鲁棒性的综合分析相互依存的机电整合系统受到攻击的策略

文摘

机械电子系统的发展,不同的子系统内部是高度相关的特殊功能的需求。评估机械电子系统在各种扰动的鲁棒性,我们建立一个相互依存的机电整合系统作为一个相互依存的machine-electricity-communication网络(IMECN)和采用改进的级联失效模型,故障传播的发生是由比例阈值决定δ。为了充分探索不同扰动下的鲁棒性,我们制定攻击战略节点,边缘,通过考虑节点的措施和相互依存的链接。然后,我们也定义了鲁棒性指标量化IMECN在整个攻击过程的性能。公共交通车辆为例调查攻击策略的鲁棒性的影响不同δ在实际的机电整合系统。发现每个子网IMECN具有无标度特性。根据仿真结果,我们得到最有效的攻击策略删除节点,边缘,和相互依存的链接不同的触发故障传播的可能性。此外,我们发现攻击节点和相互依存的链接让IMECN相比更加脆弱的边缘。这项工作提供了理论深入的综合分析相互依存的机电整合系统的鲁棒性。

1。介绍

相互依存的机电整合系统,如公共交通车辆和飞机,是现代社会的支柱,因为他们为我们的生活提供基本服务。这些系统由大量的设备和单位之间存在复杂的交互。此外,不同的子系统不是孤立的而是相互高度依赖,以执行特定的功能在现实中。复杂网络在各个领域的广泛研究和应用作为一种有效的分析方法;因此,我们采用这一理论模型相互依存的机电整合系统和详细探索扰动下的鲁棒性。

拓扑结构是一个关键的参数来描述网络的性质。因此,无标度和小世界网络的鲁棒性目标攻击和随机故障是探索1- - - - - -3]。我们都知道,在攻击节点更重要,更容易受到网络(4]。尽管程度是一个基本的措施,为整个网络节点的重要性很难量化。因此,攻击策略提出了关于中间性删除关键节点(5]。聂等人做了一个新的攻击策略相结合的程度和中间状态(6]。无向和指导网络的最优攻击策略给出了基于禁忌搜索(7,8),分别。有大量的工作集中在人工网络攻击策略。然而,人工网络受到攻击的行为几乎反映了现实世界的网络。为此,Bellingeri等人调查攻击策略删除节点和边的影响在现实网络的鲁棒性9- - - - - -11]。

一个或多个组件失败可能会导致邻节点的故障,甚至在某些情况下整个系统的崩溃。典型的例子是美国西部电网的停电发生在8月10日,1996年,互联网的拥塞(12]。由于级联故障的影响,争议等人开发了一个级联模型,节点上的负载取决于最短路径经过的总数(13,14]。另外,学位(15,16),中间状态(17),谐波亲密(18,19),作为节点量化它们的特征的指标,被广泛用于获得负载。同样,为了定义级联失效模型关于边缘,这些措施也被进一步研究[20.- - - - - -24]。根据负载的不同定义的比较,浩等人发现的网络负载节点和边缘被定义为谐波亲密有更高层次的鲁棒性18,19,24]。不同的级联故障引起的过载,纽曼等人采用母函数形式主义研究的失败过程节点和边的渗流理论从另一个角度25]。

与网络鲁棒性的研究的深入,很多实例都证明了现代系统的行为是相互依存的。特别是,一旦分解系统,其他系统可能会影响它由于缺乏相互依存。开明,Buldyrev等人提出了一个框架,用于捕获的反应整个系统在故障子系统之间传播(26]。在过去的十年里,有大量的作品关注相互依赖的网络的鲁棒性分析。相互依存使得相互依存网络容易受到攻击;因此,Brummitt等人分析了相互依赖的网络的鲁棒性的变化对不同耦合概率(27]。以类似的方式,部分相互依存的网络进行更深入的研究(28- - - - - -31日]。除了数量的相互依存的关系,相互依赖的网络的鲁棒性和耦合参数根据节点负载(32),节点度(33),谐波亲密(34),也被彻底的探索。此外,考虑到单一网络的脆弱性进行有针对性的攻击,攻击策略旨在消除提出了相互依赖的网络的关键节点和边(35- - - - - -37]。许多作品揭示相互依存的网络比单一网络脆弱;因此,将等人提出了一种优化框架的最大化相互依赖的网络的鲁棒性优化的分布相互依存的链接(38]。高相互依存的网络,基于研究等人开发了一个网络的网络分析框架,指出它的健壮性是相互依存的影响与其他网络(39]。

