基于耦合网络模型的遭袭复杂系统结构脆弱性研究

Real-world complex systems are not ideally isolated, however they are interact with and depend on others, failures in one system can trigger a cascading process that completely destroys all the systems, thus the study on structural vulnerability of coupled network systems under attacks is of practical significance and become a new and hot research focus recently. .In this project, using the methods of theoretical analysis and numerical simulation, 1) Based on the couple-network model with heterogeneous topologies, the structural and dynamical properties of systems under attacks will be studied; 2) coupled-network model with tuning parameters will be proposed and investigated to study the relation between structural properties and vulnerability parameters; 3) Three new attack strategies, including link-targeted attack, node attack with defense parameters and propagation attack based on local topology information, will be presented to investigate the percolation phase transition behaviors during sytem fragment process; 4) furthermore, methods in order to improve system robustness against attacks will be proposed, including optimal design of system with increased robustness and optimize existing system base on structural perturbation..The consequences of all the study can provide deep insights towards better understanding of structural complexity of real systems and exact indentification of the weakness, which will help to design robust systems and enhance the protection of existing critical systems.

现实中几乎不存在理想的孤立系统，系统间彼此耦合且一个系统中出现故障会迅速波及多个系统并引发级联效应，因此研究遭袭耦合系统结构脆弱性问题具有极为重要的现实意义，是最近复杂系统和复杂网络领域的一个研究热点。本项目拟采用理论解析和仿真模拟相结合的方法开展以下工作：建立异种网络耦合系统模型，研究系统结构特征及遭袭下的系统动态变化过程；建立特征参数可调的耦合网络模型，给出网络宏观和微观特征参数与脆弱性度量指标间关联关系分析；提出更贴近现实情况的新型攻击策略（边攻击、具有防御能力系统的点攻击、基于局部信息的传播式攻击），分析系统遭袭过程中出现的渗逾相变行为；进一步探讨如何提升系统抗攻击能力，得到最优系统应该具有的结构特征；提出基于结构微调的优化方法。项目研究有助于深刻认识系统复杂性，以及准确发现系统安全隐患和薄弱环节，并为安全可靠系统设计、现有系统结构优化等提供科学的理论依据。

遭袭耦合系统结构脆弱性问题是最近复杂系统和复杂网络领域的一个研究热点。本项目采用理论分析和仿真模拟相结合的方法，分析了耦合系统结构特征与脆弱性的内在关联关系，提出了通过优化结构设计以提升系统抗攻击能力的方法和措施，并讨论了耦合网格上的演化合作行为。主要创新性的研究结果和发现包括：. （1）耦合网络系统结构特征与攻击脆弱性分析。建立了聚集系数可调的相依网络模型，综合考虑聚集系数、耦合方式、耦合强度共同作用下系统结构脆弱性特征。. （2）基于结构微调的网络系统抗攻击能力优化研究。提出了基于模拟退火和禁忌搜索的网络抗攻击能力优化方法，分析优化对系统结构特征的影响；并着重分析了onion-like结构的动态无标度网络脆弱性与同步能力的关联关系。. （3）耦合网络系统中的博弈行为研究。研究了考虑耦合强度和个体差异性的加权耦合网络上囚徒困境博弈的演化合作行为；提出了一个新的双层耦合网络模型，并探讨了在该网络模型上个体多样性对囚徒困境博弈的影响。. （4）基于改进SIR和SIS模型的复杂网络系统中传播动力学行为分析。提出了一个新颖的同时考虑感染延迟和非均匀传播的SIR模型，发现了感染延迟和非均匀传播对临界值影响；结合无线网络中病毒传播的实际特点，在SIS传播模型上引入移动的网络节点，分析和研究了节点的移动速率对病毒传播的影响。. （5）设计开发了复杂耦合网络建模及其动力学行为仿真分析软件。. 项目研究对于深刻认识系统的结构复杂性及网络上的合作动力学行为和传播行为、准确发现系统安全隐患和薄弱环节、预防大规模故障在耦合网络中的迅速蔓延等具有十分重要的理论意义和应用价值；并为安全可靠系统设计、现有系统结构优化等提供科学的理论依据。