基于网络同步方法的复杂网络拓扑识别

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复杂网络是21世纪人类的重点研究课题。网络的同步与控制则是复杂网络科学研究中极为关键的环节,其对于确保网络的稳定性至关重要,由于其在保密通信、网络拥塞控制、卫星定位导航以及多智能体系统一致性等领域均有着广阔的应用前景,因此得到了学者们的广泛关注。另一方面,复杂网络的拓扑结构对其功能行为演化起到了至关重要的作用,不同拓扑结构下网络的功能行为往往存在很大差异,鉴于此学者们进行复杂网络相关方向的研究时往往需要首先了解网络的具体拓扑结构。然而,在现实世界中,很多情况下复杂网络的拓扑结构是未知或不确定的。因此,对复杂网络未知拓扑结构进行有效识别有重要的实际应用需求。相比于传统的拓扑结构识别方法,采用基于网络同步的方法来识别拓扑结构具有简单易行、识别效果好、计算复杂度较低等优点。因而,对基于网络同步方法的拓扑结构识别技术进行研究具有很重要的理论意义及实际应用价值。本文主要研究了复杂动力网络的同步与控制以及基于网络同步方法的复杂网络未知拓扑结构识别。本文的主要研究工作和创新之处可概括如下:(1)针对具有未知节点动力学参数、非恒同时变节点时滞和耦合时滞的驱动-响应复杂动态网络,提出一种基于新型非周期间歇-牵制控制器的驱动-响应网络修正投影同步方案。由于间歇-牵制控制技术的引入,使得方案的控制成本大大降低,同时该方案的控制周期,控制时间比率均可根据实际情况灵活调节,此外,该方案可有效应对未知节点动力学参数和非恒同时变时滞因素的干扰。因而方案具有较高的工作效率、灵活性与抗干扰能力,进而具备较强的实际工程应用价值。最后通过小世界网络和无标度网络下的数值仿真实验,验证了理论结果的正确性和方案的有效性。(2)基于Lyapunov稳定性理论,提出基于广义滞后同步的复杂动态网络拓扑结构识别方案,针对节点参数和拓扑结构未知的含噪含时变时滞线性耦合复杂动力网络,设计新型的自适应控制器,在驱动-响应网络实现同步的基础上,实现未知参数和未知拓扑结构的识别。与已有方案相比,该方案可在非恒同时变时滞和噪声因素的干扰下实现同步和识别,因而其具有较强的抗干扰能力。此外方案允许驱动与响应网络节点不同,例如,可以通过构造造价较低的低维混沌系统网络识别造价昂贵的高维超混沌保密通信网络的未知拓扑结构,因此,该方案对于降低识别成本起到了积极的作用。理论分析和数值仿真验证了该方案可以有效实现驱动-响应网络同步和未知拓扑结构的识别,且可以实时在线追踪演化的网络拓扑结构。与此同时,我们还详细讨论了时滞和噪声对驱动-响应网络的同步和拓扑结构识别的影响,并通过仿真实验对比分析不同大小的时滞因素和不同强度噪声干扰下的实验结果后发现,适度的时滞和噪声可以在很大程度上增强拓扑结构的识别效果。
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