在实践中,基于网络科学,许多研究已经进行了脆弱性评估的交通系统40- - - - - -43),电网(44,45),等等。此外,相互依存的网络也被广泛应用于实际系统的鲁棒性分析。作为典型的相互依赖的系统,评估的级联故障的鲁棒性和动态分析相互依存cyber-physical网络(46),相互依存的energy-physical网络(47),和相互依赖等国家网络48讨论了。

正如上面所讨论的,尽管相互依存的网络研究已经引起了极大关注,有一个相对缺乏调查机电整合系统从复杂网络的角度。到目前为止,工作(49,50]研究了机械电子系统的可靠性的基础上网络理论,但他们忽视的区别在各种组件。此外,机械电子系统的鲁棒性的反应(即在不同攻击策略。,删除节点、边和相互依存的链接)尚未彻底分析。为了解决这些问题,我们构建一个相互依存的machine-electricity-communication网络模型来描述单位相互依存的机电整合系统之间的关系。考虑不同节点的措施中,我们开发了攻击策略破坏节点,边缘,和相互依存的链接。此外,案例研究的数据是通过一个真实的相互依存的机电整合系统进行探索的反应这个系统受到上述攻击的鲁棒性策略改进的级联失效模型的考虑。根据仿真结果,我们分析攻击策略的效率影响的鲁棒性。

2。模型

2.1。相互依存Machine-Electricity-Communication网络

有很多方法模型的复杂系统,如实证方法、基于代理的方法,基于系统动力学的方法。在本文中,我们采用网络科学分析相互依存的机电整合系统的鲁棒性;因此,它被建模为一个相互依存的machine-electricity-communication网络(IMECN)组成的三个子网,也就是说,机器网络(MN),一个电力网络(EN),和一个通信网络(CN)。对于每一个子网,一个节点代表一个最低维护单位和优势代表功能单元之间的关系。如果紧固件(如螺栓、螺钉、焊接)连接设备(对应的节点 )与设备(对应的节点 ),节点与节点有优势机内的网络。以类似的方式,当存在一个两个单位之间的电流(包),相应的节点相连的边在电力网络(通信网络)。注意,如果节点和在不同子网表示相同的设备节点有一个互相依赖和节点链接吗依赖节点的节点反之亦然。也就是说,我们建立一个相互依存的网络一一对应。

2.2。在IMECN级联失效模型

现有的在相互依赖的网络的级联失效模型是基于渗流理论;然而,这个理论只考虑集群的最大的尺寸,也就是说,巨大的组件。为此,我们采用扩展的级联失效模型(51),认为这一事实nongiant组件也可以继续工作在特殊条件下实际上即使网络分为一些集群。在此改进模型,活性成分,要满足两个条件:(1)至少有一个相互依存的链接和其他两个子网,分别,(2)它的大小比例不小于阈值的比例是多少 ,的大小比例组件的等于子网大小规模的比例。如果一个组件都有一个小尺寸比例或没有从其他两个子网两个相关性链接,它将打破和级联故障将被触发,导致的节点和边(包括intralink和相互依存的链接)。由于缺乏相互依赖的环节,依赖节点失败的节点也被认为是不活跃的。级联失效过程停止,直到没有发生不活跃的组件。显然,更大的是,更有可能的级联故障是被触发。

2.3。攻击策略

在一个相互依存的网络,我们可以攻击三种元素,也就是说,该节点,边缘和相互依存的链接。一般来说,更重要的是攻击节点,边缘,和相互依赖的环节,越容易受到网络对他们的失败导致的级联故障。为此,我们量化节点的重要性,边缘,程度和相互依赖的环节,中间状态,节点的PageRank。这是因为这三个指标从不同方面捕获节点的特征。程度和中间状态可以反映出一个节点的局部和全局信息,分别和网页排名可以反映相邻节点的知识。因为一个节点的现有措施只反映其子网中的重要性,我们采用相互依赖的措施结合节点及其依赖节点的重要性。相互依存的程度 ,相互依存的中间状态 ,和相互依存的网页排名分别给出如下: 在哪里 程度,中间状态,节点的网页排名吗 ,分别。是依赖节点的节点的集合 。

根据工作(35),我们计算优先级攻击节点 ,这是定义如下: 在哪里 参数控制的力量相互依存程度,相互依存的中间状态,和相互依存的PageRank的节点 ,分别。根据工作(36),我们提出了优先级攻击的边缘的相互依赖的措施结束节点,定义如下:

基于优先级的定义攻击节点的边缘,并相互依存的链接,相应的攻击策略详细描述如下。通过不同参数的方程(2)和(3),我们就可以获得不同的攻击策略如表所示1。

节点和边下相应的攻击策略,分别一个一个删除的降序排列优先级在每个模拟步骤 。相互依存的链接攻击策略,结束节点的相互依赖的环节之一就是攻击的降序排列优先级的结束节点在每个模拟步骤 。

