复杂网络能控性研究
[Abstract]:The controllability of complex networks is a core problem in the study of complex networks. In the past decade, the research on controllability of complex networks has flourished and a large number of outstanding achievements have emerged. However, few people pay attention to the problem of the minimum controlled point set and the optimal input configuration of the directed network with arbitrary topology. This paper studies the minimum controlled point set and optimal input configuration in complex network structure, the minimum driving point set and controlled point set in complex network, and the controllability recovery of complex network structure. The main contents of this paper are as follows: aiming at the problem that the least number of driving nodes under different input control does not guarantee the network controllability, the problem of the minimum set of controlled points and the optimal input configuration of the network is studied. Firstly, it is proved that whether the least drive nodes can be controlled by different inputs can guarantee the controllability of the network and whether the network contains unreachable and strongly connected components with perfect matching. Secondly, considering the input reachability and perfect matching condition of network structure, It is pointed out that the key to solve the minimum controlled point set and the optimal input configuration of the network is to find the minimum unmatched node set with the largest intersection and the minimum unreachable state node set. Considering that complex networks generally have large-scale characteristics, A combinatorial optimization algorithm with constraints and a polynomial algorithm based on maximum weight perfect matching are proposed to solve the minimum unmatched node set and the minimum unreachable state node set with maximum intersection. Simulation results on some models and empirical networks show that the structural controllability of the network is related to whether the network contains unreachable strongly connected components with perfect matching. This result is helpful to better understand the relationship between network controllability and network topology. The research framework of complex network structure controllability is not suitable for the controllability of directed weighted or undirected networks, and is based on the precise controllability of complex networks proposed by Yuan et al. The minimum set of driving points and the set of controlled points in complex networks are studied. Firstly, it is shown that the control forces of different sets of minimum driving points are different to the network, and the concept of node control force is introduced to measure the role of nodes in network controllability. Secondly, according to the control force of nodes, an algorithm for solving the minimum set of driving points is given. Experimental results on some models and empirical networks show that the minimum set of driving points solved by this algorithm can ensure the precise controllability of the networks in many models and practical networks. Finally, for the case that the minimum set of driving points can not guarantee the controllability of the network in some networks, and the problem of solving the minimum controlled set of precisely controllable points of the network has been proved to be the status quo of NP-hard. A heuristic algorithm for solving the set of controlled points is presented. For a completely controllable network, malicious attacks or random nodes, even the edge failure may destroy the controllability of the network. The concept of controllability deficiency is introduced to measure the degree of network controllability. A network repair algorithm is proposed for networks with controllable deficiency greater than zero around the minimum input and the least number of nodes that need to be controlled. In real networks and ER stochastic networks, the simulation results on BA scale-free networks show that the cost of repairing complex networks is closely related to the network topology.
【学位授予单位】:青岛大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:O157.5
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,本文编号:2419108
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