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《天津理工大学》 2017年
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复杂网络中级联失效行为分析与结构可控性研究

马义林  
【摘要】:信息时代的脚步声越来越近,复杂网络学科的引入为更加深入地研究复杂系统的结构特征与其上的动力学行为提供了详细的理论基础和方法。本论文涉及的研究工作主要与复杂网络系统的模型实现与特性分析相关:基于耦合网络攻击问题的研究,有助于增强对现实生活中复杂相依系统的理解和认知;采用数值仿真的方法分析了复杂网络的结构可控能力,研究结果有助于探寻提升网络系统可控能力的关键因素;基于Fitness模型对幂指数可变的无标度网络进行建模实现,并进一步深入分析其重要的结构特征及动力学特性,研究结果有力证明了幂指数γ对无标度网络性能的重要影响。论文的主要研究内容和创新性成果概括如下:1.攻击引发的相依网络系统中级联失效行为分析。针对蓄意攻击引发的相依系统级联失效行为,进一步验证耦合关系对相依系统抗攻击能力的影响,引入相依网络系统模型,通过控制该网络模型的两个调优参数,深入分析度分布,尤其是度异质程度的变化规律。以数值模拟手段,讨论和验证度分布异质程度对单网络和相依网络结构脆弱性的影响,着重分析网络耦合强度对蓄意攻击情况下的相依网络系统的作用,研究结果有助于进一步深刻理解现实世界中多网络系统的结构脆弱性特征。2.Local-World网络的结构可控性研究。Local-World网络模型已经成为一个成熟的网络模型框架,对其进行网络可控性研究有着重要的意义。以控制信号的可达性为基础,借助仿真手段,研究了Local-World网络中影响结构可控性的关键因素。结果表明,对于密集网络,可控性取决于网络规模N,Local-World效应暂时可忽略不计;对于稀疏网络,与网络规模N相比,局部网络规模M更能显著地影响结构可控能力。3.幂指数可变的无标度网络的建模与分析。度分布服从幂律的网络被称为无标度网络,Fitness模型作为典型无标度模型之一,能生成度分布幂指数可变的无标度网络,其幂指数γ的取值范围为γ∈(2,∞)。在简介Fitness网络建模机理的基础上,给出了模型的具体实现方法,并针对所生成的网络,进一步对其重要的结构特征及动力学特性进行了深入分析,包括度分布、抗攻击能力、同步性能及结构可控能力,重点研究了幂指数γ对网络性能的影响。
【关键词】:复杂网络 级联失效 无标度网络 Local-World网络 Fitness模型 相依网络 蓄意攻击 结构可控性
【学位授予单位】:天津理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O157.5
【目录】:
  • 摘要5-6
  • Abstract6-10
  • 第一章 引言10-13
  • 1.1 课题背景和意义10
  • 1.2 国内外研究现状10-12
  • 1.3 论文内容概要12-13
  • 第二章 复杂网络研究背景13-21
  • 2.1 复杂网络发展历程13
  • 2.2 基本概念及典型特征量13-15
  • 2.2.1 度和度分布13-14
  • 2.2.2 聚类系数14
  • 2.2.3 幂律系数14-15
  • 2.3 典型网络模型15-18
  • 2.3.1 规则网络15
  • 2.3.2 随机网络15-16
  • 2.3.3 BA无标度网络16-17
  • 2.3.4 Local ? World网络17
  • 2.3.5 Fitness模型17-18
  • 2.4 相依网络与级联失效18-19
  • 2.5 结构可控性19-20
  • 2.6 本章小结20-21
  • 第三章 度分布异质程度对相依网络系统抗攻击能力影响研究21-29
  • 3.1 相依网络脆弱性21
  • 3.2 网络模型与仿真参数21-23
  • 3.2.1 eBA网络模型21-22
  • 3.2.2 相依系统耦合方式22-23
  • 3.2.3 相关参数23
  • 3.3 仿真与分析23-28
  • 3.3.1 单网络的脆弱性研究23-25
  • 3.3.2 全耦合网络脆弱性研究25-26
  • 3.3.3 部分耦合网络脆弱性研究26-28
  • 3.4 本章小结28-29
  • 第四章 局域世界网络的结构可控性研究29-35
  • 4.1 模型建立与模型参数29-31
  • 4.1.1 Baraba?si?Albert网络模型演化29-30
  • 4.1.2 Local-World网络模型30-31
  • 4.2 结构可控性分析31-34
  • 4.3 本章小结34-35
  • 第五章 基于Fitness模型的幂指数可调无标度网络的构建及特征分析35-43
  • 5.1 Fitness模型实现步骤35-39
  • 5.2 幂指数可调的无标度网络的特征分析39-42
  • 5.2.1 结构特征分析39
  • 5.2.2 抗攻击能力分析39-40
  • 5.2.3 动态同步性能分析40-41
  • 5.2.4 结构可控性分析41-42
  • 5.3 本章小结42-43
  • 第六章 总结与展望43-45
  • 6.1 总结43-44
  • 6.2 展望44-45
  • 参考文献45-49
  • 发表论文和科研情况说明49-50
  • 致谢50

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