strategies of protecting important nodes are developed, to achieve the goals of guiding information, inhibiting virus spreading and defending network security.

本项目针对现实网络中病毒传播和信息扩散共存的现象，对病毒网络和信息网络的拓扑及其上的传播行为进行分析，构建多重自适应网络的拓扑模型和病毒-信息耦合自适应传播模型。研究多重自适应网络上病毒和信息共存的传播动力学，揭示多重自适应网络的层间耦合机制以及病毒传播、信息传播和网络结构之间的相互影响。分析各层网络上的动力学特性，探索影响动力学行为的关键因素，更好地理解多重自适应网络结构与传播动力学行为的关系以及不同类型的动力学过程之间的相互影响。基于复杂网络中重要节点发现算法的研究成果，结合多重网络结构与传播动力学之间的关系，提出多重网络上的重要节点排序算法及重要性衡量指标，制定针对重要节点予以保护的防御策略，从而达到导向信息、对抗病毒传播和进行网络安全防御的目标。

本项目针对病毒传播网络及信息传播网络的拓扑及其传播动力学进行了深入研究。(1)考虑病毒传播的时空特性及传播网络的异构性，首次基于双曲空间理论并融合节点的流行性和节点间的相似性，采用偏微分方程构建了病毒时空传播模型和虚假新闻时空传播模型，研究了病毒、信息、级联故障等传播行为和时空传播特性。所构建的模型具有简单、数值解易于获得等特点，且求解难度不会随着网络规模的增大而增加。(2)在多重网络中，信息与疾病传播相互作用，多层网络层间存在几何相关性。为此，建立了基于病毒-信息耦合特性的多重网络传播模型、自适应网络传播模型，研究了病毒和信息在传播过程中的相互作用和自适应网络的传播动力学特性；证实了在现实世界多层网络中几何相关性能够抑制传染病和虚假消息的传播，虚假新闻在多层网络中的传播规模超过单层网络；证实了病毒或级联故障传播扩散的条件与网络平均度和平均权值成反比，以及自适应加权网络在抑制级联故障方面的有效性。(3)为了对抗病毒传播、抑制级联失效和网络防御，研究并提出了基于边自适应重连、节点负荷分配等控制策略，研究表明加权网络连边的断边重连概率越高，自适应加权网络对抗病毒爆发或故障的能力就越强。研究了重要节点排序算法及免疫措施，提出了多种重要节点排序算法，针对重要节点予以保护和免疫，从而达到对抗病毒传播、抑制网络级联失效和进行网络安全防御的目标。. 通过研究，在IEEE Transactions on Information Forensics and Security, Journal of Theoretical Biology, Physica A, The European Physical Journal B, International Journal of Modern Physics B, Security and Communication Networks及物理学报等高质量学术期刊以及CCC、CCDC及CSE等高水平学术会议发表高质量学术论文50余篇，申请发明专利15项，授权10项。项目按照预定计划执行，研究成果具有创新性，提升了团队国内外学术影响力，培养了一批高层次人才，达到了预期研究目标。