复杂系统可靠性实验室
研究成果
出版书籍 / PUBLISHED BOOKS

《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。

《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…

《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…

《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。
发表论文 / PUBLISHED PAPERS

随机游走模型模拟阻塞性睡眠呼吸暂停儿童嗜睡增加

阻塞性睡眠呼吸暂停(OSA)是一种常见的睡眠障碍,对儿童的危害尤其严重,它可能导致学习障碍、注意力缺陷多动障碍(ADHD)和生长迟缓。此外,阻塞性睡眠呼吸暂停改变了睡眠阶段转换的动力学,特别是增加了从清醒到入睡的转换时间(“困倦”)。在这封信中,我们表明,与健康儿童相比,阻塞性睡眠呼吸暂停综合征(OSA)在这种短暂状态下的睡眠持续时间可以用指数分布来描述,并且具有更长的特征时间标度。这一发现...

临时机场网络中的渗流过渡

航空运输系统对全球经济有着至关重要的影响。虽然系统可靠性对于空中交通的运营管理至关重要,但了解空中交通系统的网络可靠性仍然是一个挑战。本文主要研究全球空中交通是如何从局部尺度与运行时间相结合的。通过不断增加积分时间,将空中交通融入时间连通网络的过程视为渗流过程。在综合过程中发现的关键综合时间T_p可以衡量空中交通的整体可靠性。此外,还确定了T_p的关键链路,其延迟将影响机场网络的全球整合...

抗级联过载故障的网络耐力

网络耐久性可被视为系统完全崩溃之前的生存时间上限,这与系统的恢复能力高度相关。尽管网络承受过载故障的能力对于网络设计和运营管理至关重要,但是定义和相应的评估方法仍然具有挑战性。在本文中,基于负载相关的过载模型,我们将网络耐久性定义为在整个网络崩溃之前处于临界状态的级联持续时间,并开发一种耐久性评估方法。我们发现网络耐久性在很大程度上取决于初始干扰强度和级联强度。初始载荷分布均匀的网络耐久性...

城市交通中的多重亚稳态网络状态

虽然在生态、生物和气候等许多领域的自然系统中都发生了不同亚稳态之间的突变,但迄今为止在运输系统中很少观察到这种现象的证据。这种局限性可能源于这样一个事实:我们缺乏方法来识别和分析在整个交通网络规模上可能出现的多种状态。在这里,利用渗流方法,我们观察到这样一个亚稳制度在交通系统。特别是,我们发现多个亚稳态网络状态,对应于不同级别的流量性能,这些状态在不同的时间重复出现。基于高分辨率全球定位系统...

即使在传播的早期阶段,假新闻的传播也不同于真新闻

社交媒体对社会来说可能是一把双刃剑,无论是作为交流思想的便捷渠道,还是通过大量人口传播虚假新闻的意外渠道。现有的假新闻研究主要集中在基于机器学习的传播或识别方法的理论建模上,理解理论模型与黑盒方法之间的现实机制是非常重要的。在这里,我们追踪了来自不同文化背景的中国微博和日本Twitter上的假新闻和真实新闻的大型数据库,其中包括他们的全部转帖痕迹。我们发现,在这两个在线社交网络中,即使在传播...

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权重对复杂网络结构和动力学的影响
摘要:在加权复杂网络中,链路权重是至关重要的。它为描述和调整网络属性提供了额外的维度在具有初始均匀权重的规则网络上,通过链路权重的随机再分配的影响,研究了权重的拓扑作用。由于权重的随机化,产生了小世界效应。研究了其对加权网络耦合动力系统的影响。权重的随机化可以提高Ising模型的转变温度,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
摘要: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。

规则网络上权值随机化引起的小世界效应

摘要: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。
复杂网络中的同步接口和重叠社区
摘要: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。

复杂网络中的引诱竞争

摘要: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。

模块化网络中重叠结构的动力学

摘要: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。

最大化社交网络中的熵产生空间缩放

摘要: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。 这样的空间分布可以极大地使个人在社交网络中最佳地收集信息方面受益。

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

摘要: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。PIN结构的同步行为和蛋白质的初始模块分类的结合,使得位于重叠界面的那些蛋白质的蛋白质功能预测与通过其他方法获得的预测相符。

空间嵌入式网络的维度

摘要:系统的维度是表征其结构和基本物理特性的最基本的量之一。例如,扩散和振动激发以及临界点附近系统的通用特征在很大程度上取决于其维度。但是,在复杂网络理论中,很少讨论维度的概念。在这里,我们研究空间嵌入式网络的模型,并展示如何确定其维度。我们的结果表明,具有广泛链接长度分布特征的网络比嵌入空间具有更高的维度。我们使用global airline networ和Internet来说明我们的发现,并认为尽管这些网络嵌入了二维空间,但它们应分别视为维度接近3和4.5的系统。我们证明网络维度是一个关键概念,不仅可以理解网络拓扑,还可以理解网络上的动态过程,如扩散和包括渗透在内的临界现象。

空间约束网络的渗滤

摘要:我们研究了嵌入一维链和二维晶格中的网络的渗流特性如何反映空间约束。我们假设格点之间的长程连接,其中距离r处的两个点被选择以概率P(r)r^(-δ)连接。在空间嵌入的真实网络(如社交网络和航空网络)中也发现了类似的分布。我们发现,对于嵌入在二维网络中的2<δ<4,其渗流性质表现出不同于平均场的新的中间行为,临界指数依赖于δ。对于δ<2,它属于Erdös-Rényi网络(平均场)中渗流的普适性类,而对于δ>4,它属于正则格子中渗流的普适性类。对于一维网络,我们发现,对于δ<1,渗流转变是平均场。对于1<δ<2,临界指数依赖于δ,而对于δ>2,没有规则线性链中的渗流转变。

小世界高效导航的可能起源

摘要:小世界现象是社会网络中最重要的特性之一。它包括短路径长度和两个个体之间的有效导航。Kleinberg发现,只有当一个人在距离r上有朋友的概率密度分布为P(r)~r^(-1)时,导航才是有效的。尽管在许多实证研究中发现了这种空间尺度,但这种尺度产生的根源仍然不清楚。在这封信中,我们利用统计物理中的熵概念提出了这个标度律的起源,并证明了这个标度律是社会网络中信息收集优化的结果。

通过相互作用网络动力学揭示蛋白质功能

摘要:蛋白质相互作用网络已经成为研究生物过程的工具,无论是预测分子功能还是设计合适的新药来调控主要的生物相互作用。此外,已知这种网络被组织在有助于相同细胞功能的蛋白质的子网络中。然而,蛋白质功能的预测是不准确的,传统上每个蛋白质只分配一个功能的网络形式主义。通过考虑酵母蛋白质之间的物理相互作用网络,结合人工和单一功能分类方案,我们介绍了一种能够在微观和宏观尺度上揭示蛋白质功能重要信息的方法。特别是,对蛋白质相互作用网络上的振荡动力学性质的研究,可以识别蛋白质功能分配中的错误分类问题,并揭示蛋白质功能的正确识别。我们还证明,我们的方法可以通过解开不同功能类之间的相互作用,给出生物过程元组织的网络表示。

