不同攻击策略下加权网络的网络鲁棒性研究

Research on the robustness of network of networks has become a hot topic in the field of complex network science. In this proposal, combining theoretical analysis and computer simulations, we study on the robustness of weighted network of networks with different topologies under different attack strategies, and find the critical value or intermediate range to contain the failure. First, comparatively explore the effects of different dependency relationships on the cascading dynamics of weighted network of networks with different topologies, including the coexistence of interconnected links and multiple support-dependence links without overlap, the coexistence and overlap of interconnected links and multiple support-dependence links, and defining the support-dependence relation by spatial distance. Second, introduce several different attack strategies into the cascading failure model, including selective attack, step-by-step attack and different subnetworks different attack strategies, and study the effects of different topologies on the robustness of weighted network of networks. At last, study the robustness of weighted network of networks with the same and different topological properties of subnetworks separately. The study of the project will further improve the theoretical system of interdependent networks, and provide theoretical foundation and feasible suggestions for designing highly robust and resilient infrastructure.

网络的网络鲁棒性研究，已成为当前复杂网络科学领域的热点课题。本项目利用理论分析与计算机模拟相结合的手段，系统地研究不同攻击策略下不同拓扑结构的加权网络的网络鲁棒性。首先，定义不同的相互依赖方式，包括连接边与多重支持-依赖边共存但不重叠关系、连接边与多重支持-依赖边共存且重叠关系和通过空间距离定义支持-依赖关系，对比研究不同的相依方式对于不同拓扑结构的加权网络的网络级联失效动力学的影响，找出抑制失效蔓延的关键值或范围。其次，在相依加权网络的级联失效模型中引入不同的攻击策略，包括选择性攻击、分步式攻击和各子网络不同策略的攻击，研究不同的攻击策略对于不同拓扑结构的加权网络的网络鲁棒性的作用机制。最后，分别研究加权子网络拓扑特性相同与不同情况下加权网络的网络的鲁棒性。本项目的研究能够进一步完善相互依赖网络的理论体系，而且为设计高鲁棒性、抗攻击性的实际网络提供理论基础和可行性建议。

本项目立足于现实系统间日益加强的相互依存特征-网络的网络, 从系统的安全性角度出发，研究随意、蓄意和区域攻击策略下具有不同加权耦合关系的网络的网络鲁棒性。为预防系统风险发生，设计高鲁棒性、抗攻击性的实际网络提供了相应的理论支撑和可行性建议。主要取得的成果如下：.(1) 基于实际网络数据间的加权相依特性，分别讨论了具有不同权重相依属性的耦合相依边类型，厘清子网络间不同的加权相依方式。其中包括有无反馈情形下的一一对应的权重相依类型、具有权重属性的相依边和连接边共存下的耦合相依边、多重相互依赖的有向权重相依边(完全和部分依赖)。利用渗流理论，对比研究了不同的相依方式对多个相依网络鲁棒性及级联失效动力学的影响和作用机制。并找到了上述不同类型权重相依边情形下的失效临界值，为构建实际相依网络和寻找失效蔓延的关键阈值或范围提供了理论支撑。.(2) 从突发事件发生的随机性、蓄意性、选择性特点出发，同时兼顾考虑攻击目标的全局性和局域性，对以上具有不同类型加权相依边的网络的网络的鲁棒性分析究。本项目采用了在网络信息未知的情形下的随机地移除网络中节点的随机攻击、对于网络信息了解的蓄意性攻击、对网络中点权值高的节点进行层次性局部攻击，进而借助于随机复杂网络的生成函数，定义不同的权重坍塌失效模式。通过对系统鲁棒性的研究，我们发现系统对于以上攻击策略具有丰富的一阶、二阶和混合相变行为。.(3) 考虑子网络拓扑结构的丰富性，对具有聚类网络拓扑结构下的相依网络，对比研究了在随机和局部攻击下网络的拓扑特征对网络鲁棒性的影响。研究发现：当网络中的聚类系统变大时，对于随机攻击系统的鲁棒性不发生变化; 而对于局部攻击，系统变得越来越脆弱。此外，通过采集能源相关实证数据，构建加权能源供需相依网络模型。同时，利用网络间的加权相依性，评估了供需主体之间的相对重要性以及相互影响的程度。