异质流驱动的耦合网络级联故障研究

The problem about cascading failures in critical infrastructure networks has a serious impact on people's daily life and can cause huge economic losses. Although this issue has attracted the close attention of many scholars, the study on cascading failures in "coupled networks" is lack of sufficient attention. In particular, the research on the effect of the heterogeneous flows on cascading failures and the dynamic process of cascading failures, and the theory and the method about cascading paths are ignored. To this end, from the perspective of the interaction between the heterogeneous flows and the cascading dynamics, this project deeply investigates cascading phenomenon in coupled networks and solve the path prediction, the application of the reduction method, the diffusion location of cascading failures. Main research contents: Interaction and co-evolution mechanism of the heterogeneous flows are analyzed; Heterogeneous flow-driven cascading modeling in coupled networks is presented; The evolution path of cascading failures is predicted; The path reduction of cascading failures and the diffusion source localization are explored; The intervention strategies of cascading failures are studied. The characteristic and innovation of this project not only takes into account co-evolution mechanism between heterogeneous flows and cascading failures in cascading models, but also in studies the reduction of the path of cascading failures and the location of the diffusion source, which break through the limitations of the oriented thinking way in previous cascading studies and expand the depth and breadth of research systems of cascading failures.

关键基础设施网络频发的级联故障问题，严重影响了人们的日常生活，并造成了巨大的经济损失。虽然该问题已经引起许多学者的密切关注，但针对“耦合网络”级联故障研究还缺乏足够的重视，特别是异质流传输对耦合网络级联故障的影响以及级联故障演化路径相关的研究鲜有涉及。为此，本项目从异质流与级联失效动态过程相互作用的角度出发，深入研究耦合网络级联故障动力学行为，并解决异质流驱动的耦合网络级联故障演化路径预测、还原方法应用以及扩散源点定位等难点问题。本项目涉及如下五方面内容：1.异质流共演化机制；2.异质流驱动的级联故障建模；3.演化路径预测；4.路径还原方法和扩散源点定位；5.级联故障干预措施。该课题的特色和创新之处是不仅在耦合网络级联故障模型中，融入了异质流与级联故障协同演化机制，而且，级联故障路径还原方法与扩散源点定位研究，突破了以往级联故障研究的定向思维局限性，拓展了级联故障理论研究体系的深度和广度。

关键基础设施网络频发的级联故障问题，严重影响了人们的日常生活，并造成了巨大的经济损失。虽然该问题已经引起许多学者的密切关注，但针对“耦合网络”级联故障研究还缺乏足够的重视，特别是异质流与级联失效协同演化的研究鲜有涉及。为此，针对这一课题，从异质流与级联失效动态过程相互作用、多行为协同传播模式，以及级联故障反常态演化等视角，开展了许多研究。主要完成的工作包括：提出了一些新的度量网络节点和边初始负荷的方法，并构建了一些较适用于实际的级联故障模型；考虑边权重及相依网络之间耦合强度的影响，构建相互依赖网络上带有可调参数的级联故障负荷模型；从袭击规模以及能力增强等角度，研究网络级联故障反常态行为的演化规律及机理；考虑拥堵效应、负荷流动择优性、节点之间的引力效应、以及负荷流动可达区域等角度，构建全新的级联故障模型；研究了网络上融合疾病传播、接种决策与博弈行为等多种行为协同演化模型。重要结果：发现了网络上普遍存在级联故障反常态行为；构建了更适用于实际的级联故障演化模型，给出了较好应对关键基础设施网络级联故障的有效保护措施；在多行为协调优化中，给出了更好的建模方法，并尝试了从全新视角构建多行为驱动的级联失效模型；从博弈行为角度，给出了各种促进网络上合作行为涌现的机制。研究成果的理论意义在于：异质流协同以及级联故障反常态研究视角不仅体现了先进而独特的学术思想，而且拓展了级联故障理论研究的覆盖面。应用价值在于：不仅可以满足应急管理部门针对不同情境采用不同措施和方案来有效预防和控制关键基础设施网络级联故障的需求；而且，对于网络保护资源的有效配置、耦合网络较优拓扑架构的构建、以及多视角下鲁棒优化方法的选择等都具有极为重要的指导价值。