嵌入空间的复杂网络:质量,拓扑距离和欧几里得距离之间的距离和比例关系

摘要:许多真实的网络被嵌入到空间中,其中一些链路的长度随着距离的幂律分布而衰减。最近发现了这样的系统可以通过距离概念来表征的指示。在此,我们基于对嵌入距离为d_e=1和d_e=2的晶格上的模型网络的广泛数值模拟,为这一要求提供了进一步的支持。我们根据(a)网络质量的幂律定标来评估距离d欧几里得半径r(b)随机步行者经过的距离r返回原点的概率。两种方法产生的维数相同。对于δ<d_e的网络,d是无穷大,而对于δ>2的网络,d获得嵌入维数的值。在感兴趣的中间状态d_e≤δ<2d_e中,我们的数值结果表明dd=∞连续减小到d_e,其中d接近d_ed−d_e~(δ-d_e)^(-1)。最后,我们讨论质量M和欧氏距离r与拓扑距离ℓ(网络中两个站点之间的最小链接数)的缩放比例。我们的结果表明,在中间态d_e≤δ<2d_e时,M(ℓ)r(ℓ)并不随ℓ的幂定律而增加,而随着指数的扩展,M(ℓ)exp[[Al}^(δ′(2-δ′))]和r(ℓ)exp[Bℓ^(δ'(2-δ'))],其中δ′=δ/d_e。参数A和B与d的关系为d=A/B,因此M(ℓ)[r(l)]^d。对于δ<d_eM随exp呈指数增长,如δ=0所知,而r为常数且独立于independent。对于δ≥2d_e,我们发现幂律定标M(ℓ)∼l^dlr(ℓ)l^(1/d_min),其中d_1*d_min=d。对于嵌入在d_e=1中的网络,我们找到了预期结果,d_1=d_min=1,而对于嵌入在d_e=2中的网络,我们惊讶地发现,尽管d_>2且d_min<1,与规律相反。

基于渗透理论的相互依赖网络可靠性分析

摘要:许多复杂的系统彼此之间具有功能上的相互依赖关系,并且可以建模为相互依赖的网络。相互依赖的网络中一小部分节点的故障可能会导致跨网络边界的灾难性级联故障。从静态相互依存网络模型开始,通过介绍每个组件的寿命,我们研究了这些组件所属的相互依存网络的可靠性属性和生存时间。取决于网络组件的寿命,级联故障的触发将影响相互依赖的网络的可靠性。在此框架中,我们分析了相互依赖的网络的可靠性属性的演变,并将其与单个网络进行比较。发现相互依存的SF网络比相互依存的ER网络具有较低的可靠性。

复杂系统可靠性建模与仿真

摘要:复杂技术系统的效率要求对其抗潜在灾难的可靠性提供保证。它们的结构和功能编码的复杂性使级联故障成为复杂系统中的主要故障模式。复杂系统可靠性技术的开发依赖于级联故障的建模和仿真。对于复杂的系统,由于其状态众多,因此很难使用基于概率论的工具进行宏观分析。同时,由于它们的非线性耦合特性,也很难用微观系统的细节来完全分析它。复杂系统的属性需要多层次的系统分析。随着网络科学可用于对复杂系统进行建模和研究,其统计物理的基本概念很适合从宏观特性和微观活动之间的关系来理解复杂系统。本文综述了近年来网络科学的最新进展,包括相互依存网络理论的最新形式主义,可以用来理解和研究复杂系统的可靠性问题。

相互依存网络

摘要:本文对相互依赖网络进行了简要的综述。介绍了相互依赖网络的概念和模型。其中一个网络中的节点发生故障,可能会导致级联故障和灾难性后果。根据系统的拓扑结构,从具有一对一连接关系的系统、具有多依赖关系的系统、网络系统和无标度网络四个方面回顾了已有的关于相互依赖网络 鲁棒性的实证研究。给出了现有的增强网络 鲁棒性的方法。最后对相互依赖网络的研究进行了简要的总结。

相互依赖网络上的空间局部攻击:存在有限临界攻击规模

摘要:许多现实世界中复杂的系统(例如基础结构,通信和运输网络)都嵌入在空间中,其中一个系统的实体可能依赖于其他系统的实体。由于恶意攻击或自然灾害,这些系统会在地理上发生局部故障。在这里,我们研究了由两个相互依赖的空间嵌入式网络组成的系统对局部地理攻击的恢复能力。我们发现,如果攻击大于临界大小(系统的零分数),那么它将扩散到整个系统,并导致其完全崩溃。如果攻击低于临界大小,它将保持不变。相反,在随机攻击下,系统的有限部分需要被移除,从而导致系统崩溃。我们同时提供了数值模拟和理论方法来分析和预测局部攻击的影响以及临界攻击的规模。我们的结果表明,对相互依赖的空间嵌入式基础设施的高风险的局部攻击,并可用于设计更有弹性的系统。

相互依赖的交通网络在针对性攻击下的弹性

摘要:现代世界建立在以复杂网络为特征的相互依存的基础设施的弹性之上。近年来,人们提出了一个分析相互依赖网络的框架来解释相互依赖网络中的弹性机制。本文通过考虑网络中的流量,扩展了这种相互依赖的网络模型,研究了系统在不同攻击策略下的弹性。在我们的模型中,节点可能由于过载或丧失相互依赖而失败。在这两种失效机制的相互作用下,相互依赖的无标度网络表现出极端的脆弱性。仿真结果表明,相互依赖网络的弹性远小于单个网络和无流相互依赖网络。

相互依存的运输网络在有针对性的攻击下的鲁棒性

摘要:现代世界是建立在相互依赖的基础架构的健壮性之上的,可以将其描述为复杂的网络。最近,已经开发了用于分析相互依存网络的框架,以解释相互依存网络中的鲁棒性机制。在这里,我们通过考虑网络中的流量来扩展这种相互依赖的网络模型,并研究系统在不同攻击策略下的鲁棒性。在我们的模型中,节点可能会因为过载或失去相互依赖而失败。考虑到这两种故障机制之间的相互作用,表明相互依赖的无标度网络具有极端的脆弱性。仿真结果表明,相互依存的无标度网络的鲁棒性远小于单一无标度网络或没有流量的相互依存的无标度网络的鲁棒性。

从级联故障中恢复系统的建模框架

摘要:从级联故障中恢复系统是防止网络化关键基础设施灾难性故障的整体防御的一个组成部分。从级联故障的爆发到系统完全崩溃,可以采取措施防止故障在整个网络中传播。虽然大多数分析工作都是在连锁故障之前或之后进行的,但很少研究连锁故障期间的恢复。在本文中,我们提出了一个模型框架来研究过程中恢复的效果,它强烈地依赖于恢复操作的时间和强度。此外,在该模型中,我们还考虑了由于恢复操作本身对系统造成的额外干扰。结果表明,系统负载水平和恢复扰动的组合对恢复效果也有影响。我们的建模框架将有助于提供从级联故障中实际恢复的见解,并指导实际网络系统可靠性和恢复能力的改进。

