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复杂网络作为复杂系统的一种图论模型,由众多节点及其间的连接关系构成,当节点与连接关系随时间发展变化时,就形成了复杂动态网络。从大系统的角度看,复杂动态网络是由节点群和连接关系群两个子系统耦合而成。在控制理论研究领域中,复杂动态网络作为一类重要的控制对象,囊括了诸如生物(人工)神经网络、移动通信网络、社会网络等许多现实网络,因而探索其结构特点、控制其群体行为等研究具有重要的实践和科学意义。
在现有复杂网络研究领域中,实数加权复杂网络是一类重要的研究对象,它利用实数加权值的连线描述网络中节点间的连接关系,包括了0-1连接网络、符号网络等特殊形式的网络。在现有的加权动态网络研究领域中,结合大系统思想看待网络的结构和群体行为是一种常用的方法。目前,利用这种方法探讨网络涌现同步和结构平衡等群体行为的研究已经取得了许多成果,这些研究成果不仅明晰了网络组成的结构:网络由节点群与连接关系群两个子系统耦合构成,而且明确了网络涌现群体行为的主体:节点群和连接关系群分别是网络涌现同步和结构平衡的主体。
从上列复杂动态网络的研究中可以看出,同步是由节点群的状态变量刻画,而结构平衡则是由连接关系群的状态变量(加权值)之正负号刻画。研究结果表明,从渐近意义上看待网络涌现结构平衡,其所有节点最终被分为两类(特殊地分为一类):处于同一类中的节点具有正连接关系,处于异类中的节点具有负连接关系。从社会网络角度看,网络的这种二分类性质寓意了彼此分离的两个阵营(特殊地,一个阵营),由此诠释了结构平衡的社会网络意义。
值得注意的是,多个相互分离的阵营也具有社会网络意义,换句话说,从社会网络角度看,复杂网络节点的多分类性质也蕴含着某种结构平衡。有鉴于此,如何定量描述复杂网络多分类概念,具有多分类性质的复杂网络有何特点,如何借助耦合作用,使受控节点群驱使复杂网络渐近达成多分类,这些问题涉及网络的结构与功能,国内外相关的研究并不多见。
针对上列问题,本文首先从具有社会网络意义的概念“结构洞”入手,提出利用“结构洞(Structural hole)和洞主(Broker)”揭示网络拓扑结构的特征,给出了网络多分类的定义和相关性质,由此设计了驱使复杂动态网络随时间渐近演化为多分类网络的控制器。本文利用矩阵微分方程描述连接关系子系统,主要研究内容如下:
(1)针对广义符号网络,利用结构洞、洞主等概念,提出了无洞主网络(无特权网络)以及全洞主网络的概念,给出了无洞主网络的拓扑结构特征,明确了其与网络可分类之间的关系,并提出两种无洞主网络的构成方法。另外,给出了全洞主网络的拓扑结构特征,并提出两种全洞主网络的构成方法。
(2)针对连接关系子系统,基于一类非线性矩阵微分方程模型,在开环条件下,讨论了初始条件对复杂动态网络连接关系状态的影响,研究了什么样的初始条件能够使复杂动态网络随时间演化至结构平衡。最后,通过数值仿真验证了结论的有效性。
(3)针对连接关系子系统不能直接受控的情况,利用节点子系统和连接关系子系统之间的相互耦合作用,为节点群设计状态反馈控制器,由此驱使复杂动态网络随时间渐近演化至无洞主网络(无特权网络)。最后,数值仿真验证了方法的有效性。
(4)针对连接边的状态(加权值)不能精确测量的情况,为连接关系子系统设计了状态观测器,由此设计了基于状态观测器的控制器,驱使复杂动态网络随时间渐近演化至无洞主网络(无特权网络)。最后,数值仿真验证了此方法的有效性。
在现有复杂网络研究领域中,实数加权复杂网络是一类重要的研究对象,它利用实数加权值的连线描述网络中节点间的连接关系,包括了0-1连接网络、符号网络等特殊形式的网络。在现有的加权动态网络研究领域中,结合大系统思想看待网络的结构和群体行为是一种常用的方法。目前,利用这种方法探讨网络涌现同步和结构平衡等群体行为的研究已经取得了许多成果,这些研究成果不仅明晰了网络组成的结构:网络由节点群与连接关系群两个子系统耦合构成,而且明确了网络涌现群体行为的主体:节点群和连接关系群分别是网络涌现同步和结构平衡的主体。
从上列复杂动态网络的研究中可以看出,同步是由节点群的状态变量刻画,而结构平衡则是由连接关系群的状态变量(加权值)之正负号刻画。研究结果表明,从渐近意义上看待网络涌现结构平衡,其所有节点最终被分为两类(特殊地分为一类):处于同一类中的节点具有正连接关系,处于异类中的节点具有负连接关系。从社会网络角度看,网络的这种二分类性质寓意了彼此分离的两个阵营(特殊地,一个阵营),由此诠释了结构平衡的社会网络意义。
值得注意的是,多个相互分离的阵营也具有社会网络意义,换句话说,从社会网络角度看,复杂网络节点的多分类性质也蕴含着某种结构平衡。有鉴于此,如何定量描述复杂网络多分类概念,具有多分类性质的复杂网络有何特点,如何借助耦合作用,使受控节点群驱使复杂网络渐近达成多分类,这些问题涉及网络的结构与功能,国内外相关的研究并不多见。
针对上列问题,本文首先从具有社会网络意义的概念“结构洞”入手,提出利用“结构洞(Structural hole)和洞主(Broker)”揭示网络拓扑结构的特征,给出了网络多分类的定义和相关性质,由此设计了驱使复杂动态网络随时间渐近演化为多分类网络的控制器。本文利用矩阵微分方程描述连接关系子系统,主要研究内容如下:
(1)针对广义符号网络,利用结构洞、洞主等概念,提出了无洞主网络(无特权网络)以及全洞主网络的概念,给出了无洞主网络的拓扑结构特征,明确了其与网络可分类之间的关系,并提出两种无洞主网络的构成方法。另外,给出了全洞主网络的拓扑结构特征,并提出两种全洞主网络的构成方法。
(2)针对连接关系子系统,基于一类非线性矩阵微分方程模型,在开环条件下,讨论了初始条件对复杂动态网络连接关系状态的影响,研究了什么样的初始条件能够使复杂动态网络随时间演化至结构平衡。最后,通过数值仿真验证了结论的有效性。
(3)针对连接关系子系统不能直接受控的情况,利用节点子系统和连接关系子系统之间的相互耦合作用,为节点群设计状态反馈控制器,由此驱使复杂动态网络随时间渐近演化至无洞主网络(无特权网络)。最后,数值仿真验证了方法的有效性。
(4)针对连接边的状态(加权值)不能精确测量的情况,为连接关系子系统设计了状态观测器,由此设计了基于状态观测器的控制器,驱使复杂动态网络随时间渐近演化至无洞主网络(无特权网络)。最后,数值仿真验证了此方法的有效性。