Расчет надежности протяженных трехсвязных сетей

Автор: Перминов П.О., Мигов Д.А.

Журнал: Проблемы информатики @problem-info

Рубрика: Теоретическая и системная информатика

Статья в выпуске: 2 (63), 2024 года.

Бесплатный доступ

Рассматривается задача расчета вероятности связности протяженных сетей с ненадежными каналами связи. Точный расчет данного показателя - NP-трудная задача, что делает его затруднительным для сетей реальной размерности. Предполагается, что сеть имеет протяженную структуру, что характерно для сетей, расположенных в шахтах, кораблях, других протяженных обьектов, а также линейных беспроводных сенсорных сетей, предназначенных для мониторинга различных протяженных объектов, таких как трубопроводы. В отличие от ранее исследованного нами случая двусвязной сети, здесь мы предполагаем, что сеть трехсвязная и имеет группу поперечных сечений, т. е. вершинных разрезов. Для ускорения расчета надежности подобных сетей предлагается использовать структурную декомпозиции сети на основе формулы разложения по трехвершинному сечению. Этот метод, с использованием рекурсивного обхода сечений, ускоряет расчет надежности протяженных сетей по сравнению с известными методами. Результаты численных экспериментов подтверждают эффективность предлагаемого подхода.

Еще

Надежность сети, случайный граф, трехсвязный граф, вероятность связности, метод факторизации, декомпозиция сети, сечение, сепаратор

Короткий адрес: https://sciup.org/143183457

IDR: 143183457   |   УДК: 621.311.1+519.17   |   DOI: 10.24412/2073-0667-2024-2-5-15

Calculation of the reliability of extended tri-connected networks

When analyzing the reliability of networks for various purposes, the apparatus of random graphs is usually used. The most common indicator of reliability is the probability of connectivity of a random graph with unreliable edges, which describes the reliability of a network in terms of the ability to establish a connection between each pair of network nodes. However, the problem of calculating the probability of network connectivity is NP-hard. To reduce the dimensional when carrying out precise calculations, methods based on the use of structural features of networks are widely used, primarily various methods of reduction and decomposition. Networks with an extended structure are used in number of applications. These are, for example, networks located in extended objects - mines, ships, other objects. Linear wireless sensor networks, designed for monitoring various long-distance objects, such as pipelines, bridges, roads, also have an extended structure. Despite their linear physical structure, the topological graph of such a network can be either linear or non-linear, since wireless communication channels are possible not only between the nearest neighboring nodes. For example, if each node can communicate with three nodes on the right and three nodes on the left, we obtain a network containing a group of three-vertex cross separators. If the graph of an extended network is linear, then calculating its probabilistic connectivity is not difficult. The use of a serial-parallel transformation, or other techniques, allows us to make the calculation within polynomial complexity. If the network graph is biconnected and contains a separators of two nodes, then the calculation can be significantly accelerated by using decomposition along these separators. In this paper, we study the possibility of quickly calculating the reliability of extended three-connected networks using decomposition according to the previously proposed formula. Such decomposition will lead to the production of 10 new extended graphs of a smaller size. As experiments have shown, this approach is quite effective and makes it possible to calculate the reliability of extended networks, for which it is not possible to calculate the reliability using an accurate method.

Еще

Список литературы Расчет надежности протяженных трехсвязных сетей

  • Жуковский М. Е., Райгородский А. М. Случайные графы: модели и предельные характеристики // Успехи математических наук. 2015. Т. 70. № 1 (421). С. 35–88.
  • Мочалов В. А., Мочалова А. В. Применение экспертных систем для расчета вероятности связности между узлами графа // В сборнике: Гибридные и синергетические интеллектуальные системы. Материалы V Всероссийской Поспеловской конференции с международным участием. Под редакцией А. В. Колесникова. 2020. С. 226–235.
  • Родионов А. С. Можно ли добиться дальнейшего ускорения расчета характеристик связности случайного графа? // Проблемы информатики. 2022. № 4 (57). С. 39–52.
  • Valiant L. The complexity of enumeration and reliability problems. // SIAM Journal on Computing. 1979. T. 8. N 3. P. 410–421.
  • Rodionova O. K., Rodionov A. S., Choo H. Network probabilistic connectivity: exact calculation with use of chains // Lecture Notes in Computer Science. 2004. Т. 3045. С. 315–324.
  • Satyanarayana A., Wood R. K. A linear-time algorithm for computing K—terminal reliability in series-parallel networks // SIAM. J. Comput. 1985. T. 14. P. 818–883.
  • Migov D., Rodionova O., Rodionov A., Choo H. Network probabilistic connectivity: using node cuts // Springer Lecture Notes in Computer Science (in EUC Workshops). V. 4097, 2006, P. 702–709.
  • Тарханова О. Ю., Шахов В. В. К вопросу оценки эффективности беспроводных сенсорных сетей // Проблемы информатики. 2020. № 1 (46). С. 35–65.
  • Фархадов М. П. О., Блинова О. В., Васьковский С. В. Оценка надежности системы связи с подвижными узлами // Датчики и системы. 2018. № 5 (225). С. 3–8.
  • Шахов В. В., Чен Х., Юргенсон А. Н., Лошкарев А. В. К вопросу оценки надежности линейных беспроводных сенсорных сетей // Проблемы информатики. 2022. № 4 (57). С. 120–128.
  • Mohamed N., Al-Jaroodi J., Jawhar I., Lazarova-Molnar S. Failure impact on coverage in linear wireless sensor networks // 2013 International Symposium on Performance Evaluation of Computer and Telecommunication Systems (SPECTS), Toronto, ON, Canada. IEEE Press, 2013. P. 188–195.
  • Мигов. Д. А. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук «Расчет вероятности связности случайного графа с применением сечений». Новосибирск: ИВМиМГ СО РАН. 2008. 97 с.
  • Мигов Д. А. Использование вершинных разрезов для точного вычисления вероятности связности сети // Труды Международной конференции «Вычислительные и информационные технологии в науке, технике и образовании» (Павлодар, 20–22 сентября 2006 года). Том II. С. 51–58.
  • Page L. B., Perry J. E. A Practical Implementation of the Factoring Theorem for Network Reliability // IEEE transactions on reliability. 1988. V. 37, N 3. P. 259–267.
  • Мигов Д. А. Декомпозиция сети по сечениям при расчете ее надежности // Прикладная дискретная математика. 2020. № 47. С. 62–86. DOI: 10.17223/20710410/47/6.
  • Burgos J. M. Factorization of network reliability with perfect nodes II: Connectivity matrix // Discrete Applied Mathematics. 2016. V. 198. P. 91–100.
Еще