赛博2014组委会

1. 智能电力系统和智能电网
2. 云机器人与自动化
3. 互联汽车安全的挑战与机遇
4. 基于网络物理系统的汽车信息分析与自然表达
5. 在不断变化的环境下可扩展的视觉机器人导航
6. 网络物理系统的可靠性:机遇与挑战
7. SIGVerse项目:认知社交机器人的仿真器平台

流行病在关联网络中蔓延

摘要:流行病仍然是人类社会面临的主要威胁之一,几十年来一直备受关注。由于现实世界的系统通常是相互依赖的,最近人们对互联网络中的流行病进行了研究。然而,在大多数研究中,这些互联网络中的空间限制被忽视了。本文研究由两个相互连接的格构成的系统中的流行病,并与相互连接的Erd¨os-R´enyi(ER)网络中的流行病进行比较。我们的结果表明,在相互连通的网格中,流行病阈值随网络间相互连通的空间长度的增加而减小。当感染率很小时,空间限制限制了疾病的传播,在相互连接的格点的感染密度低于相互连接的内质网。然而,对于大的感染率来说,在相互连通的栅格中的感染密度比在相互连通的内质网中的感染密度高。

基于随机游动模型的移动Ad Hoc网络故障传播模型

摘要:提出了一种基于随机游动模型的移动自组网故障传播模型(FPM)。我们采用随机游动模型来描述MANET中节点的运动行为。在此模型的基础上,研究了平均传输距离、节点数目和仿真区域大小对MANET连通性的影响。并比较了不同原因在不同情况下对消息丢失故障的影响。最后,根据节点和路径的状态,给出了拥塞节点和路径的位置分布。使用该模型可以清晰地描述整个网络的拥塞状态,故障数据可以直接从FPM中采集,为MANET的网络控制和优化做出了很大的贡献。

复杂系统可靠性工程的框架设计

摘要:网络、电网、交通系统甚至金融系统等复杂系统由于其内在的相互依赖和相互作用,往往表现出紧急的、不可预料的故障行为。这些复杂性及其失效行为对传统的可靠性工程提出了挑战,因为采用FTA和FMECA等方法无法全面分析复杂系统的可靠性。复杂网络理论是研究复杂系统特征的有效方法。结合复杂网络理论对复杂系统失效行为进行研究,将有助于克服复杂系统分析、计算和提高可靠性方面的障碍。本文提出了一个复杂系统可靠性工程的框架,并以ieee14总线为例进行了说明。对该典型复杂系统的可靠性进行了计算,并对系统的薄弱环节进行了识别,为进一步提高系统的可靠性提供了管理和设计方面的参考。

从单个网络到多个网络

摘要:近年来,网络科学因其跨学科的应用而备受关注。我们见证了1998年和1999年的网络科学革命,始于小世界和无尺度网络,目前已发表了数千篇备受瞩目的出版物,似乎自2010年以来,“网络的网络”(NON),有时被称为多层网络或多重网络,越来越受到关注。非的分析框架为n个相互依赖的网络提供了一个新的渗透规律,表明过去50年在物理和数学中广泛研究的单个网络的渗透理论是n耦合网络丰富而又非常不同的一般情况的一个具体限制。从那时起,人们对相互依赖和相互连接的网络的性质和动力学进行了广泛的研究,科学家们发现了许多有趣的结果和令人惊讶的现象。因为大多数自然和工程系统都是由多个子系统和连接层组成的,所以考虑这些特性对于提高我们对这些复杂系统的理解是很重要的。目前,对非的研究已成为网络科学的重要方向之一。本文综述了近年来关于新兴领域的研究进展。由于这一领域的快速发展,不同类型的非有很多定义,如相互依赖的网络、互连的网络、多层的网络、多重的网络等等。存在许多数据集可以表示成不,如网络不同的运输网络包括航班网络,铁路网络和公路网络,网络生态网络包括物种相互作用网络和食物网,网络的生物网络,包括基因调控网络,代谢网络,蛋白质相互作用网络,网络社交网络等等。其中,包括关键基础设施在内的许多相互依赖的网络嵌入到空间中,引入了空间约束。在此基础上,对空间嵌入式网络的研究进展进行了综述。由于空间的限制,这种相互依赖的网络与非嵌入式的网络相比表现出极端的脆弱性。这些研究有助于我们理解、认识并有希望减轻非传染性疾病不断增加的风险。

复杂网络中针对级联过载失效的自愈建模

摘要:在线预测和快速恢复技术的发展促进了自愈技术的实现。摘要将级联过载故障作为真实网络中的主要失效模式之一,提出了一种针对复杂网络中恶意攻击造成的过载传播的自修复模型。特别地,我们研究基本数量(恢复时间和资源)在同质(Erd˝os-R´enyi)和异质(无标度)网络模型中对抗级联过载故障的一般自愈恢复中所起的作用。我们演示了在级联故障期间,如何通过恢复时间和资源的适当组合,将网络从崩溃的边缘拯救出来。在自愈过程中,我们发现模型和现实网络的最优恢复时间存在于给定的恢复资源下。

基于复杂网络的SOA架构软件系统可靠性评估方法

摘要:针对SOA体系结构软件系统可靠性评估中的服务动态组合问题,提出了一种基于复杂网络分析方法的可靠性评估方法。通过系统建模、统计分析、可靠性评估3个步骤,得出了系统的可靠性,并通过实例进行了验证。

具有依赖链接拓扑的网络的鲁棒性

摘要:近年来,人们对具有依赖关系的复杂网络的鲁棒性进行了研究。然而,以往的研究主要集中在没有网络拓扑结构的依赖链路构成的网络的鲁棒性。在本研究中,我们将分析一个现实网络模型的渗透特性,其中依赖关系链接遵循特定的网络拓扑结构。我们进行了理论分析和数值模拟,以显示依赖链的拓扑结构对复杂网络鲁棒性的关键影响。对于Erdos-Renyi(ER)连接网络,我们发现依赖RR拓扑的系统比依赖ER拓扑的系统更容易受到攻击。而RR-RR(即依赖RR拓扑的随机规则(RR)网络)在突变过程中解体。特别地,我们发现RR-ER体系表现出不同类型的相变。对于不同组合的系统,渗透类型取决于连接拓扑和依赖拓扑之间的交互作用。

级联故障的空间相关分析:拥塞和停电

摘要:级联故障由于其潜在的灾难性后果而成为网络鲁棒性的主要威胁,其中局部扰动可以导致故障的全球传播。与由于结构上的相互依赖而通过直接接触传播的故障不同,过载故障通常通过系统组件之间的集体交互传播。尽管迫切需要在电网和运输等网络中制定保护或缓解策略,但级联故障的传播行为基本上是未知的。通过分析我们收集的数据,我们发现城市交通堵塞和电网故障在空间上是长程相关的,相关性随着距离的增加而逐渐衰减。此外,我们发现在日常交通中,当早晚高峰时间临近时,相关长度显著增加并达到最大值。我们的研究可以影响所有积极改善系统弹性的努力,从评估设计方案、制定保护策略到实施缓解计划。

