复杂空间耦合网络的故障蔓延机理及防控技术研究

In infrastructure network, the spatial constraint and the coupling effect between networks make the network very vulnerable. The local failure will induce the continuous propagation of failure in the coupling network, causing catastrophic impact. Aiming at the failure propagation problem in complex spatially coupled network, this project will mainly research three common problems: the modelling method of spatially coupled network, the failure propagation mechanism induced by the local failure and the influence of the prevention and Recovery strategy. Taking the advantage of the veracity of multiplex Waxman model when modelling the spatially structure and the validity of the periphery recovery when suppressing the failure propagation, we can ascertain the key factor that influence the failure propagation in complex spatially coupled network and explore the spatial-temporal evolution mechanism, Accordingly, we can formulate the reasonable prevention and control strategy, cut off the causal chain of failure propagation, eliminate the catastrophic impact bring by the failure propagation and improve the survival and fault-tolerant ability of the network system..The research achievement of the project will improve the failure propagation theory and its prevention technique of spatially coupled network, provide theoretical guidance and technical support for the prevention and control of the failure propagation of real coupling infrastructure networks.

在基础设施网络中，空间限制与网络间的耦合作用使得网络变的极为脆弱，局部故障会诱导故障在耦合网络中不断蔓延,造成灾难性的影响。本项目将针对复杂空间耦合网络中的故障蔓延问题，对空间耦合网络的建模方法、局部故障诱导的故障蔓延机理、预防与维修控制策略的影响三个共性问题进行研究，利用复合Waxman模型在刻画网络空间结构的准确性与边界恢复方法抑制故障蔓延的有效性，来定位复杂空间耦合网络中影响故障蔓延的关键因素并探索故障蔓延的时空演化规律，制定合理的预防和维修控制策略，斩断故障蔓延的因果链条，消除故障蔓延带来的灾害性影响，提高网络系统的生存与容错能力。.本项目的研究成果将完善空间耦合网络的故障蔓延机理及其防控技术，为预防和疏解实际基础设施耦合网络中的故障蔓延提供了理论指导和技术支撑。

空间网络作为复杂网络的一个重要分支，涉及甚广，诸如地下水管网络、飞机航线网络、铁路网络、天然气网络、电力网络、Internet 网络等都存在着空间结构。随着空间网络规模的巨型化和空间网络间耦合关系的复杂化，空间网络的故障蔓延问题越来越突出。当复杂空间耦合网络中一个或少数节点或者连接边发生故障时，故障会通过节点间的耦合关系向整网扩散、传播，产生连锁效应，最终导致大量节点甚至整个网络崩溃，对社会秩序和人们的生产生活造成重大影响。.本项目采用某基础设施复杂空间耦合网络数据，对网络中的故障蔓延机理和预防与维修控制策略展开研究，研究成果对多种空间网络有效。项目以Waxman模型为理论基础，通过对网络空间结构特性和网络间的相互耦合关系的研究，抽象出符合实际网络的空间耦合网络模型。项目建立了相继故障传播模型以及基于在线修复的相继故障传播模型，分析网络的最大连通分支规模的迭代变化关系，给出局部故障诱导的故障蔓延机理。在该过程中，课题组发现了故障蔓延过程中存在一些可抑制因素，并进一步地探讨了预防性容量控制策略、预防性负载重分配策略和节点选择性移除三类预防策略以及随机修复策略、介数优先修复策略、节点度优先修复策略和边界完全修复四种修复策略对故障蔓延的影响。经过仿真发现，恰当的防控技术能够有效抑制网络系统故障的发生或者传播，能够减少甚至是消除由于相继故障导致的复杂空间网络损失和灾难性的影响。.本项目取得的研究成果为复杂空间耦合网络的优化设计提供理论依据和技术支持，能够提高复杂基础设施网络的可靠性以及可用性，具有重大的理论意义与应用价值。