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本文围绕加权网络上的传输过程展开研究。重点讨论了网络拓扑结构、传输过程与权重分布之间的优化匹配关系,和加权网络上传输过程的攻击鲁棒性两个问题。
为了更好的理解加权网络结构对运行在网络之上的传输过程的影响,首先讨论了公交网络的拓扑结构。研究中发现,公交停靠站点加权网络具有奇偶点权重非对称分布的特殊现象。随后建立的理论模型重现了这种现象,证明我们提出的理论模型是奇偶点权重非对称分布现象背后机制的一种可能的解释。
实际系统中的传输过程往往受到连接强度或容量的限制。于是,我们以边权重为限制条件,建立了加权网络上的传输过程模型。对比了不同网络结构的传输过程承载能力,讨论了网络拓扑结构与权重分布的优化匹配方式,同时,对近年来交通研究中广为关注的路由引导系统对传输过程的影响进行了讨论。发现在网络中所有边权重一致的时候,随机网络的传输承载能力最高;最大边介数偏好条件下得到的指数边权重分布,能够最有效的提高各种网络的传输过程承载能力;当系统中有引导信息时,边权重服从反边介数偏好指数分布的网络,其传输过程承载能力有明显改善。总的来说,无论那种网络拓扑结构,无论边权重服从什么分布,是否有引导信息,只要能够使得网络中行驶的汽车(传输的粒子、Internet 上的信息包)能够更均匀的分布在网络的各个路线上,充分发挥网络的总体通行能力,传输过程承载能力就会提高。
网络的功能鲁棒性一直是复杂网络研究领域里最为引人关注的问题之一。讨论了食物链网络的级联失效问题和加权网络上传输过程的攻击鲁棒性问题。食物链网络鲁棒性研究中发现,与节点最大度攻击相比,节点最大介数攻击对网络造成的影响较大。也就是说,根据节点最大介数攻击的结果,就能快速而准确的找到食物链网络中的关键物种,从而为保护生态环境提供行动依据。另外,实验告诉我们,边攻击对食物链网络造成的破坏是不可忽视的,当食物链网络边遭到破坏时,整个网络的能量传输也会受到严重破坏。对于加权网络上的传输过程模型,我们引入了随机边攻击和最大介数边攻击两种攻击方式,通过观测网络上传输过程承载能力的变化,研究网络上传输过程的动态鲁棒性。实验结果表明,一般情况下,复杂网络上的传输过程受到的影响会随着攻击强度的增加而增大。各种网络在受到最大介数边攻击时,网络上的传输过程受到的影响比较大。断边重连概率为0.1的小世界网络抵御随机攻击的能力较强。有效地路况信息和路线引导能够降低最大介数边攻击的影响,当网络中有完全引导信息时,甚至会提高断边重连概率为0.01的小世界网络上传输过程的抗攻击能力。同时,也发现,模拟攻击是一种确定网络中关键节点或关键连接的有效方法,合理提高这些关键节点或关键连接的攻击鲁棒性,将成为提高网络整体抗攻击能力的可行方法。
在理论模型研究的基础上,对上海、天津、重庆三个城市的公共交通停靠站点网络,做了传输过程及攻击鲁棒性研究。发现这三个城市的公共交通网络承载能力相对于理论模型都比较低,但是,三个城市的公共交通网络的抗攻击能力都比较高。当我们为攻击模型引入了转换路线的机制时,三个城市的传输过程承载能力反而有所提高。所以我们认为,进一步降低公共交通的换乘成本,是充分发挥现有公共交通网络运输能力,提高公共交通网络抗攻击能力的有效方法。