互联小世界网络中的流行病

摘要:网络可以用来描述个体间的相互联系,在疾病传播中起着重要的作用。虽然已经发现小世界效应对单个网络中的流行病有重大影响,但很少考虑小世界效应对互联网络中流行病的影响。在这里,我们研究了在包含两个相互连接的小世界网络的系统中流行病传播的易感性-易感性(SIS)模型。我们发现,当组件小世界网络的重连概率增加时,这类网络的传染病阈值降低。当传染率较低时,重连概率影响全局稳态传染密度,而当传染率较高时,传染密度对重连概率不敏感。此外,在相互连接的小世界网络中发现流行病以不同的速度传播,这取决于重新布线的概率。

基于空间局部依赖的嵌入网络攻击

摘要:许多现实世界中的复杂系统,如关键的基础设施网络,都嵌入在空间中,它们的组成部分可能相互依赖才能发挥作用。它们也容易受到恶意攻击或自然灾害造成的地理局部损害。本文研究了局部攻击下具有依赖关系的空间嵌入式网络的一般模型。我们用理论的方法来描述和预测嵌入式系统的空间依赖性和攻击效果。令人惊讶的是,我们发现局部攻击比等效攻击造成的伤害要大得多。此外,我们发现,对于大范围的参数,看似稳定的系统实际上是亚态的。即使是有限分数的随机故障,如果受到大于与系统大小无关的临界大小(即零分数)的局部攻击,也会出现级联故障,从而导致整个系统崩溃。我们的结果表明,在具有依赖性的空间嵌入式网络系统上,局部攻击具有潜在的高风险,这可能有助于设计更具弹性的系统。

基于渗流理论的网络可靠性分析

摘要:在本文中,我们提出了一种新的方法来看待可靠性的网络使用渗流理论。在这个新的观点中,网络故障可以看作是一个渗流过程,而渗流的临界阈值可以作为与控制下的运行设置相联系的网络故障判据。为了证明我们的方法,我们考虑了随机网络模型和具有不同节点和/或边寿命分布的真实网络。我们对网络可靠性进行了数值和理论研究,发现网络可靠性可以用渗流理论给出的阈值表决系统来求解。然后我们发现,在均匀寿命分布下,随机网络的平均寿命与节点的平均寿命呈线性增长。此外,随着系统规模的增大,网络的平均生存期趋于饱和。最后,以ieee14节点的传输网络系统为例,说明了本文的方法。

流量模型中的渗透属性

摘要:交通系统是一个动态的复杂系统,具有从自由流向拥挤流过渡的特征,这是目前研究的热点。然而,尽管在制定缓解交通拥堵的策略方面具有重要意义,但对城市规模内这一常见交通现象的理解仍然缺乏。一个悬而未决的问题是网络中的流量如何从一个全局有效的流量崩溃为一个孤立的小集群本地流,即流量渗透问题。本文通过对基于交通代理模型的仿真,研究了网格上流量的渗流特性。该模型中的临界交通量区分了交通流的自由状态和拥挤状态。结果表明,随着交通量的增加,交通渗流阈值减小,在临界交通量处达到最小值。我们证明了这个最小阈值是临界交通量下交通流之间最长空间相关性的结果。这些发现可能有助于从网络的角度制定拥塞缓解策略。

具有演化临界瓶颈的动态交通网络中的渗流过渡

摘要:临界现象是交通动力学的一个内在特征,在这个过程中,局部隔离流和全局流之间发生了转换。然而,很少有人注意到如何将道路中的局部流集体组织成全球城市流的问题。在这里,我们将这种流量组织过程描述为“流量渗透”,即当第二大的流量达到最大值时,本地流量的巨大集群就会解体。在城市道路交通的实时数据中,我们发现全球交通是由瓶颈连接的局部交通流量簇动态组成的。这个组织在一天中不断发展,不同的瓶颈环节在不同的时间出现,但在不同的时间相同的时间出现相似的瓶颈环节。通过对关键瓶颈道路的小幅改善,可以显著改善全球交通状况,为低成本改善城市交通提供了一种方法。我们的研究结果可以提供交通动力学和渗漏之间关系的见解,这对于有效的交通运输、流行病控制和紧急疏散是有用的。

复杂网络弹性的研究进展

摘要:现实世界中的许多复杂系统都可以建模为复杂网络,近年来引起了从自然科学到工程等各个领域研究人员的极大关注。生态系统中物种的灭绝和工程中电网的停电表现出复杂网络的脆弱性。研究复杂网络的恢复力,应着重考虑三个主要因素:网络结构、网络动力学和失效机制。本文从这三个方面介绍了复杂网络弹性研究的最新进展。在网络结构方面,越来越多的证据表明,生物网络和生态网络是相互耦合的,不同的关键基础设施相互作用,引发了一个新的研究热点“网络中的网络”(NON),即一个网络是由相互依存或互联的网络组成的。复杂网络的弹性受其与其他网络的相互依赖性的影响很大,可以用渗流理论进行分析和预测。本文证明了非相互依赖网络的分析框架给出了个相互依赖网络的新的渗流定律,并指出过去60年来在物理学和数学中广泛研究的单个网络的渗流理论是个相互作用网络的更一般情况的一个特例。由于关键基础设施(包括电网)固有的空间限制,我们还回顾了空间嵌入式相互依赖网络的研究进展,与非嵌入式网络相比,这些网络表现出极端的脆弱性,特别是在局部攻击的情况下。在网络动力学方面,我们以一个实际的交通系统为例,说明了基于网络动力学的分析方法与静态结构分析方法的不同。在失效机理方面,本文综述了近年来网络崩溃后自发恢复的研究进展。这些发现有助于我们理解、认识并有希望减轻复杂网络弹性中日益增加的风险。

北京地铁网的引力标度

摘要:近年来,随着各种交通数据集的出现,人们在不同的环境下对人的移动性进行了研究。研究人员试图从交通动力学的时空分布来理解人类运动的集体行为,从中发现了表征交通流、人口和距离之间关系的引力标度律。然而,大多数研究集中于引力标度的综合性质,忽略了它在一天中不同时间的动力学演化。通过对北京地铁网络逐时交通流数据的研究,根据乘客的跳数计算北京地铁的小时交通流量数据,我们发现北京地铁系统的引力定律的标度指数小于首尔地铁系统的引力定律的标度指数。这意味着北京的交通需求更为强劲,对出行距离的敏感度更低。此外,我们还分析了标度指数在工作日和周末的时间演化。研究结果有助于了解和改善不同地铁系统的交通拥挤控制。

具有介数偏好网络的可观测性转移

摘要:如果可以根据所观察到的状态的知识在有限的时间内确定网络的当前状态,则认为该网络是可观察的。最近已经研究了基于随机或与度相关的传感器放置的网络中的可观察性转变。但是,这些放置策略主要基于有关网络的本地信息。在本文中,为了了解网络可观察性的相变过程,我们分析了基于中间性的传感器放置策略的网络可观察性转换,其中传感器根据节点之间的间隔放置在节点上。使用数值模拟,我们可以计算网络最大可观察组件(LOC)的大小,并比较不同传感器放置位置的可观察性转变。我们发现,与模型和实际网络中相比,基于中间度的传感器放置在可观察性转换中可以生成更大的LOC。这一发现可能有助于理解网络可观察性与网络拓扑特性之间的关系。

