关联服务网络的连锁故障机理与防御策略研究

Several interdependent service networks make up a giant complex system, which has more complicated configuration connectivity and dynamical evolution property than single service system. In this proposal, some typical interdependent service networks will be taken as background, and then the new topology features of interdependent service networks will be extracted. Assortative and disassortative interdependency will be used to descript the relationship among service networks. Efficiency index is proposed to measure the degree of connectivity of the whole service systems. The mechanism of cascading failure and redistribution rule will be well defined, and the cascading failure of interdependent service networks will be modeled. The evolution of cascading failure on different topology of complex networks will be analyzed. Furthermore, the relationship of topology configuration, interdependency property and cascading failure degree will be exposed. How the vital topology variables influence the critical index of cascading failure will also be studied. It is very important to find a way of improving the invulnerability of interdependent service networks. To achieve this goal, there are three methods: increase the fraction of autonomous nodes, particularly nodes with high degree; design the dependence links such that they connect the nodes with similar degrees; protect the core of high-degree nodes against attack.

关联的多个服务网络构成了复杂的巨系统，其结构特征、连通特征和动态演化特征都远比单一服务网络复杂。本课题以几种典型的关联服务网络为背景，概括和提取出描述复杂服务网络的拓扑结构新特征，用同配和异配概念刻画两种不同的网络关联特性，提炼关联服务网络系统的效率指标用于衡量复杂关联网络整体的连通特性；考虑了服务网络之间的关联属性，界定连锁故障在网内和网际的不同传播机制，构建关联服务网络的连锁故障模型；分析连锁故障在不同拓扑结构的网络上动态演化的差别，探索关联服务系统的拓扑结构、关联属性和连锁故障传播动力学之间的内在联系，研究重要的拓扑量对连锁故障临界指数的影响；分别从提高关联服务网络中自主节点的比例、优先考虑重要性等级相同的两个网络的节点相互关联、加强对关键节点组成的网络核心的安全保护等方面设计风险防御策略，以提高关联服务网络的抗毁性能力。

本项目按原定计划书的内容逐项展开研究，所取得的进展包括： (1)通过两年多的调研，对某市的供水网、电网、通讯网络、煤气网络和交通网络五大基础设施工程的数据进行了收集和整理，构建了基于ArcGIS地理信息系统的基础服务设施网络平台系统。在动态和静态的网络电子地图基础上，可实现对各种设施及管线进行属性查询、分析、统计；网络发生故障后，能在短时间内提供应急方案、向公众发布即时信息；实现了图文一体化的现代化管理，提供了网络数据动态更新机制，为规划、设计、调度、抢修和图籍资料管理提供强有力的科学决策依据。（2）探索单个网络的负载-容量的连锁故障模型，提出了一种新的定义故障发生前网络中初始负载的方法和一种新的基于节点空闲容量的分配机制，我们提出的分配机制在相同的参数下没有超过容量阈值，更安全可靠。在关联网络的的连锁故障研究中，通过解决模型建立的关键问题，构建了关联网络上的连锁故障动态模型，提出了连锁故障传播在关联网络中的四个阶段。这些关键问题有：怎样将两个单个网络关联起来，两个网络之间的崩溃策略又是怎样的，怎样将两个网络内的连锁故障传播和两个网络间的连锁故障传播联系起来。 (3) 通过仿真探讨了不同网络关联度、不同攻击模式以对关联网络在连锁故障传播的四个阶段造成的不同影响；为了得到连锁故障发生的阈值解析解，研究了三种攻击情况下的网络上的K-core渗流过程。分别对单个网络ER网络、单个SF网络、两个相互依存的ER网络及两个相互依存的SF网络四种网络拓扑结构，研究了针对性攻击、局部攻击、随机攻击这三种不同攻击模式下的网络渗流属性，通过解析分析得到的结果和蒙特卡洛模拟的结果完全吻合。我们还发现了一个很有趣的结论是：单个ER网络和两个互相依存ER网络在随机攻击RA和局部攻击LA两种情况下，渗流特性是相同的。(4)把这个连锁故障的发生过程描述成节点之间的博弈，网络是完全分布式的，从攻击者的视角看，其面临的问题是如何选取最优策略以最小的代价让网络丧失功能；从防御者的角度看，就是研究什么样的保护手段可以是系统消耗最小的资源已确保网络功能。由于网络节点的移动性和动态性，这个优化问题变为NP完全问题。我们提出一种启发式策略解决此类优化问题。 (5)将网络连锁故障的模型和机理应用于创新产品的扩散问题中，研究新产品扩散问题的初始种子用户在社会网络中的分布特征及其不同组合模式对新产品扩散效率的影响。