基于多层耦合关系网络的关键基础设施脆弱性测评方法技术

本发明专利技术提供一种基于多层耦合关系网络的关键基础设施脆弱性测评方法，步骤如下：一：获取系统节点信息与历史故障数据，确定合适的节点数量、空间分布、时间范围与时间间隔；二：考虑节点间关联的时间延迟的方式定义每对节点之间的边权、方向、时间延迟等，形成加权有向的多层耦合关系网络；三：使用节点的度(连边数量)等网络结构指标，及其在整个网络上的均值等，作为单个节点乃至整个系统的故障耦合关系强弱的评价指标；通过以上步骤，本发明专利技术能够有效的发现与度量现实系统节点间客观存在的故障耦合关系；对于将来发展节点关键程度的评价方法具有启发性作用，从而为更好地理解基础设施的系统脆弱性服务。

【技术实现步骤摘要】
基于多层耦合关系网络的关键基础设施脆弱性测评方法
本专利技术提出一种基于多层耦合关系网络的关键基础设施脆弱性测评方法，属于系统可靠性

技术介绍
在现代社会中，关键基础设施是包括通讯、电力、能源、交通运输等在内的关系到经济社会正常运转的最重要的基础设施系统。探测关键基础设施系统的安全隐患、评估关键基础设施的脆弱性、帮助避免大规模安全事故的发生，都是当代国家安全与社会运行中的重大课题。在信息技术高速发展的今天，由于很多系统内部，以及不同系统之间，都涌现出越来越多的相互依赖、相互耦合的关系，使许多关键基础设施具有越来越强的系统脆弱性。例如，当城市中的电力系统由于一些极端自然灾难或者人为因素而中止工作后，其它如互联网、交通运输等依赖于电力供应的关键系统也会发生停运故障。这样的故障耦合关系的存在使得故障事件可以跨系统地施加影响，造成更大规模的破坏。基于这些考虑，计算不同系统节点之间的故障相关关系成为了衡量系统节点间故障耦合关系强弱、帮助评价系统脆弱性的可行的方法。此外，考虑到系统节点之间存在的故障耦合关系自身也具有一定的多层网络结构，很有必要从系统节点故障时间序列出发构建多层的耦合关系网络，并使用复杂网络领域的节点重要性评价方法，从网络结构的角度衡量系统节点间的故障耦合关系，乃至整个系统的脆弱性。复杂网络是近二十年来迅速发展的交叉学科领域，主要研究网络的结构性质与其功能属性之间的关系。由于很多现实系统中都包含着不同类型的网络结构，这些网络的结构如何影响系统的运行是具有重大现实意义的问题。在复杂网络领域，人们基于一些模型网络与现实系统的网络结构研究渗流相变、级联故障、同步动力学、疾病传播等方面的功能特性，还能为改进现实系统的网络结构提供建议。实际上，除了研究系统节点已知的网络结构，人们也开始从系统节点时间序列出发发掘系统中未知的节点间的关联，并分析其网络结构。相关性网络就是其中常用的方法之一，主要以节点时间序列的相关系数作为定义节点之间连边的方式。近年来，相关性网络分析已经广泛应用于基因、金融、大脑、气候等不同现实系统，用于探测系统内部的组织结构。本专利技术考虑将基于相关性网络的方法应用于系统可靠性与脆弱性的评价上。具体来说，本专利技术考虑由不同关键基础设施系统的节点故障历史数据出发，构建多层故障耦合关系(相关关系)网络，并定义具有时间延迟及其方向的连边。基于所构建的相关性网络，本方法重点使用节点在子网络内部与跨子网络的度等结构指标作为衡量节点的耦合关系数量与强度的主要指标，以此评价单个节点以及整个系统的脆弱性。与传统的系统脆弱性分析方法相比，基于故障相关性网络探测的脆弱性评价方法具有以下两方面优势。一方面，本方法的主要目的在于发现与度量现实系统节点间客观存在的故障耦合关系，而并非关注于故障事件发生的概率等其它方面。这样的耦合关系恰恰是使现代社会关键基础设施系统出现越来越多的大规模安全问题的主要原因之一。而且，基于0-1故障时间序列的建网方式使本方法可以广泛应用于很多不同领域基础设施的脆弱性评估。另一方面，本方法是基于复杂网络领域的一些节点重要程度的评价指标，从而在将来可以有进一步发展的广阔空间。例如，如果在将来复杂网络领域(包括单层网络和多层网络)发现了新的更好的节点关键程度的评价方法，就同样可以应用在本方法中构建的节点故障相关性网络上，为更好地理解基础设施的系统脆弱性服务。在上述背景的基础上，提出以下基于多层故障耦合关系网络的关键基础设施脆弱性测评方法。
技术实现思路