相互依赖晶格的可靠性分析

摘要:由于网络基础设施存在灾难性破坏的风险,网络可靠性分析近年来备受关注。这些基础设施由于各种相互作用而相互依赖。然而,这些相互依赖的网络的可靠性分析大多没有考虑空间约束,这对于包括电网和运输系统在内的基础设施的健壮性非常重要。本文研究了具有不同空间约束范围的相互依存格的可靠性性质。我们的研究表明,具有强空间约束的相互依存晶格比相互依存的Erdös–Rényi网络更具弹性。存在一个中间范围的空间约束,在这个范围内相互依存的晶格具有最小的弹性。

网络流行病的复原力

摘要:传染病在复杂网络中的传播已经得到了广泛的研究,主要是在参数不变的情况下。然而,传染病的传播过程并不总是恒定的。传染病可以受到各种干扰的影响,并可能反弹回其被认为具有弹性的原始状态。在这里,我们通过在SIS(易感传染病)传染病传播过程中引入不同的感染率λ_2来研究传染病在网络上的恢复能力,而在其余时间内,感染率为λ_1。通过模拟和理论分析,我们发现即使对于λ_2>λ_c,如果控制持续时间低于阈值,流行病最终也可能反弹。流行病恢复力的临界控制时间,即cd_max,可以用底层网络的直径(d)来预测,其定量关系为cd_max~d^α。我们的发现有助于设计更好的流行病缓解策略。

复杂系统和网络

前言:
如今,网络无处不在。由于近十年来的科学进展,神经网络、生物网络、代谢网络、神经网络等在科学领域的广泛应用,复杂网络的关键特征是它能代表自然界、人类社会和技术中的一个大系统,节点代表个体主体,边代表相互联系。因此,对各种复杂网络的动力学、控制和应用等基本性质的研究工作已成为当前的热点。

实际上,复杂网络的研究可以追溯到18世纪,当时伟大的数学家Leonhard Euler研究了著名的Königsburg七桥问题。然后在20世纪60年代初,Erdös和Rényi(ER)提出了一个随机图模型,作为现代网络理论的框架。为了描述从规则网络到随机网络的转变,Watts和Strogatz(WS)重新布线了规则网络中一些节点的连接,提出了一个小世界网络模型。然后,Barabási和Albert(BA)提出了一种新的无标度网络模型,其中节点的度分布服从幂律形式。此后,复杂网络被广泛讨论。特别是小世界和无标度复杂网络在世界范围内得到了广泛的研究。

这本书的内容概述如下。首先,研究了复杂网络的动力学,如核谱聚类动态分析、二部网络中的群体检测算法、具有人口统计学的流行病学建模、多层网络上的流行病传播等,以及空间网络在各种局部扰动下导致灾难性连锁故障的恢复能力。在此基础上,采用生长机制和优先连接机制生成了演化的超网络和彩色网络模型,并讨论了基于tent映射和logistic映射的新型非线性混沌伪随机数发生器。

其次,研究了复杂网络的控制问题。有趣的主题包括应用齐次度和李雅普诺夫方法的多智能体系统的分布式有限时间协作控制,受干扰的二阶多智能体系统的复合有限时间包含控制,多智能体系统的分数阶观测器设计,基于Parrondos博弈的复杂系统混沌控制与反控制,基于预测机制的集体行为协调,基于收缩理论的复杂网络收敛、一致与同步,以及时间复杂网络的结构可控性。

第三,复杂网络的应用提供了一些适用的载体,说明了复杂网络理论的重要性。详细讨论了过渡网络时间演化的一般模型、复杂网络中的偏导路由、社会网络分析与挖掘的推荐系统、网络进化博弈中的策略选择、计算生物学中的集成与方法。

近年来,复杂网络的动力学和控制研究越来越受到人们的重视。特别是一些复杂网络的突发行为需要研究,因为新的应用科学和技术需要新的方法和理论来解决新的具有挑战性的问题。因此,深入研究复杂网络的动力学、控制和应用,将有利于相关学科的理论研究和应用。这本书提供了一些最先进的研究成果,在广泛的学科科学在复杂的网络,以满足这种需求。

空间嵌入式网络中级联过载故障的时空传播

摘要:与传染病传播中的直接接触不同,过载故障通过隐藏的功能依赖性传播。许多研究集中在连锁故障的临界条件和灾难性后果上。然而,要了解网络的脆弱性和减轻级联过载故障,故障如何在时间和空间上传播的知识是必不可少的,但仍然缺乏。在这里,我们研究了空间嵌入式网络上级联过载故障的时空传播行为。连锁过载故障从初始故障中心以近似恒定的速度径向扩展。传播速度随着公差的增加而减小,并且可以通过我们的理论框架对所有公差值进行一次校正来很好地预测。这种传播速度在各种模型网络和实际网络结构中都是相似的。我们的发现可能有助于预测现实系统中级联过载故障的动力学。

协作社交网络中的突变

摘要:尽管网络作为探索复杂的社会系统的多功能工具被广泛使用,但对于如何检测和预测社会系统中的突变却知之甚少。在本报告中,我们开发了一种基于网络特性的预测方法来检测这种变化。通过分析三个协作的社会网络,一个是共同明星,一个是专利,一个是科学协作网络,我们发现这些网络中固有的突变可以作为一个很好的预测信号,分别表明苏联解体,“软物质”研究领域的出现,以及两个科学团体的合并。然后我们发展了一个集团增长模型来解释这些真实网络的普遍性,发现它们属于一个新的普遍性类,用耿贝尔分布来描述。

交通可靠性指标与实际交通数据的比较

摘要:现有的研究基于网络连通性、连续时间和流量容量等不同的方法建立了不同的指标,从不同的角度对交通可靠性状态进行了评估。然而,这些指标主要是从单一角度评价交通可靠性,很少考虑城市交通动态和周围网络结构的综合影响。基于渗流理论,Li等人开发了一个流量可持续指标来解决这个问题(Proc. Natl. Acad. Sci. USA 112(3):669-6722015)。在这里,我们将这个基于渗透流的索引与一个著名的索引-拥塞延迟指数(CDI)进行比较。利用中国两大城市北京和深圳的实际交通数据,从宏观趋势和微观极值两个方面对这两个指标进行了比较。这两个指标反映了实时交通可靠性在不同考虑因素下的状态。研究结果可用于交通系统可靠性的评估和交通拥堵的缓解措施。

