基于復雜網(wǎng)絡理論的基礎設施系統(tǒng)脆弱性分析.pdf

1、基礎設施是一類為社會生產(chǎn)和居民生活提供服務的物質工程設施,它們是社會賴以生存和發(fā)展的一般性物質條件,也是典型的復雜系統(tǒng)。當今社會越來越依賴于基礎設施系統(tǒng)提供的各種服務以維持其正常運行。然而近年來以北美大停電、08年中國南方雪災為代表的各類災害頻繁爆發(fā),給基礎設施系統(tǒng)的安全敲響了警鐘。鑒于基礎設施系統(tǒng)對社會生產(chǎn)和人民生活的重要性,研究基礎設施系統(tǒng)在不同擾動下的響應情形,分析、理解、識別基礎設施系統(tǒng)的脆弱性,進而提出相應的抗干擾措施和改進策

2、略,提高基礎設施系統(tǒng)的可靠性,成為了當前研究的一個熱點課題。
　　圍繞基礎設施系統(tǒng)的脆弱性研究及其應用,國內外眾多研究機構和學者分別采用投入產(chǎn)出模型、系統(tǒng)動力學模型、Agent仿真模型,探討了災害對基礎設施系統(tǒng)中的經(jīng)濟體、功能器件、業(yè)務流程等的影響并取得了若干初步成果,但是就總體而言,基礎設施系統(tǒng)脆弱性的研究尚處于起步階段,特別地,對于關聯(lián)基礎設施系統(tǒng)脆弱性研究目前仍然是一個較新的研究領域。
　　復雜網(wǎng)絡作為大量真實復雜系統(tǒng)

3、的高度抽象,其理論與應用研究已滲透到數(shù)理、生命和工程學科等眾多不同的領域。利用復雜網(wǎng)絡的理論和方法能夠很好的描述基礎設施系統(tǒng)的內部結構和彼此間的關聯(lián)關系,為基礎設施系統(tǒng)脆弱性的研究提供一個全新的視角和研究方法,有助于從整體上把握系統(tǒng)的復雜性和系統(tǒng)響應的動力學特性。基于此,本文運用復雜網(wǎng)絡的理論和方法,從單一基礎設施系統(tǒng)入手,以關聯(lián)基礎設施系統(tǒng)為研究重點分析基礎設施系統(tǒng)的脆弱性。主要研究內容如下:
　　首先,利用復雜網(wǎng)絡的理論和方法

4、對基礎設施系統(tǒng)進行了拓撲描述和功能刻畫,介紹并總結了描述基礎設施系統(tǒng)的聚類系數(shù)、度相關性、介數(shù)等參量,以便更深刻的理解基礎設施系統(tǒng)結構與功能特性,給出了基礎設施系統(tǒng)的脆弱性分析理論框架。
　　針對以往單一基礎設施系統(tǒng)網(wǎng)絡脆弱性研究中對邊的級聯(lián)故障和社團脆弱性很少提及這一情形,本文在一般脆弱性分析的基礎上,建立了節(jié)點和邊的級聯(lián)故障模型,分析了基礎設施系統(tǒng)網(wǎng)絡在節(jié)點故障和邊故障下的脆弱性。同時利用模塊度優(yōu)化算法給出了社團結構劃分方法,

5、并結合基礎設施系統(tǒng)網(wǎng)絡的結構特性和功能特點分別提出了結構和功能脆弱性指標,用以尋找網(wǎng)絡最脆弱和魯棒的社團。
　　對于關聯(lián)基礎設施系統(tǒng),本文分別從關聯(lián)類型、運行狀態(tài)、基礎設施特性、故障類型、耦合和響應行為、基礎設施環(huán)境等不同方面分析了其關聯(lián)性,結合基礎設施系統(tǒng)脆弱性分析框架,對關聯(lián)基礎設施系統(tǒng)進行了脆弱性分析。在研究中對每一個具體系統(tǒng)進行了拓撲結構抽象,結合其運行機制建立了功能模型,考慮了不同系統(tǒng)間的關聯(lián)關系,并給出了關聯(lián)基礎設施系

6、統(tǒng)接口設計策略。利用網(wǎng)絡效率、雪崩規(guī)模等性能指標分析了系統(tǒng)在不同接口、不同擾動策略下的脆弱性,得出了關聯(lián)基礎設施系統(tǒng)的故障容忍性和最優(yōu)的接口設計標準。
　　脆弱性分析的目的是為了更好的保護基礎設施系統(tǒng)。在單一和關聯(lián)基礎設施系統(tǒng)脆弱性分析基礎上,探討了基礎設施系統(tǒng)的關鍵組件辨識方法,以便對這些關鍵組件進行重點保護。通過納入緩沖、增加冗余、故障修復等手段討論了基礎設施系統(tǒng)的改進策略,為控制基礎設施系統(tǒng)的級聯(lián)故障、增強系統(tǒng)的抗干擾能力提