网络上的相继故障模型研究
: 相继故障是与网络上的传播行为有很多相似之处的一种现象,普遍发生在现实生活中的许多网络上,如电网、供水网、供气网、交通网、Internet、通信网等。
大规模的相继故障一旦发生,往往具有极强的破坏力和影响力。
因此,相继故障的分析与预防得到了国内外许多学者的关注,并在各国已作为一个重大的战略问题来研究。
基于现实网络上相继故障特点,建立比较普适的相继故障模型,并基于模型探讨相继故障动力学特性,已成为预防和控制相继故障的有效手段。
然而,在以往的大多数研究中,节点上的负荷基本上都定义为节点的介数,即通过网络中该节点的最短路径的数目,崩溃节点上负荷的重新分配,大多数按照最短路径的路由策略原则,这就需要了解网络的全局信息;而实际上,现实的大多数网络,由于网络规模庞大,网络结构复杂,全局信息的获得是非常困难的。
因此,寻求较简单的负荷赋予方式以及比较实际的负荷重新分配的原则是非常重要的。
为此,本论文主要从网络的局域角度出发,紧紧围绕负荷这一影响连锁故障发生和传播最重要的物理量以及节点和边崩溃后的动力学过程,重点研究了节点和边在不同初始负荷赋予情况下的相继故障模型,并提出了预防和控制网络相继故障有效的整体和局部措施。
1、节点的相继故障模型研究。
考虑电网、Internet、交通网、通讯网等许多网络上相继故障的一些共性特征,从网络局部特征的角度,提出了节点初始负荷的两种不同定义方法,解决了以往大多数相继故障模型研究需了解网络全局信息的弊端,在此基础上提出了两种带有可调参数的相继故障模型。
从数值模拟和理论解析两个角度对几类典型网络上的全局相继故障现象进行了详细的研究,获得了模型中参数与网络抵制相继故障的鲁棒性之间的关联性,并提出了预防和较小相继故障的有效措施。
2、节点带有崩溃概率的相继故障模型研究。
在以往的相继故障模型中,超负荷节点立即从网络中移除的简单策略被广泛采用。
而在现实的网络系统中,由于一些有效保护措施的存在,并不是所有超负荷的节点都将从网络中移除,如在交通网络中,一旦交通流量大的路口堵塞,民警会疏导交通,使其正常运转。
有鉴于此,从网络的主动干预角度,提出了超负荷节点崩溃概率的概念,用于表示超负荷节点从网络中移除的概率。
采用这种超负荷节点新的移除机制,提出了两种带有崩溃概率的相继故障模型,分析了崩溃概率对网络全局相继故障的影响及模型中参数与网络抵制相继故障鲁棒性之间的相关性,并得到了一些有价值的结论。
3、相继故障模型上的袭击策略研究。
从如何更有效地保护网络,以避免因相继故障导致网络全局崩溃的角度出发,研究了网络上不同类型的节点和边在相继故障繁衍中所扮演的角色。
通过在一些相继故障模型上的数值模拟,发现在模型中参数的一定取值范围内,度小的节点或负荷小的边的失效更容易导致网络全局的崩溃。
这一发现无疑为合理地分配网络上的保护资源,以及有效地预防和减小相继故障蔓延提供了指导,并为更好地控制和防范因相继故障导致的各种灾难提供了新的诠释。
4、相继故障模型的实例分析。
考虑到我国电网实际拓扑结构数据较难获取,而以往一些相继故障模型的研究都是基于美国西部电力网络进行的实例分析,所以,本论文也基于提出的相继故障模型,在美国西部电力网络上探讨了不同类型节点和边失效导致的全局相继故障现象。
但需要强调的是,本论文提出的相继故障模型也能够类似地推广和应用到其他的网络中,譬如:Internet网络以及交通网络等。
通过对电力网络上相继故障现象的研究,给出了网络更合理有效的保护策略。
这对预防大规模故障在电网中的迅速蔓延,提高电网的可靠性,防止相继故障可能导致的灾难性后果,具有十分重要的理论意义和应用价值。