在通信网络中通过意识传播减轻传染病:时间尺度的作用

摘要:个人在多层网络中的参与允许网络层之间的反馈,为缓解流行病传播开辟了新的可能性。例如,诸如埃博拉之类的生物疾病在物理接触网络中的传播可能触发与该疾病相关的信息在通信网络(例如在线社交网络)中的传播。在通信网络中传播的信息可能会提高某些个人的意识,导致他们避免与物理接触网络中受感染的邻居接触,从而保护人群免受感染。在这项工作中,我们的目的是了解通信网络中信息传播的时间尺度γ(信息传播和遗忘的速度)相对于物理接触网中流行病传播的时间尺度γ(流行病传播和治愈的速度)如何影响使用意识信息的缓解。我们首先提出了一个考虑相对时间尺度γ的信息传播与流行病传播相互作用的模型。我们分析得出了该模型亚稳态感染节点的平均分数(i)通过发展基于个体的平均场近似(IBMFA)方法和(ii)通过扩展微观马尔可夫链方法(MMCA)。结果表明,当信息传播相对于传染病传播的时间尺度γ干涉时,我们的IBMFA近似在传染病阈值附近比MMCA好,而当传染病流行率较高时,MMCA表现更好。此外,我们发现,存在一个最佳的缓解措施,导致感染节点的比例最小。最佳缓解是在一个非平凡的相对时间尺度γ上实现的,该时间尺度γ逐渐受到感染个体的速度。相反我们的直觉在网络传播过快会降低信息传播的效果。最后,我们的发现在基于位置的社交网络Brightkite得到的真实世界的两层网络中得到了验证。

基于瓶颈的流量过滤改进方法

摘要:孤立的局部交通流形成全局交通流的过程可视为一个渗流过程。在这一过渡过程中,关键流量瓶颈对维持整个系统的全局功能连通性起着重要作用。然而,如何改善交通渗流瓶颈对交通渗流的影响却很少被关注。本文研究了交通模型中交通瓶颈的改进,发现交通瓶颈对交通流的组织效率有很大的影响。提出了一种降低流量瓶颈负载的方法,在不同的流量条件下,该方法显著改善了网络规模上的流量渗透。通过对不同方法的比较,说明了流量瓶颈负载降低方法在改善流量渗透方面的优势。本文的研究结果为实际交通中的瓶颈研究提供了新的思路,并提出了提高交通可靠性的有效措施。

用动态磁通消除技术缓解级联故障

摘要:研究复杂网络系统的级联失效缓解策略具有重要的研究意义和工程意义。在防御策略方面取得了进展,例如在初始失效后永久清除通量。本文提出了一种考虑每个时间步动态通量去除的新方法,以减轻级联故障。在无标度网络模型和实际交通网络(如Oldenburg路网和California路网)上的结果表明,动态流量去除策略优于静态流量去除策略,存在最佳去除率。该方法对未来智能交通系统自愈机制的设计具有一定的参考价值。

加强或摧毁给定网络的最佳成本

摘要:在设计弹性网络或计划对网络的攻击(包括规划策略以使网络免疫疾病,病毒等)时,增强或破坏网络是非常重要的问题。本文提出了一种以最小代价加强或摧毁随机网络的方法。我们假设加强或破坏节点所需的成本与节点的程度之间存在相关性。因此,我们定义了一个代价函数,它是加强或摧毁一个度为的节点的代价。利用网络中的度和代价函数,我们开发了一种方法来定义度的优先级列表,并选择适当的要加强或摧毁的度组,使总价格最小化加强或摧毁整个网络。我们发现,对于各种随机网络,度的优先级列表是通用的,并且与网络的度分布无关。加强网络和以最低成本摧毁网络的优先顺序是相同的。然而,尽管存在这种相似性,它们的(节点的关键部分)之间还是有区别的,这部分节点必须是功能性的,以保证网络中存在一个巨大的组件。

基于网络SIS模型的传染病恢复能力研究

摘要:近年来,复杂网络的动态建模已成为分析传染病传播的重要手段。然而,在流行病学领域,对传染病传播的研究主要集中在具有近似不变参数的网络上的传染病爆发阶段。传染病可以受到各种扰动的影响,并可能反弹到其原始状态,表现出相应的弹性行为,这是很少有人研究的。在本文中,我们通过降低控制状态下的感染率来研究网络传染病的恢复能力。在加入“控制”阶段后,对不同类型网络的仿真结果表明,在一定条件下,传染病可以在有限的网络规模下恢复到原来的稳定状态。我们发现,传染病传播的恢复力取决于感染率和控制期的持续时间。此外,阈值与网络结构密切相关,网络结构似乎随网络直径而变化。的发现可以为流行病的恢复力提供先进的指标,有助于设计预防策略,使系统免受二次疫情的影响。

依赖拓扑网络的鲁棒性

摘要:具有依赖链的复杂网络的鲁棒性是近年来研究的热点。然而,以往的研究主要集中在具有局部简单结构的依赖关系的网络的鲁棒性上,而没有考虑由依赖链构成全局网络拓扑的一般情况。在这里,我们分析了由连通性和依赖性链接组成的网络模型的渗流特性,其中除了通常的连通性链接外,依赖性链接还遵循一定的网络拓扑结构。我们进行了理论分析和数值模拟,以了解依赖拓扑对网络鲁棒性的关键影响。我们的结果表明,对于给定的连通网络拓扑,依赖拓扑会影响网络的健壮性,从而导致不同的渗透类型。此外,本文还对连接拓扑和依赖拓扑的不同组合进行了理论分析和仿真。我们的结果可能有助于设计和优化考虑底层复杂依赖关系的网络鲁棒性。

城市交通网络中交通阻塞的时空传播

摘要:自一个世纪前首次报道交通拥堵以来,人们从宏观到微观的不同角度对交通拥堵进行了深入的研究。然而,由于人口的增长和文明的快速发展,交通拥堵问题日益严重,不仅造成经济损失,而且造成环境破坏。如果不了解城市交通堵塞的时空传播行为,就不可能制定有效的缓解策略来控制和改善城市交通。尽管基于现有交通数据的研究取得了一些进展,但是对于交通拥堵在城市交通中的时空传播的理解仍然不清楚。本文在收集大城市交通数据的基础上,研究了交通拥堵的时空传播行为。我们发展了一种识别有影响的阻塞中心的方法,发现阻塞是以一定的速度从多个阻塞中心径向扩散的。研究结果有助于预测甚至控制交通拥堵的传播,为未来自主驾驶技术和智能交通系统的发展提供参考。

城市交通动力学中临界渗流模式的切换

摘要:从生物学到工程学,渗流转变是一个广泛存在的网络现象。目前对网络动力学的研究主要集中在网络渗流问题上,而对网络渗流现象的研究很少。利用大量的实际数据,研究了城市交通动力学中的临界渗流特性。两种网络拓扑下不同的流量渗流行为表明,两种网络拓扑下不同的流量渗流行为是不同的。城市交通的一种模式(在非高峰时间或休息日)具有与小世界网络相似的临界渗流特性,而另一种模式(在工作日高峰时间)则倾向于表现为二维晶格。这种切换行为可以通过以下事实来理解:非高峰时间或休息日(高峰时间拥堵的)的高速城市道路代表有效的远程连接,就像在小世界网络中一样。我们的结果可能有助于理解和提高流量弹性。

