基于复杂网络的电力光缆传输网脆弱性分析及优化

陈 文，任丽委

（1.六盘水供电局，贵州 六盘水553001；2.丽水供电公司，浙江 丽水323000）

对于复杂网络来说，鲁棒而又脆弱（robust yet fragile）是最基本和最重要的特征之一，采用复杂网络对电力光缆网络拓扑结构进行研究的目的主要是加强对网络运行模式的理解和解释，同时对故障进行分析，进而对电力光缆网络在这样的拓扑结构下是否坚强以及网络中是否存在脆弱环节需要加强进行评价。本文结合笔者的实际工作经验对基于复杂网络的电力光缆传输网络脆弱性进行分析。

1 基于电力光缆传输网络的复杂网络分析方法

实际网络拓扑特征（基于复杂网络理论）的分析步骤即：首先结合电力光缆传输网络拓扑结构建立数学模型，并在此基础上对网络的静态参数进行计算，同时进一步分析其统计特性，对与电力光缆传输网络相符合的模型及性质进行初步判断。然后，结合网络静态参数针对电力光缆传输网络展开故障仿真，并对网络的脆弱性进行评价，最后结合评价结果以及实际网络运行需要对网络结构进行优化。

2 复杂网络静态特性分析

网络参数主要由节点度、网络平均路径长度等组成。静态特性分析主要包括网络参数特性和相同规模的随机网络之间的对比，其主要目的是对实际网络的属性和应对故障的能力进行评判。网络结构稳定性理论证明了随机网络和规则网络均可看做是同质网络，随机故障和选择性故障的直接效果是相同的，对于长程联接来说，小世界网络的故障十分敏感，它的脆弱域辨识的关键就是长程联接的识别，无标度网络在随机性故障发生时容错性非常强，但是与此同时对选择性故障的抵抗能力较弱。

3 复杂网络鲁棒性与脆弱性分析

在复杂网络鲁棒性与脆弱性分析之中，一般情况下会使用有选择的移除和随机移除网络中节点或链路的方法，来对实际网络在网元故障条件下性能受影响的程度进行模拟和研究，这种方法在电力光缆传输网络故障分析中同样适用。电力光缆传输网络可靠性研究的重要内容就是抗攻击能力以及网络容错，首先需要按照相应的比例使网络中的站点设备失效，再对网络的连通性进行分析，在此基础上对已架设网络随机性故障下的容错能力进行评价。还有一种方法是在网络中选择一定比例的关键站点，结合仿真结果对这种网络故障下的脆弱性进行分析。其中前一种方法主要针对电力光缆传输网络中随机故障的承受能力，而第二种方法则主要对网络蓄意故障状态下呈现的脆弱性进行研究。

3.1 鲁棒性分析方法

首先对实际网络在数学模型基础上对网络链路或节点进行随机故障仿真，并对网络在随机故障下的通信效率和连通性进行考察，如图1所示。

图1 随机故障仿真步骤

对于网络中M条边的随机故障仿真与节点故障的仿真思路如图1，结合随机故障下的函数对特性曲线进行绘制，并对网络性能变化趋势进行分析，如果R值和E出现大幅降落的现象就说明网络对随机故障的脆弱性较强；如果R值和E降落的比较缓慢，就说明网络的容错能力较高。

3.2 脆弱性分析方法

脆弱性分析与选择性故障相对应，也就是说选择高介数和高度数的节点，使其在网络中失效，它的故障分析方法与上文的描述是相同的，如图2所示。

网络中已经失效的节点个数与网络总节点数的比值就是节点失效率，可以记为P，在对网络中二级店进行选择性故障仿真的时候，如果故障达到一定规模，网络传输效能就会大幅下降，所以网络中所有节点的失效是没有必要的，因此通常情况下会在脆弱性分析中选择p＜0.5的高度节点失效获得仿真结果。

图2 节点故障仿真步骤

4 网络优化

不管是对网络拓扑结构进行静态分析还是进行鲁棒性和脆弱性分析，其最终目的都是对网络中的脆弱环节进行辨识，进而对网络结构以及抵御故障能力进行优化。针对实际复杂网络进行的优化，一般都是建立在已有网络基础上的，以此为前提提出具体的有效提高网络性能的优化策略，并不是对一个网络进行重新设计与构建，很多情况下这种优化更适用于网络设计阶段，在实际复杂网络优化工作中往往并不适用。本文以电力光缆网络为例，在设计阶段有效提高运行网络抵御故障的能力，一般会从网络拓扑结构的优化、网络容量的优化以及路由策略的优化三方面着手，提出具体的优化方案，进行实验仿真，同时与链路费用等实际因素相结合，最终确定合理的优化方案。

5 结束语

综上所述，本文首先利用复杂网络理论知识对电力光缆网络鲁棒性及脆弱性进行分析，然后对网络优化的方法进行了探讨。复杂网络理论是一种新的研究电力光缆网络的手段，从系统论的角度来看，它不仅对网络局部细节进行了考虑，同时也从网络整体层次上对网络效能展开了评价，可以为同行业的相关研究提供一些借鉴或者参考。

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