2.4。指标的鲁棒性

领域的复杂网络,现有研究已经提出了很多指标量化网络的鲁棒性。众所周知,相互依赖的网络的鲁棒性是衡量大小的巨型组件。考虑到大小的相互依存的网络边缘下攻击策略可能保持一定值,我们使用自然连接(NC) (52),以反映IMECN的鲁棒性,如下所示: 在哪里是相邻矩阵的特征值和在一个子网的节点数量。为简单起见,自然连接的网络攻击规范化后的初始网络之一。因此,鲁棒性在攻击策略定义如下: 在哪里 代表的自然连接机器的价值网络,电力网络和通信网络节点、边或相互依赖的链接分别攻击。显然,更大的 ,在攻击过程中IMECN更健壮。

3所示。案例研究

在地铁的一个主要选择在这个城市旅行。公共交通车辆(MTV)是一个关键的系统为地铁运送乘客。探索MTV的鲁棒性,我们建立相互依存的网络机器组成的网络,电力网络和通信网络的基础上,真实世界的数据,其数据如表所示2。我们可以发现,锰的规模是最大的,CN是最小的之一。这表明MTV主要由机械单位。此外,我们使用皮尔逊相关系数分析的分布相互依存的链接。的价值MN和EN约等于零,表明MN随机连接的节点的。然而,的价值MN与CN大大大于零,表明,结束节点的度的相互依存的MN和CN类似于彼此之间的联系。此外,相互依存的EN和CN之间的联系的分布类似于MN与CN。根据子网的拓扑,累积分布如图的学位1。

如图1,我们可以发现,大部分的节点有一个小的程度,而少数节点的高度三个子网。此外,程度大约是线性分布的重对数坐标图,这意味着学位三个子网的分布服从幂律分布。因此,结果表明,锰、EN、CN无标度性质。根据先前的研究,发现MN,恩,和CN很容易有针对性的攻击,而健壮的随机攻击。

使用的级联失效模型的基础上,很明显,大 ,更严重的级联故障的影响总体上相互依存的网络,所以我们的目标是调查下的鲁棒性攻击策略删除节点,边缘和相互依存的链接不同的值 。在这里,我们进行模拟攻击节点下 , ,和 。

在图2(一个),很明显的价值在IMECN ND显著减少的范围 ,但是在NDB比别人小,当减少为零是11。结果在 表明当级联故障不广泛,删除节点的高度更有害的早期阶段的网络的鲁棒性攻击,而失败的节点高度和中间性的鲁棒性是至关重要的。从图2 (b),我们可以观察到有效节点攻击策略的范围 ,和的值IMECN受到NB和平衡减少一分之零。当增加到一个较大的值(例如, ),图2 (c)描述曲线的ND低于其他人无论如何和IMECN变得瘫痪后五节点高度受到攻击,这意味着识别关键的程度是一个关键的衡量节点的失败有负面影响的情况下的鲁棒性的广泛传播失败。主要原因是高度分解的节点很容易与无标度特性这三个子网分割成一些集群,集群可能无法工作由于小尺寸比例或缺乏相互依存的链接。此外,我们可以看到在图2为不同的值 ,的IMECN NB (NP)大(后期)早期的攻击。这说明这些措施量化节点的重要性在整个相互依存的网络不能准确反映其故障的鲁棒性的影响。基于上面的讨论,我们发现它是有效的保持高度的鲁棒性,防止节点失败,尤其是严重的级联故障的情况下,开始攻击。

除了 ,我们也注意到鲁棒性的评估在攻击的整个过程,也就是说, 。的价值显示为不同的在图和攻击策略3。很明显,的值在IMECN NDB、平衡和ND是最小的 , ,和 ,分别,这也是符合的分析 。此外,有一个共同点,无论 ,下的健壮性IMECN NP是最强的。这是因为高PageRank节点倾向于相互联系。在这种情况下,尽管高PageRank节点故障,其相邻节点可能仍然与功能集群和维持正常运行。