针对关键基础设施系统内部，以及不同系统之间的节点耦合关系普遍存在的特点，本专利技术提出了一种基于多层耦合关系网络推断的关键基础设施系统脆弱性评价方式。(一)本专利技术的目的本专利技术的主要目的包括：基于不同基础设施系统节点的故障历史数据计算系统节点间的故障相关性，并根据相关性强度为同一系统内部以及不同系统之间的节点对连边，构建成有向的多层节点故障相关性网络；然后，使用节点的度(包括出度、入度、层内的度、层间的度等)等复杂网络中常用的节点中心性指标来评价单个节点以及整个系统的耦合关系数量和强度，从而评价现实基础设施系统的脆弱性，并为现实系统保护故障事件传播中的重要节点提供有效的建议。(二)本专利技术的技术方案本专利技术提出的基于多层耦合关系网络的关键基础设施脆弱性测评方法，该方法包含以下步骤：步骤一：获取系统节点信息与历史故障数据，确定合适的节点数量、空间分布、时间范围与时间间隔，从而获得每个节点的故障时间序列；根据实际系统耦合关系探测的需要，对节点时间序列进行预处理；步骤二：选择合适的故障相关关系计算方式，如皮尔逊相关系数、互信息等，以考虑节点间关联的时间延迟的方式定义每对节点之间的边权、方向、时间延迟等；通过给故障相关性取一定的阈值，只保留那些足够强的边。分别为每个系统及子系统内部的和不同系统及子系统之间的节点连边后，形成加权有向的多层耦合关系网络；步骤三：针对步骤二中构建的多层耦合关系网络，使用节点的度(连边数量)等网络结构指标，及其在整个网络上的均值等，作为单个节点乃至整个系统的故障耦合关系强弱的评价指标。可根据需要观察评价指标随时间或空间的变化趋势；通过以上步骤，本专利技术提出从多层耦合关系网络的角度对关键基础设施脆弱性的测评方法，能够有效的发现与度量现实系统节点间客观存在的故障耦合关系。这样的耦合关系恰恰是使现代社会关键基础设施系统出现越来越多的大规模安全问题的主要原因之一。本方法是基于复杂网络领域的一些节点重要程度的评价指标，对于将来发展节点关键程度的评价方法亦有启发性作用，从而为更好地理解基础设施的系统脆弱性服务。其中，在步骤一中所述的“获取系统节点信息与历史故障数据，确定合适的节点数量、空间分布、时间范围与时间间隔，从而获得每个节点的故障时间序列；根据实际系统耦合关系探测的需要，对节点时间序列进行预处理”，其具体作法如下：确定合适的节点数量和空间分布：用于构建故障耦合关系网络的系统节点通常是所有能获得故障历史数据的系统节点的一个子集。该子集的规模往往要取得适中。太大的节点集会导致计算复杂度过高，太小的节点集则又无法代表要研究的系统的整体。实际上，除了节点数量，节点时间序列的长度和节点相关性的计算方法的选取也会影响计算的复杂度，所以往往要在这三方面之间寻找适当的平衡。对一些具有空间地理位置的系统，往往还根据需要选取一定空间区域内的节点。确定合适的时间范围与时间间隔：节点时间序列的时间范围与时间间隔的选择主要取决于要研究的节点故障相关关系的大致时间尺度。使用过于稀疏的时间序列可能无法捕捉到更快尺度的相关关系，而过密的时间点则可能导致时间序列中出现较强的自相关，从而影响正常的相关关系计算结果。此外，过长或过短的时间序列也会给计算效率和统计分析带来影响。在实际选取时，需要从这些方面综合考虑，选择可行的节点时间序列的时间点。对节点时间序列进行预处理：对于已得到的节点时间序列，很多情况下，在计算相关性之前还需要进行一定的预处理。在本专利技术中，一般要求使用0-1序列来作为节点历史故障的描述方式。当节点在某时刻出现了该故障事件时，就用1值表示；否则，就用0值表示。如果本身是连续取值的节点序列，可以去一定的阈值将其转化为0-1时间序列。还有些情况下，为了消除某些趋本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多层耦合关系网络的关键基础设施脆弱性测评方法，其特征在于：该方法包含以下步骤：步骤一：获取系统节点信息与历史故障数据，确定节点数量、空间分布、时间范围与时间间隔，从而获得每个节点的故障时间序列；根据实际系统耦合关系探测的需要，对节点时间序列进行预处理；步骤二：选择所需的故障相关关系计算方式，以考虑节点间关联的时间延迟的方式定义每对节点之间的边权、方向、时间延迟；通过给故障相关性取一预定的阈值，只保留那些足够强的边；分别为每个系统及子系统内部的和不同系统及子系统之间的节点连边后，形成加权有向的多层耦合关系网络；步骤三：针对步骤二中构建的多层耦合关系网络，使用节点的度及连边数量网络结构指标，及其在整个网络上的均值，作为单个节点乃至整个系统的故障耦合关系强弱的评价指标；根据需要观察评价指标随时间及空间的变化趋势；通过以上步骤，本专利技术提出从多层耦合关系网络的角度对关键基础设施脆弱性的测评方法，能够有效的发现与度量现实系统节点间客观存在的故障耦合关系；这样的耦合关系恰恰是使现代社会关键基础设施系统出现越来越多的大规模安全问题的主要原因之一；本方法是基于复杂网络领域的一些节点重要程度的评价指标，对于将来发展节点关键程度的评价方法亦有启发性作用，从而为更好地理解基础设施的系统脆弱性服务。...