老化环境下耐久网络的设计

摘要:网络的设计是为了满足特定需求下的给定目标。虽然通常对网络的静态连通性进行分析,并提出相应的静态鲁棒性设计原则,但如何设计在其整个寿命期间保持所需的连通性性水平的耐久网络,以防止组件老化仍然是一个挑战。我们引入网络持久性作为一个新概念来评估网络在整个生命周期内的整体性能,同时考虑网络连通性和网络持续时间。在有限的预算条件下,通过分配网络组件的预期寿命,我们开发了一个设计持久网络的框架。基于渗流理论和模拟,我们发现在网络持续时间和连通性之间的定量平衡可以实现最大的网络持久性。对于不同的最高要求,我们发现优化设计可以分为两个类别:等级对生存期的强转换导致网络生存期变大,弱势导致网络连通性变强。我们的发现可以提供基于网络拓扑的网络强度的定量预测,从而有助于网络设计。

即使在传播的早期阶段,假新闻的传播也与真新闻不同

摘要:社交媒体对社会而言可能是一把双刃剑,无论是作为交流思想的便捷渠道,还是通过大量人口传播虚假新闻的意外渠道。现有的假新闻研究主要集中在基于机器学习的传播或识别方法的理论建模上,理解理论模型与黑盒方法之间的现实机制是非常重要的。在这里,我们追踪了来自不同文化背景的中国微博和日本Twitter上的假新闻和真实新闻的大型数据库,其中包括他们的全部转帖痕迹。我们发现,在这两个在线社交网络中,甚至在传播的早期阶段(例如,第一次重新发布后的5小时),假新闻的传播也与真实新闻有明显区别。我们的发现证明了集体结构信号有助于理解假新闻和真实新闻的不同传播演变。与以往的研究不同的是,早期识别信息传播的拓扑特性可以为社会化媒体中虚假新闻的早期发现提供新的特征。

城市交通中弹性最小的关键道路识别

摘要:交通系统作为城市的生命线系统,由于各种原因可能导致交通运行可靠性的不确定性。虽然人们对城市交通提出了不同的可靠性措施,但如何在日常交通运行中恢复拥堵的道路仍然是一个挑战。基于弹性的概念,利用实时交通数据,研究了道路在日常交通中的弹性。通过对不同道路的比较,我们可以找到那些在交通高峰期不能很快从拥堵中恢复过来的最差弹性道路。这些识别出的具有最小恢复力的道路可以作为相应可靠性管理中交通改善的目标。

暴雨会损害城市交通吗?

摘要:暴雨等极端天气可能对交通造成严重破坏。针对极端天气对交通流特性的影响已经有了许多研究。然而,在极端天气条件下,整个动态交通网络的稳定性却很少被研究。尤其是,很少有人关注这样一个问题,即本地道路的破坏是否以及如何合并为全球交通运行的退化。基于实时交通数据,此处对交通网络进行了渗流分析,发现暴雨在不同范围会产生不同的影响:在网络规模上,作为城市交通可靠性指标的交通渗漏流量阈值在天气扰动下是稳定的,而部分道路在微观尺度上受到显着影响,形成与主体功能网络相隔离的局部干扰。这可能是因为暴雨等极端天气条件完全会造成供给端道路的损坏,也相应减少交通需求。研究表明,交通流的渗透性可以反映出局部流与相互之间的相互关系,从而设计相应的管理策略。

优化三维方格上的随机搜索

摘要:搜索是一种普遍的行为,与许多类型的智能个体有关。虽然大多数研究都集中在二维或无限维空间中的搜索,但如何在三维空间中优化搜索仍然是一个空白。本文研究了具有周期边界条件的三维方格上的随机搜索问题,并讨论具有幂律步长分布的最优搜索策略,即p(l)~l^(-μ),即Lévy航班。我们发现,与在二维格(2d)上的随机搜索相比,在三维格(3d)上的最优指数μ_opt在非破坏情况下相对较小,而在破坏情况下保持相似。我们还发现,在高目标密度下,随着z方向晶格长度的增加,μ_opt会减小。我们的发现可能有助于我们理解空间维度在搜索行为中的作用。

重复用户网络是从多个谣言级联中产生的

摘要:网络社交媒体上的谣言传播对后真相时代的社会构成了巨大的威胁。大量的工作致力于谣言的识别和揭穿,假设一个特定的谣言传播是一个单一的事件网络,而忽略了不同谣言之间可能存在的相互依赖。在这里,我们研究了多个谣言的集体传播,并意外地发现一个用户网络,反复参与不同的谣言级联。虽然这些重复用户在单一传播网络上表现出微小的差异,但与新闻传播分级,他们从多个谣言级联中形成了更为密集的协作网络。重复传播言语者形成的集团状聚类可以作为替代的谣言识别特征和谣言预防的替代目标。我们的研究结果可以将多个谣言传播视为一个相互作用的谣言生态系统,从而更好地理解谣言传播,并提出基于谣言传播历史的识别和缓解谣言传播的新方法。

Android操作系统内核函数调用网络可靠性研究

摘要:操作系统是信息系统的关键基础架构。某些功能组件的故障会给基于操作系统的计算服务带来意想不到的风险和无数损坏。尽管了解操作系统的故障机制至关重要,但仍不清楚功能组件之间如何相互作用。在这里,我们通过将操作系统建模为复杂的网络来研究Android OS内核中的这些交互。在这个网络中,每个节点代表一个功能,链接是它们之间的各种调用关系。通过社区分析,我们发现拓扑统计与社区规模之间存在三种不同的关系。为了揭示不同规模的组织漏洞,我们还进行了渗透分析并确定该软件网络的关键结构。我们的发现可能有助于理解系统的复杂性并设计相应的软件测试方法。

连锁过载故障下互依网络的恢复

摘要:许多网络在物理上或逻辑上是相互依赖的,例如智能电网,城市交通网络和通信系统,在这些网络中,级联过载故障成为主要威胁。在基于负载的级联模型的基础上,针对相互依赖的网络中不同的耦合强度和网络拓扑,我们在考虑维修资源,时序和负载容限的情况下研究了恢复特性。我们发现,具有不同耦合强度的网络恢复可能导致早期修复产生两种极端的系统影响:完全恢复或完全崩溃。此外,SF-SF网络对维修资源敏感,而当负载承受能力增加时,ER-ER网络的维修效果会急剧增加。当在与SF网络耦合的ER网络中触发过载时,恢复效果显然会比其他拓扑组合差。我们的发现可能有助于设计相互依赖的网络的恢复策略并提高系统的弹性。

实际交通拥堵的无标度弹性

摘要:弹性的概念可以在自然系统和工程系统中实现,代表了系统适应各种干扰并从中恢复的能力。尽管恢复力是理解和管理运输系统的风险和崩溃所必需的关键属性,但仍然缺少公认的,有用的城市交通恢复力定义及其在微扰下的统计属性。在此,我们根据实际交通拥堵的时空群集来定义城市交通弹性,并发现弹性在2D城市道路网络和1D高速公路中呈无标分布,这些指数具有不同的指数,但在不同的日子和不同的城市具有相似的指数。还显示出交通弹性具有时空阻塞的簇大小与其恢复持续时间之间的比例关系,而与微观细节无关。我们对通用交通弹性的发现可以为在内部和外部干扰下更好地理解和设计这些复杂的工程系统提供指示。

