复杂动态网络的同步控制与识别理论与方法

推荐2016年度国家自然科学奖公示：项目名称：复杂动态网络的同步、控制与识别理论与方法推荐单位：中国科学院主要完成人：吕金虎(中国科学院数学与系统科学研究院)，虞文武(东南大学)，陈关荣(香港城市大学)，陆君安(武汉大学)，周进(武汉大学)三、项目简介当今世界是网络的世界，复杂动态网络在各种重大工程系统中发挥了核心关键作用。中国北斗地基增强系统的瓶颈之一是要解决复杂动态网络的构网问题。2015年，美国国防部将基于社交网络的人类行为计算模型研究列入六大颠覆性基础研究领域之一。这些都说明复杂动态网络的同步、控制与识别已成为具有共性的重大科学问题，迫切需要发展新理论与新方法。项目组1998年开始关注复杂动态网络这一新领域，是国内外最早系统从事复杂动态网络研究的小组之一。师生三代人经过18年协同攻关，不仅在复杂动态网络的同步、控制与识别的几个瓶颈问题上取得了关键性突破，而且服务于国家重大战略需求。主要创新点包括：1)突破传统静态网络同步的根本局限性，首次揭示了一类典型时变复杂动态网络同步的普适性规律，证明了时变复杂网络的同步本质上由该网络的内耦合矩阵和外耦合矩阵的特征根及其特征向量所决定。代表性论文1是时变复杂动态网络同步的最早文献之一，被D.Li院士在IEEETCAS-II上称为“severalimportantmilestones”之一。2)克服由于网络规模大导致的耦合矩阵特征值摄动的本质困难，解决了复杂动态网络牵制控制中的核心关键科学问题，给出了一类典型复杂动态网络的耦合强度、牵制节点数与控制增益之间的定量关系。3)突破单节点获取网络全局信息的关键瓶颈，创造性地将分布式演化规律引入复杂动态网络的结构调控上，给出了一类不确定性复杂动态网络自适应同步与参数识别的基本准则，揭示了网络结构识别的内在机理。4)复杂动态网络的同步、控制与识别实现了理论与应用的结合，与武汉大学\o"国家卫星定位系统工程技术研究中心"国家卫星定位系统工程技术研究中心合作服务于国家重大战略需求，为北斗地基增强系统的厘米级服务的构网法则、可靠性和完备性提供了关键理论支撑。20篇主要论文大部分发表在IEEE和SIAM会刊及Automatica等本学科著名期刊，SCI他引2852次，其中15篇ESI高被引论文(Top1%)。8篇代表性论文SCI他引1739次，全部为ESI高被引论文，其中5篇SCI他引超200次。20篇主要论文被58个国家或地区的学者(A.L.Barabasi、T.Vicsek、J.Kurths等40多位院士或Fellow)在Nature、Nature子刊等引用，其中控制理论著名期刊IEEETAC、Automatica、SIAMJCO引用180次及其他IEEE会刊405次。Science编辑A.Cho特邀项目成员对Nature封面论文做专题评述。获中国百篇最具影响国际学术论文奖、亚洲控制会议最佳论文奖、中国物理学会最有影响论文一等奖等。项目成员过去18年应邀做大会或特邀报告100余次。3名成员2014和2015入选汤森路透全球“高被引科学家”(中国学者134人和148人)。第一完成人因在复杂网络领域的贡献当选IEEEFellow(2012)并获何梁何利科学与技术进步奖(2015)、中国工程院光华工程科技奖(2012)、中科院青年科学家奖(2014)，任IEEECASS的IEEEFellow评委会委员及IEEE工业电子年会大会主席、6个IEEE会刊编委。陈关荣获法国勒阿弗尔大学荣誉博士(2014)，当选欧洲科学院院士(2014)和发展中国家科学院院士(2015)。获国家杰青(结题优秀)和优秀青年基金各1项，培养全国优博及提名各2篇、湖北省优博3篇。部分成果获湖北省自然科学一等奖(2013)和江苏省科学技术一等奖(2010)。

