空间复杂网络抗毁性建模与分析

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空间复杂网络是一种镶嵌于欧几里得平面的具有特定位置的拓扑网络模型,其本身复杂程度因其空间位置属性而大于拓扑网络。与拓扑网络不同的是,空间复杂网络的研究开始较晚,至于对空间复杂网络的抗毁性的研究直到21世纪初才开始发展起来。基础设施网络是空间复杂网络的一种,其网络的抗毁性严重依赖于基础设施本身,这使得基础设施网络对于物理毁伤非常脆弱。物理毁伤一般包括实体故意攻击和自然灾害,而无论自然灾害或者是物理故意攻击都会发生在特定的地理位置并且导致大范围的网络失效。由于基础设施网络与国家安全和社会生活密切相关,故对空间复杂网络面对物理毁伤的抗毁性和生存能力的研究是非常重要的。然而目前学术界在此领域的研究颇为稀少。为了解决这个问题,本文重点研究了在空间复杂网络上由具有特定地理位置的毁伤所带来的大范围的失效现象。本文介绍了空间复杂网络的基本定义和多项特性,提出了空间复杂网络的几何图模型和空间复杂网络的加权模型。本文通过建立毁伤圆来仿真自然灾害和物理攻击带来的毁伤形状。我们提出了两个评估模型来对空间复杂网络进行分析。第一个模型是基于毁伤圆临界半径的空间复杂网络抗毁性评估模型。该模型包含两个毁伤模型,一是重心毁伤模型(简称BCM),即以空间复杂网络的重心为毁伤中心,观察需要多大的毁伤半径使网络崩溃;二是平均随机毁伤模型(简称ARCM),即在空间复杂网络中随机选取毁伤中心,计算使网络崩溃的临界半径值,再将算法重复100次得到平均结果。第二个评估模型是基于多重毁伤的空间复杂网络抗毁性评估模型。该模型同样包含两个毁伤模型,一是多重重心模型(简称MBM),即在给定毁伤半径的前提下,以节点对的重心位置计算出需要多少次毁伤使得网络崩溃;二是多重随机攻击模型(简称MARM),即在给定毁伤半径下,不断随机在空间复杂网络所在范围内选取毁伤中心直到网络崩溃,重复算法100次计算平均结果。我们使用了真实的C国电网分布网络(简称CPN)和A国光纤分布网络(简称AFN)作为实证数据,我们使用包括可视化分析等多种方法分析评估结果。实证数据结果很好地证明了两个抗毁性评估模型的可行性。本文是第一篇尝试提出空间复杂网络抗毁性评估模型的文章。绝大部分的空间复杂网络,尤其是基础设施网络都可以用本文的抗毁性评估模型来评估。
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