城市交通动力学中临界渗漏流模式的切换

摘要:从生物学到工程学,渗流转变是一个广泛存在的网络现象。目前对网络动力学的研究主要集中在网络渗流问题上,而对网络渗流现象的研究很少。利用大量的实际数据,研究了城市交通动力学中的临界渗漏流特性。两种网络拓扑下不同的流量渗漏流行为表明,两种网络拓扑下不同的流量渗漏流行为是不同的。城市交通的一种模式(在非高峰时间或休息日)具有与小世界网络相似的临界渗流特性,而另一种模式(在工作日高峰时间)则表现为二维晶格。这种切换行为可以通过以下事实来理解:非高峰时间或休息日(高峰时间拥堵的)的高速城市道路代表有效的远程连接,就像在小世界网络中一样。我们的结果可能有助于理解和提高流量弹性。

Android操作系统中函数调用网络可靠性的演变

摘要:本文基于渗透方法,对Android操作系统在不同层次上的函数调用图进行了分析。操作系统网络在节点级别的程度渗透下更容易受到攻击,而在社区级别的强度渗透下更容易受到攻击。此外,我们还发现尽管核网络的拓扑性质在不同的版本中不断演化,但渗透性质似乎相当稳定。研究结果有助于理解操作系统体系结构的可靠性原理,设计新的系统测试方法。操作系统(OS)是信息系统的关键基础架构。要设计高度可靠的软件,必须了解操作系统的体系结构功能,最近网络分析已对其进行了探索。目前对网络可靠性的研究多集中在拓扑性质上,而对网络可靠性的研究却很少。本文基于渗流方法,对不同层次的Android OS的功能调用图进行了分析。尽管OS网络在节点级别的基于程度的渗透下更容易受到攻击,但在社区级别的基于强度的渗透下却变得更加脆弱。此外,我们发现尽管内核网络的拓扑属性随着不同的发行版本而发展,但渗透属性似乎相当稳定。我们的发现可能有助于理解OS体系结构的可靠性原理并设计新的系统测试方法。

即使在传播的早期阶段,假新闻的传播也不同于真实新闻

摘要:社交媒体对社会而言可能是一把双刃剑,无论是作为交流思想的便捷渠道,还是通过大量人口传播虚假新闻的意外渠道。现有的假新闻研究主要集中在基于机器学习的传播或识别方法的理论建模上,理解理论模型与黑盒方法之间的现实机制是非常重要的。在这里,我们追踪了来自不同文化背景的中国微博和日本Twitter上的假新闻和真实新闻的大型数据库,其中包括他们的全部转帖痕迹。我们发现,在这两个在线社交网络中,甚至在传播的早期阶段(例如,第一次重新发布后的5小时),假新闻的传播也与真实新闻有明显区别。我们的发现证明了集体结构信号有助于理解假新闻和真实新闻的不同传播演变。与以往的研究不同的是,早期识别信息传播的拓扑特性可以为社会化媒体中虚假新闻的早期发现提供新的特征。

城市交通中的多重亚稳态网络状态

摘要:虽然在生态、生物和气候等许多领域的自然系统中都发生了不同亚稳态之间的突变,但迄今为止在运输系统中很少观察到这种现象的证据。这种局限性可能源于这样一个事实:我们缺乏方法来识别和分析在整个交通网络规模上可能出现的多种状态。在这里,利用渗流方法,我们观察到这样一个亚稳制度在交通系统。特别是,我们发现多个亚稳态网络状态,对应于不同级别的流量性能,这些状态在不同的时间重复出现。基于高分辨率全球定位系统(GPS)对北京和上海两个特大城市(每个城市有超过50000个路段)的城市交通数据集,我们发现了支持临界点存在的证据,将三个区域分开:一个是全球功能区域和一个亚稳类滞后区域,然后是一个全球崩溃区政体。我们可以确定亚稳类滞后区开始和结束的内在临界点,并表明这些临界点在不同的日子是非常相似的。我们的研究结果提供了一个更好的交通弹性模式的理解,并可能有助于设计交通弹性管理的早期预警信号,以及潜在的其他复杂系统。

抗级联过载故障的网络耐力

摘要:网络耐久性可被视为系统完全崩溃之前的生存时间上限,这与系统的恢复能力高度相关。尽管网络承受过载故障的能力对于网络设计和运营管理至关重要,但是定义和相应的评估方法仍然具有挑战性。在本文中,基于负载相关的过载模型,我们将网络耐久性定义为在整个网络崩溃之前处于临界状态的级联持续时间,并开发一种耐久性评估方法。我们发现网络耐久性在很大程度上取决于初始干扰强度和级联强度。初始载荷分布均匀的网络耐久性通常会随着初始扰动强度的降低而单调增加,而对于其他初始载荷分布,耐久性行为则更为复杂。我们还提供了网络耐久性的理论分析。我们的发现可能有助于理解针对级联过载故障的网络可靠性机制,并设计出高度可靠的网络。

临时机场网络中的渗流过渡

摘要:航空运输系统对全球经济有着至关重要的影响。虽然系统可靠性对于空中交通的运营管理至关重要,但了解空中交通系统的网络可靠性仍然是一个挑战。本文主要研究全球空中交通是如何从局部尺度与运行时间相结合的。通过不断增加积分时间,将空中交通融入时间连通网络的过程视为渗流过程。在综合过程中发现的关键综合时间T_p可以衡量空中交通的整体可靠性。此外,还确定了T_p的关键链路,其延迟将影响机场网络的全球整合。这些发现可以为时态机场网络的可靠性管理提供启示。

随机游走模型模拟阻塞性睡眠呼吸暂停儿童嗜睡增加

摘要:阻塞性睡眠呼吸暂停(OSA)是一种常见的睡眠障碍,对儿童的危害尤其严重,它可能导致学习障碍、注意力缺陷多动障碍(ADHD)和生长迟缓。此外,阻塞性睡眠呼吸暂停改变了睡眠阶段转换的动力学,特别是增加了从清醒到入睡的转换时间(“困倦”)。在这封信中,我们表明,与健康儿童相比,阻塞性睡眠呼吸暂停综合征(OSA)在这种短暂状态下的睡眠持续时间可以用指数分布来描述,并且具有更长的特征时间标度。这一发现可以通过使用促醒神经元整合神经元电压的随机游走模型来模拟和更好地理解,并通过引入一个新概念的轻睡眠阈值参数来区分困倦和较深形式的轻睡眠。我们的分析还表明,L值与OSA的严重程度密切相关。此外,我们发现OSA治疗后,参数L恢复到正常值,与我们为健康儿童检测到的值相似。我们期望我们的方法可以帮助更好地理解和模拟睡眠动力学,并可能改善OSA的诊断和治疗监测。