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网络鲁棒性、渗流与级联失效05 / 17

鲁棒性度量:R 指标与功能性指标

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单个阈值 fcf_c 只描述“网络何时完全碎裂”,忽略了崩溃之前的损伤程度。两个网络可能有相同的 fcf_c,但其中一个在删去 5% 的节点后就失去一半节点的连通。

R 指标(Schneider 等 2011,PNAS):按自适应度攻击逐个删除节点,记 s(Q)s(Q) 为删去 QQ 个节点后最大连通分支的节点比例, R=1N∑Q=1Ns(Q).R=\frac{1}{N}\sum_{Q=1}^{N}s(Q). RR 即攻击曲线下的面积,取值约在 1/N1/N(星形网络)到 1/21/2(完全图)之间,可以比较不同规模的网络。对随机失效或其他攻击策略同样可以定义类似的曲线下面积。

手算例:N=5N=5 的星形网络,第一步删掉中心,此后每个剩余节点都孤立:s(1)=…=s(4)=1/5s(1)=\dots=s(4)=1/5,s(5)=0s(5)=0,R=4/25=0.16R=4/25=0.16。N=5N=5 的路径 0–1–2–3–4,按介数先删中点 2,剩下两段长度为 2 的路径:s(1)=2/5s(1)=2/5;再删 1 得 s(2)=2/5s(2)=2/5;随后 s(3)=s(4)=1/5s(3)=s(4)=1/5,s(5)=0s(5)=0,R=6/25=0.24R=6/25=0.24。路径比星形“更鲁棒”,因为它没有单点故障。

其他常用指标:

指标 定义 适用场景
P∞(f)P_\infty(f) 曲线与 fcf_c 最大分支比例随删除比例的变化 渗流意义上的整体连通
全局效率 E=1N(N−1)∑i≠j1/dijE=\frac{1}{N(N-1)}\sum_{i\ne j}1/d_{ij} 删除后效率下降比例 不连通网络也有定义;脑网络常用
平均路径长度、直径 Albert 等(2000)使用 只在连通分支内定义
第二大分支、团簇大小分布 临界点附近达到峰值 判定 fcf_c
功能指标 代谢网络的生物量合成、信号网络的输入–输出可达性 生物医学问题首选