【技术特征摘要】
1.一种基于多层耦合关系网络的关键基础设施脆弱性测评方法，其特征在于：该方法包含以下步骤：步骤一：获取系统节点信息与历史故障数据，确定节点数量、空间分布、时间范围与时间间隔，从而获得每个节点的故障时间序列；根据实际系统耦合关系探测的需要，对节点时间序列进行预处理；步骤二：选择所需的故障相关关系计算方式，以考虑节点间关联的时间延迟的方式定义每对节点之间的边权、方向、时间延迟；通过给故障相关性取一预定的阈值，只保留那些足够强的边；分别为每个系统及子系统内部的和不同系统及子系统之间的节点连边后，形成加权有向的多层耦合关系网络；步骤三：针对步骤二中构建的多层耦合关系网络，使用节点的度及连边数量网络结构指标，及其在整个网络上的均值，作为单个节点乃至整个系统的故障耦合关系强弱的评价指标；根据需要观察评价指标随时间及空间的变化趋势；通过以上步骤，本发明提出从多层耦合关系网络的角度对关键基础设施脆弱性的测评方法，能够有效的发现与度量现实系统节点间客观存在的故障耦合关系；这样的耦合关系恰恰是使现代社会关键基础设施系统出现越来越多的大规模安全问题的主要原因之一；本方法是基于复杂网络领域的一些节点重要程度的评价指标，对于将来发展节点关键程度的评价方法亦有启发性作用，从而为更好地理解基础设施的系统脆弱性服务。2.根据权利要求1所述的一种基于多层耦合关系网络的关键基础设施脆弱性测评方法，其特征在于：在步骤一中所描述的“获取系统节点信息与历史故障数据，确定所需的节点数量、空间分布、时间范围与时间间隔，从而获得每个节点的故障时间序列；根据实际系统耦合关系探测的需要，对节点时间序列进行预处理”，其具体作法如下：确定所需的节点数量和空间分布：用于构建故障耦合关系网络的系统节点通常是所有能获得故障历史数据的系统节点的一个子集；该子集的规模往往要取得适中；太大的节点集会导致计算复杂度过高，太小的节点集则又无法代表要研究的系统的整体；实际上，除了节点数量，节点时间序列的长度和节点相关性的计算方法的选取也会影响计算的复杂度，所以往往要在这三方面之间寻找所需的平衡；对一些具有空间地理位置的系统，往往还根据需要选取一预定空间区域内的节点；确定所需的时间范围与时间间隔：节点时间序列的时间范围与时间间隔的选择主要取决于要研究的节点故障相关关系的时间尺度；使用过于稀疏的时间序列无法捕捉到更快尺度的相关关系，而过密的时间点则会导致时间序列中出现强的自相关，从而影响正常的相关关系计算结果；此外，过长及过短的时间序列也会给计算效率和统计分析带来影响；在实际选取时，需要从这些方面综合考虑，选择能行的节点时间序列的时间点；对节点时间序列进行预处理：对于已得到的节点时间序列，很多情况下，在计算相关性之前还需要进行一预处理；在本发明中，一般要求使用0-1序列来作为节点历史故障的描述方式；当节点在出现了该故障事件时，就用1值表示；否则，就用0值表示；如果本身是连续取值的节点序列，能去一定的阈值将其转化为0-1时间序列；还有些情况下，为了消除一些趋势如线性趋势及季节性周期对相关性计算的影响，需要先从每个节点的时间序列中去掉这些趋势，然后再转化为0-1序列。3.根据权利要求1所述的一种基于多层耦合关系网络的关键基础设施脆弱性测评方法，其特征在于：在步骤二中所述的“选择所需的故障相关关系计算方式，以考虑节点间关联的时间延迟的方式定义每对节点之间的边权、方向、时间延迟；通过给故障相关性取一预定的阈值，只保留那些足够强的边；分别为每个系统及子系统内部的和不同系统及子系统之间的节点连边后，形成加权有向的多层耦合关系网络”，其具体作法如下：选取所需的相关关系计算方法：计算节点故障相关性时能选用的常用方法主要包括皮尔逊相关系数、互相关、互信息、事件同步性系数；由于关键基础设施系统节点之间的故障耦合关系具有一预定的方向性和时间间隔，因此，在本发明中，使用考虑时间延迟的互相关系数方法计算故障相关性：对两个节点i，j的故障时间序列Si(t)和Sj(t),t＝1，2，…，L，计算其互相关系数：其中E(·)与SD(·)分别表示序列在t＝1，2，…，L范围内的均值和标准差；τ的取值范围为τ＝-τmax，…，０，…，τmax；进而取ρi，j(τ)在该范围内的最大值，定义为边权Wi，j，并定义该最大值所对应的τ值为两点间的时间延迟τi，j；因此，τi，j的绝对值即为两点间...

【专利技术属性】
技术研发人员：周栋，李大庆，康锐，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11