在本节中,我们讨论下IMECN攻击的鲁棒性的边缘在不同的子网 。在图4(一),我们可以看到,没有攻击策略的差异优势 在 。然而,随着的增加 ,的价值在IMECN EP首先降低为零,表明攻击高PageRank的边缘节点之间更容易导致全面崩溃IMECN相比,与其他高攻击节点之间的措施。此外,IMECN EB仍保持高连通性 。有趣的是,在数据4(一)和4 (b),我们发现的值分别增加到0.2和0.4 EB的曲线是大大低于别人 。这一现象表明,边缘高中间性节点之间起着关键作用的鲁棒性的情况下大规模传播的级联故障。这是由于一个事实,即高中间性节点作为桥接节点链接不同的集群在大多数情况下。一旦这些节点之间的边分解,它可能将子网和触发级联故障。在教育方面,因为高度节点仍然是活跃的没有几边,发现不管高度的边缘节点的删除不会引起显著减少整个图的鲁棒性4。

在图5,我们可以观察到的价值在EP 是最小的,而在哪里 和 ,EB的价值小,也同意图的结果4。此外,每条边攻击策略的结果 类似于一个吗 。这是由于子网内的原因攻击边缘在一个特定的顺序往往形成集群规模小。此外,这些集群的大小比例小于0.2。因此,该集群可能无法工作略大 ,导致类似的结果吗 和 。此外,边攻击策略的价值更大(见图相比,节点攻击策略3)。也就是说,IMECN面对攻击的边缘具有更强的鲁棒性与一个面对攻击的节点,也同意我们的直觉。

先前的研究已经证明了相互依存的关系起着至关重要的作用在相互依赖的网络的鲁棒性。出于这个原因,我们分析了改变的价值根据不同的攻击策略消除相互依存的关系。从图6(一),它是发现的价值在IMECN ILD的范围是最小的 ,虽然有轻微的差异值相互依存的链接在其他范围的攻击策略 。作为增加到0.1在图6 (b),很明显,除去五相互依存的链接导致IMECN的总崩溃,这意味着IMECN受到ILD展品最明显的弱点。此外,从图6 (c),我们可以发现的情况 ,的价值在IMECN ILD仍然是最小的。上述结果表明,IMECN的鲁棒性是影响消除与高度相互依赖的节点之间的联系,无论什么是触发级联失效的可能性。

在本部分中,我们比较的值在IMECN相互依存的链接攻击策略不同 。从图7,它可以发现的价值在ILD是最小的不管 ,类似的分析是哪一个 。此外,ILD而言,的值在 不明显不同于那些在哪里 。这个结果意味着大多数的活动组件的大小比例在IMECN ILD在0到0.1之间。相反,其他六个相互依存的链接攻击策略,的值在 类似的吗 ,与的不同 。这一结果表明,几乎所有的失败的组件的大小比例在这些攻击策略的范围从0.1到0.2,这是比ILD下的情况。

比较的基础上受到攻击策略的节点,边缘和相互依存的链接(参见图3,5,7),我们发现的值受到攻击的策略有关的节点和相互依存的链接小于受到攻击的策略涉及不同的边缘 ,表明IMECN更敏感的鲁棒性攻击节点和相互依存的链接。的主要原因是,攻击节点的失败原因不止一个边缘一般来说,等同于攻击几个边缘。除此之外,在攻击策略的问题定义为相同的措施,的价值相互依存的链接攻击策略下略小于相应的节点攻击策略下的一个在大多数情况下,显示删除节点的相互依存的关系使得减少IMECN更高的鲁棒性与一个节点可能有相互依存的关系。

4所示。结论

相互依存的机电整合系统的能力来维持正常功能失败后是直接关系到我们生活的方方面面。本文模型一个相互依存的网络包括一台机器网络,电力网络和通信网络来表示这个系统。此外,在考虑相互依存的机械电子系统的特点,我们采用改进的级联失效模型。为了研究失败的影响不同的元素的鲁棒性,我们提出关于节点攻击策略,边缘,基于程度和相互依赖的环节,中间性和网页排名。基于一个真实的相互依存的机电整合系统与无标度性质,案例研究。仿真结果表明,最有效的节点攻击策略NDBP,平衡,和当 , ,和 ,分别。的优势攻击策略,EP和EB IMECN更脆弱的情况下 和 ,分别。此外,我们还发现攻击高度之间的相互依存的链接节点更有害的健壮性不管 。基于不同类型的攻击策略的比较,移除节点和相互依存的关系显著增加IMECN的脆弱性。在未来的工作中,我们将努力把物理参数(如电压、电流、等等)考虑评价的健壮性、攻击策略,和级联失效模型。尽管在MTV进行案例研究,我们提出的方法也可应用于其他实际的机电整合系统鲁棒性分析,例如,航天工业和制造业。综上所述,我们的研究可能有助于识别关键要素和设计的相互依存的机电整合系统对故障传播。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究受到了轨道交通控制与安全国家重点实验室(合同编号。RCS2019ZT007),北京交通大学。

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