复杂网络上交通过程的动态特性研究

论文摘要

网络是节点和连边的集合。现实生活中存在着多种不同的网络,网络在人们的生活中发挥着重要的作用,如互联网、通讯网、道路交通网络等。这些网络系统都可以抽象成由许多相互作用的个体组成的网络模型,从真实网络系统中抽象出来的网络统称为复杂网络。复杂网络是研究复杂系统的一门新兴学科,近几年受到了国内外众多学者的广泛关注。如今,得到广泛研究的网络系统有:互联网、万维网、无线通讯网、城市道路网、航空网、电力网、科研合作网、蛋白质相互作用网等等。网络系统的研究不仅对人们的工作和生活至关重要,而且推动了统计物理、应用数学、非线性动力学、计算机科学、社会学和生物学等多学科的交叉。因此,复杂网络研究具有重大的理论价值。研究复杂网络的目的是为了了解各种真实网络的功能,而网络的功能可以通过研究网络上的动力学过程的特性来反映。其中交通动力学过程是复杂网络的一个重要研究课题。本文中,我们对复杂网络的交通动力学进行了系统的研究,包括了网络交通路由策略研究、网络交通迟滞现象研究、网络交通资源优化研究和交通资源有限时的优化路由策略研究。本文的主要工作如下。分别研究了基于局部信息的局部路由策略、基于全局信息的全局路由策略。在局部路由方面,我们根据蚁群的信息素原理,提出了信息素路由策略,和前人提出的局部路由策略相比,使用信息素路由策略,网络能达到更大的临界信息包产生率。在全局路由方面,我们提出了全局动态路由、联合路由和全局信息素路由。(I)全局动态路由:节点之间的路径是由路径上节点中的信息包排队长度决定的。和其它全局路由相比,全局动态路由能大大的提高网络的传输效率。(II)全局信息素路由:为了避免全局动态路由中不断更新路径列表的问题,我们探索出全局信息素路由策略。全局信息素路由属于静态路由,即两个不同节点之间的路径一旦确定,这两个节点之间所有的信息包将始终按照该路径进行传输。和全局动态路由相比,使用全局信息素路由时,网络临界信息包产生率相对略小,但是全局信息素路由避免了更新路径列表,因此节省了计算资源。(III)联合路由策略:在现实交通系统中,信息包或车辆在选择目的地都有一定的偏好性。根据这种情况,我们提出了适应目的地选择偏好性的联合路由策略,其基本思想是去不同目的地节点的信息包分别使用不同的路由策略进行传送,其结果使得网络的临界信息包产生率有了很大的提高。系统的研究了节点容量有限时,无标度网络、小世界网络和规则网络上出现的交通迟滞现象。我们发现在使用局部路由策略时,小世界网络和规则网络中出现迟滞现象的原因是由于节点处理能力有限,但在无标度网络中出现迟滞现象和节点处理能力没有关系。在使用全局路由策略时,无标度网络、小世界网络和规则网络上出现的迟滞现象和节点处理能力没有关系,即使节点处理能力无限大,迟滞现象同样会出现。探讨了网络交通资源的优化分配。分别研究了节点处理能力资源、连边带宽资源和节点容量资源的优化分配。发现这三种资源按节点(连边)的介数来分配是最优的,并且通过理论分析证明了,当节点处理能力资源按节点介数(连边带宽资源按连边介数)分配并且使用最短路径路由时,网络的临界信息包产生率能达到最大值。在前人提出的节点处理能力资源有限的优化路由策略的基础上,我们分别提出了连边带宽资源有限的优化路由策略,及节点容量资源有限的优化路由策略。在不同结构的网络上使用这两种优化路由策略,网络的临界信息包产生率及信息包流量比其它路由策略都要大很多。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 复杂网络交通研究的背景和意义
• 1.2 复杂网络研究的一些基本概念和物理模型
• 1.2.1 复杂网络的基本概念
• 1.2.2 几种常见的网络模型及其特性
• 1.2.3 实际网络的结构特性
• 1.3 复杂网络中的交通动力学研究概况
• 1.3.1 网络交通动态特性研究
• 1.3.2 网络交通路由策略研究
• 1.4 本文的工作
• 第二章 基于局部信息的网络交通路由策略研究
• 2.1 局部信息交通动力学简介
• 2.1.1 路由策略研究背景
• 2.1.2 局部信息路由策略简介
• 2.2 信息素路由策略
• 2.2.1 蚁群信息素简介
• 2.2.2 信息素路由策略模型
• 2.2.3 数值模拟及分析
• 2.3 本章小结
• 第三章 基于全局信息的网络交通路由策略研究
• 3.1 全局信息交通动力学研究简介
• 3.2 全局动态路由策略
• 3.2.1 全局动态路由策略的提出
• 3.2.2 数值模拟及分析
• 3.2.3 全局动态路由的延迟更新效应
• 3.3 全局信息素路由策略
• 3.3.1 全局信息素路由的提出
• 3.3.2 网络交通模拟及分析
• 3.4 联合路由策略
• 3.4.1 联合路由策略模型
• 3.4.2 数值模拟及分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 网络交通迟滞现象研究
• 4.1 什么是迟滞现象
• 4.2 局部路由中的迟滞现象
• 4.2.1 网络模型
• 4.2.2 数值模拟及分析
• 4.3 全局路由中的迟滞现象
• 4.3.1 网络模型及交通模型
• 4.3.2 数值模拟及分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 交通资源优化配置研究
• 5.1 网络中交通资源分配研究简介
• 5.2 网络中节点处理能力资源的优化分配
• 5.2.1 理论分析
• 5.2.2 模拟结果及分析
• 5.3 带宽资源的优化分配
• 5.3.1 局部路由带宽资源优化分配
• 5.3.2 全局路由带宽资源优化分配
• 5.4 带宽资源与节点处理能力资源的匹配问题
• 5.5 节点容量资源的优化分配
• 5.5.1 节点容量分配方法简介
• 5.5.2 模拟结果及分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 网络资源有限情况下的路由策略研究
• 6.1 节点容量有限的网络交通模型简介
• 6.2 节点容量有限的优化路由策略
• 6.2.1 优化路由算法
• 6.2.2 模拟结果及分析
• 6.3 连边带宽有限的优化路由策略
• 6.3.1 交通模型和优化路由模型
• 6.3.2 模拟结果
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文的工作总结和主要创新
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间完成的论文