复杂系统可靠性实验室
复杂网络
李大庆 / Daqing Li
北京航空航天大学研究员、博士生导师
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单 位:北京航空航天大学,可靠性与系统工程,可靠性与环境工程技术国防科技重点实验室

办公地址:北京市海淀区学院路37号北京航空航天大学国际交叉研究院406室,邮编100191

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复杂系统可靠性
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交通网络、信息网络、社交网络、金融网络、甚至大脑网络等系统作为支撑系统正常运行的“动脉”,都具有典型的网络结构,且主要用来运输各类流量(物质、能量、信息)。这些网络系统频繁受到内部故障或者外部攻击的影响,交通瘫痪、谣言传播、信用崩溃等是各类网络的主要失效或者威胁模式(统称为网络故障)。这些关键基础网络具有一般系统不具备的特点:包含大量元素、多层次耦合、非线性动态演化、故障涌现等等。用传统的可靠性手段去分析或计算这些复杂网络的可靠性和脆弱性,就可能遇到故障无法定位或“指数爆炸”等问题,导致实际可靠性管理投入较大而收效甚微:据统计美国发生大停电的频率二十几年来未曾降低,甚至停电频率在高峰时段有所增加(P. Hines et al., Energy Policy, 2009)。 如果把这些网络看成是机械化和信息化的“森林”,风险或故障就是威胁这个森林安全的“火”。在大多数网络中,这些“火”往往沿着隐性的功能耦合轨迹传播。了解森林火灾中火的传播行为可以帮助我们建立有效的缓解策略,从而指导在火灾发现后及时隔离并消除起火。尽管在实际中各类复杂系统的故障传播造成的损失往往比森林火灾大得多,我们依然对复杂系统的故障规律缺乏深入了解。
出版书籍
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发表论文
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《脆弱系统》

本书针对可靠性学科与复杂脆弱系统结合紧密的特点,不仅介绍了工程实践,还说明了一些分析复杂系统的基本方法,及不同方法的详细分析。内容反映复杂系统领域的现状,对正在落实的关键基础设施的风险和脆弱性分析,提出解决程序。运用了传统方法的可靠性和风险分析,还加入基于复杂网络基本理论的一种动态的和全面的分析方式。

《复杂网络健壮性》

本书由浅入深、由易到难地介绍了复杂网络的研究背景、模型及应用,其内容依次为:部是引言,介绍了研究复杂网络需要具备的基础知识,包括对图论、无标度和分形的简单介绍;第二部分介绍了网络的模型,涵盖了网络模型、实际网络特性、复杂网络模型及演化网络模型;第三部分主要介绍了复杂网络的结构和鲁棒性,包括无标度网络中的距离、复杂网络的自相似性、渗流和有向加权复杂网络的结构等…

《城市交通系统运行可靠性分析》

本书为国家“973”计划子课题《大城市综合交通系统的运行可靠性与应急策略》(2012CB725404)研究成果的整理与总结。主要基于北京市六里桥区域浮动车的交通数据,依据复杂网络基础理论以及交通流理论,建立适用于评价路网状态的评价指标和计算模型,主要研究内容包括:城市路网结构特征及复杂性、城市路网运行随机性、常态下的城市路网可靠性…

《关键基础设施网络的故障规律》

本书围绕关键基础设施的故障规律这个核心问题,从三个方面介绍*新的研究成果,即故障的传播媒介(网络结构)、故障的传播内因(网络流量)、故障的传播行为(时空特点)。在此基础上,本书提出了网络故障预测和恢复的方法,为建立关键基础设施网络可靠性理论和方法提供支撑。

蛋白质相互作用网络的动态重叠:一种预测蛋白质功能的方法

2021-01-11
尽管大多数通过蛋白质相互作用网络进行蛋白质功能注释的工作都是基于蛋白质相互作用网络(PIN)的特性进行的拓扑测量,但我们提出了基于模块化网络出现的同步行为的算法的应用,该方法依赖于相位振荡器如何在动态相互作用的网络结构中进行组织方式,并且依赖于最近提出的用于识别网络动态系统集合中的同步接口和重叠社区的技术…

最大化社交网络中的熵产生空间缩放

2021-01-11
除了众所周知的常见属性(例如小世界和社区结构)以外,最近的经验研究还提出了社交网络空间结构的通用缩放定律。研究发现,一个人在距离r处拥有一个朋友的概率密度分布标度为P(r)∝r^(-1)。 产生这种空间缩放特性的基本原理尚未被理解。 在此,我们基于熵的概念为此定律提出了一个基本的起源。 我们表明,这种空间缩放定律可以由信息熵的最大化而产生,这意味着个人寻求最大化其友谊的多样性…

模块化网络中重叠结构的动力学

2021-01-11
模块化是真实网络的基本特征,与它们的功能(即它们以协调的方式执行并行任务的能力)紧密相关。尽管已经对实图的模块化结构进行了深入研究,但对图的功能模块之间的交互知之甚少。在此,我们提出了一种基于网络振荡器同步的通用方法,该方法能够检测多模环境中的重叠结构。我们还将报告有关重叠动力学与基础网络拓扑之间关系的完整分析和理论描述。通过一系列应用来说明该方法。

复杂网络中的引诱竞争

2021-01-11
研究了随机模组化网络对同时存在两个频率的响应。控制网络动态的竞争导致了不同的行为,例如频率变化或永久性同步挫折,这些行为可能与网络结构直接相关。通过这些观察,我们提出了一种用于检测结构化网络中重叠社区的新方法。

复杂网络中的同步接口和重叠社区

2021-01-11
我们证明了一个复杂的相位振荡器网络可以显示同步振荡域(簇)之间的界面。这些界面的出现和动力学是在由动力学域(受不同强迫过程的影响)或结构域(模块化网络)组成的相互作用相位振荡器的一般框架中研究的。所得结果给出了模块化网络中重叠结构的函数定义,并提出了一种实用的识别方法。因此,我们的算法可以同时检测单个重叠节点和重叠簇上的信息。

规则网络上权值随机化引起的小世界效应

2021-01-11
边缘权重的概念为描述和调整网络的特性提供了额外的深度。边缘权重分布可以有效地改变网络的性质,即使相应的二元拓扑结构保持不变。基于具有初始齐次相异权重的规则网络,边缘权重的随机重分布足以引起小世界现象。研究了随机权重分布对网络静态特性和动态模型的影响。结果表明,权值随机化可以显著提高混沌系统的同步能力。

通过常规网络上的权重随机化来增强同步性

2021-01-11
在加权网络中,即使相应的二进制拓扑保持不变,链路权重的重新分配也可以有效地更改网络的属性。本文研究了在常规加权网络上权重随机化对耦合混沌映射同步的影响。结果表明,通过重新分配链路权重可增强同步性,即耦合映射以较低的成本实现完全同步。此外,我们从数值上表明链路权重的异质性可以改善常规加权网络上的完全同步。

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