关键基础设施网络的故障规律 PDF下载

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传统的系统可靠性分析和计算方法比较适合处理独立性失效或弱相关失效问题，而关键基础设施系统故障具有强相关的特点。本书围绕故障规律的核心问题，从网络“结构-流量-故障”的三元关系入手，将相变理论、数据分析与可靠性方法相结合，从复杂网络微观和宏观的不同角度，对网络故障的网络媒介、内在原因和时空表现等基础问题和方法进行介绍。

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内容简介

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*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。本书适合从事基础设施可靠性的研究人员和技术人员，也适合系统可靠性、网络可靠性等方向的大专院校研究生，以及对复杂系统感兴趣的读者。

作者简介

2011.6至今，北京航空航天大学可靠性与系统工程学院，副教授2015.6至今，北京航空航天大学可靠性与系统工程学院，博导

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目 录
第1章 概述 1
1.1 关键基础设施的网络特性 1
1.2 关键基础设施的可靠性挑战—级联失效 4
1.3 级联失效研究的核心问题—故障传播 9
1.4 理解故障传播的三元关系 11
参考文献 13
第2章 关键基础设施网络的结构维度 18
2.1 交通网络 18
2.2 电力网络 20
2.3 信息网络 25
2.4 网络的空间维度 27
2.5 网络维度与动力学的关系 31
参考文献 36
第3章 关键基础设施网络的流量特点 47
3.1 交通网络的均衡与效率 47
3.2 网络渗流 49
3.3 交通的渗流组织 52
3.4 效率与渗流 61
3.5 基于渗流理论的网络可靠性计算 66
参考文献 77
第4章 关键基础设施网络的故障相关性 84
4.1 关键基础设施网络的故障相关性 84
4.2 故障的相关网络 93
4.3 故障相关带来的网络脆弱性 97
参考文献 102
第5章 关键基础设施网络的故障动态传播 109
5.1 级联失效模型 109
5.1.1 基于功能耦合的级联失效模型 110
5.1.2 基于结构耦合的级联失效模型 120
5.2 故障的传播速度 129
5.3 故障的传播与恢复 135
参考文献 139
第6章 关键基础设施网络的故障预测 146
6.1 网络的可观性 147
6.1.1 可观性定义 147
6.1.2 网络可观性研究发展 149
6.1.3 介数优先的复杂网络可观性 153
6.2 关键基础设施网络故障的预测方法 165
参考文献 175
第7章 关键基础设施网络的故障自愈 180
7.1 网络级联失效的自愈 180
7.2 基于全局级联失效的自愈模型 183
7.2.1 模型 183
7.2.2 仿真结果分析 185
7.2.3 理论分析 191
7.2.4 案例分析 197
7.3 基于局域级联失效的自愈模型 199
7.3.1 模型 200
7.3.2 仿真结果分析 201
7.3.3 案例分析 206
参考文献 208

前沿

前；；；言

交通网络、电力网络、天然气管网、Internet等系统作为支撑社会正常运行的“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、电力崩溃、网络攻击等是各类网络的主要失效或者威胁模式（统称为网络故障）。这些基础设施网络具有一般系统不具备的特点，包含大量元素、网络化结构、非线性动态演化、故障涌现等。用传统的可靠性手段去分析或计算基础设施网络可靠性，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，二十多年来，美国发生大停电的频率未曾降低，甚至停电频率在高峰时段有所增加（P. Hines et al.，Energy Policy，2009）。

如果把这些关键基础设施系统看成机械化和信息化的“森林”，故障就是威胁这个森林安全的“火”。在大多数关键基础设施中，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。

因此，要想实现对这一类复杂网络系统的可靠性管理，就必须围绕网络系统的故障规律这个核心问题，研究这些基础科学问题，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）等。本书介绍了在以上三方面的最新研究成果，主要突出了网络、流量、故障这三个基础设施可靠性的不同层次的内在机理，并在此基础上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。

从物理连通各个地区的公路网络，到信息连通各个站点的信息网络，基础设施网络的出现伴随着人类历史的进程。这些网络作为社会系统的神经网络和循环系统，一旦发生故障，可谓“牵一发而动全身”。可靠性是与故障作斗争的科学。针对关键基础设施的可靠性测评和优化等需求，我们围绕这类复杂系统的故障行为，开展了有关网络结构、流量组织、故障传播和预测等基础理论和方法的研究，建立了复杂系统可靠性实验室。在研究的过程中，我们得到了Shlomo Havlin教授、康锐教授、Enrico Zio教授等网络理论和可靠性研究的国内外顶尖学者的大力支持。本书主要介绍了近年来我们的研究成果，主要基于在网络维度、交通渗流（傅博文、王飞龙）、故障相关性（江逸楠）、故障传播（赵吉昌）、故障自愈（刘超然）、故障的测量和预测（杨顺昆）等方面发表的期刊论文和硕士毕业论文。部分学生参与了本书的组织和撰写，他们是曾冠文、江逸楠、林元晟、张家全、郭澍、赵子龙，同时非常感谢我家人一直以来的支持和理解。