依赖网络系统混合级联故障下系统可靠性提高与弹性的组合优化

题目：Combined optimization of system reliability improvement and resilience with mixed cascading failures in dependent network systems

作者：Jian Zhou
关键词: 级联故障 网络依赖 硬化与修复的联合优化弹性增强

摘要

现代社会的有效运行在很大程度上依赖于具有网络化结构的关键基础设施的可靠运行。这些网络系统的弹性成为一个非常值得关注的问题，因为日益复杂的网络依赖性导致了现实世界网络系统中破坏性的级联故障，尽管这种情况并不常见。传统上，系统加固和恢复是依次使用的，以减少系统故障的影响，而它可能不能有效地减轻依赖网络系统中的级联故障。建立了一种新的级联故障模型，该模型考虑了与网络依赖性相关的局部和全局网络负载重分配导致的多重故障的混合。提出了一个联合优化网络系统加固和恢复的框架，以提高对混合级联故障的恢复能力。该框架旨在最小化总成本，包括系统加固成本、恢复成本和级联故障造成的经济损失。在案例研究中，从电网综合恢复能力的角度探讨了发输电系统级联故障对配电系统的影响。为了解决这一随机问题，提出了混合整数遗传算法。结果表明，这项研究可以为如何从未来不可预见的级联故障中经济有效地减轻和恢复现实生活中的依赖网络系统提供见解。

1引言

本文建立了一个新的模型来描述由局部和全局网络负荷重分配和网络依赖性引发的多重故障的级联。提出了一个同时优化网络加固和恢复的框架，以最小的成本提高弹性。分析了混合级联故障时电网的整体恢复能力。除了弹性损失度量外，还应用机会约束概率(CCP)和网络连通性来评估案例研究中提出的框架。本文还研究了网络依赖性对系统加固和恢复有效性的影响。
本文的要点如下:第2节介绍了依赖网络的混合级联故障模型。在第3节中，提出了一个新的框架，用于联合优化网络硬化和恢复以提高弹性。第4节给出了验证所提出的级联失效模型和优化框架的案例研究。第5节最后讨论了主要研究成果和未来的工作。

2. 混合级联失效模型

已经提出了局部和全局负载再分配模型来描述系统负载动态如何影响级联故障。局部负载重分配意味着故障的系统节点主要影响其功能的相邻节点。它假设故障节点上的负载是局部重新分配的，因此只有邻居中的功能节点受到影响，并且可能过载。全局负载重分配模型假设系统组件故障可能会对不受局部约束的功能组件造成负载干扰，即组件故障会在全局范围内启动网络负载重分配。这两种负载重分配行为在一些现实世界的系统中同时存在，而当前的级联故障模型很少考虑或没有适当地描述这一现象。在本节中，提出了一种混合级联失效模型，该模型考虑了与系统依赖性相关的局部和全局负载再分配的影响。

2.1. 初步描述

对于节点故障后的全局负载重新分配，当依赖集群中出现新的节点故障时，故障节点上的部分负载被转移到同一依赖集群中的功能节点上，这些节点可能不在故障节点的邻域内。因此，全局负载重分配的影响主要来自于系统依赖性。每个节点都有一定的节点容量，这是它在不发生拥塞的情况下所能处理的最大负载。每当节点负载超过节点容量时，节点就会以过载状态发生故障。此外，当节点与网络中连接最大的组件断开连接时，节点将无法正常工作它是基于在一些实际应用中观察到的类似渗透的过程。

图1表明，一旦与LCC断开连接，系统节点就会失去功能。根据提出的模型，考虑到渗透特征以及与系统依赖性相关的局部和全局负载动态的联合影响，探索了混合级联故障。该新模型捕捉了不同依赖网络系统中级联故障的一些基本特征以及有关负载动态的恢复过程，从而大大提高了其适用性。当一个故障的系统节点i被恢复时，一些负载被假设从其功能邻近节点和同一集群中的依赖节点转移回节点i，这些节点之前在节点i故障时接收了来自节点i的负载。这一假设有助于理解具有负载动态和多依赖的网络系统中的故障传播机制和恢复过程。