五、客观评价8篇代表性论文SCI他引1739次，全部为ESI高被引论文(Top1%)，其中7篇SCI他引超100次，5篇SCI他引超200次，单篇SCI最高他引385次。20篇主要论文SCI他引2852次，15篇ESI高被引论文。20篇主要论文被58个国家或地区的学者(A.L.Barabasi、T.Vicsek、J.Kurths等40多位院士或Fellow)在Nature、NatureCommunication、NaturePhysics、IEEE会刊等引用，其中控制理论著名期刊IEEETAC、Automatica、SIAMJCO引用180次及其他IEEE会刊405次。【详见图片附件1】陈关荣院士应Science杂志编辑A.Cho的邀请对Nature封面论文(2011,473:167-173)做专题评述。相关部分成果获湖北省自然科学一等奖(2013)、江苏省科学技术一等奖(2010)、中国百篇最具影响国际学术论文奖、亚洲控制会议最佳论文奖、中国物理学会最有影响论文一等奖、IEEEICNSC最佳学生论文奖、全国优博提名奖2篇、湖北省优博3篇等。3名项目成员入选2014和2015汤森路透全球“高被引科学家”(中国学者分别134人和148人)。项目成员当选欧洲科学院院士(2014)和发展中国家科学院院士(2015)，获法国勒阿弗尔大学荣誉博士(2014)、何梁何利科学与技术进步奖(2015)、国家杰出青年科学基金(结题优秀)和优秀青年科学基金各1项。理论成果服务于国家重大战略需求和国际公益事业。代表性评价如下：1)2012年11月，吕金虎研究员当选IEEEFellow，IEEE的颁奖词为“forcontributionstocomplexnetworksandnonlinearcircuitsandsystems(由于复杂网络和非线性电路与系统方面的贡献)”。【详见图片附件5】第一完成人2013年首次应邀担任IEEE电路与系统学会IEEEFellow评审委员会委员（中国大陆首位担任该重要学术职位的学者）；担任IEEE工业电子年会大会主席(IECON2017,43年来中国首次)；担任6个IEEE会刊：IEEETCAS-I,TCAS-II,TIE,TII,TNN,TBioCAS的AssociateEditor。【详见图片附件12-15】2)中国工程院李德毅院士在权威期刊IEEETrans.CircuitsSyst.II的评价：“Thereareseveralimportantmilestonesinthedevelopmentofsynchronizationofcomplexnetworks,includingsynchronizationoftime-varyingnetworks[3]…(复杂网络同步的发展历程中有几个重要的里程碑，包括时变网络同步[文献3：代表性论文1])”【详见代表引文1】3)IEEEFellow、IFACFellow、美国德克萨斯大学阿灵顿分校F.L.Lewis教授在Automatica(JCR一区期刊)的评价：“AmethodforadaptivetuningofcouplinggainswaspresentedinYuetal.(2009)(虞等在[2009，代表性论文3]中提出了一种耦合增益自适应调整方法).”【详见代表引文6】4)IEEEFellow、IFACFellow、AAASFellow、IEEETCST主编、美国加州大学圣塔芭芭拉分校F.J.DoyleIII教授在Automatica的评价：“UsingLyapunovanalysis,theauthorsinZhou,Lu,andLü(2008)derivedpinningcontrollerstogloballysynchronizeanetwork(应用Lyapunov分析的方法，周、陆和吕[2008，代表性论文4])导出一个网络实现全局同步的牵制控制器).”【详见代表引文7】5)IEEEFellow、美国麻省理工学院G.C.Verghese教授在IEEETrans.CircuitsSyst.I(JCR一区期刊)的评价：“Theauthorsof[20]studytheabilityofasmall-worldnetworktosynchronize,aswellasitsrobustnessunderattacks([文献20：代表性论文5]的作者研究了小世界网络的同步能力，以及上述网络面临攻击的鲁棒性).”【详见代表引文3】6)IEEEFellow、台湾清华大学B.-S.Chen教授在BMCSyst.Bio.(JCR一区期刊)的评价：“In[23,24],theconceptsofsensitiveedgeandrobustedgeareusedtoanalyzetherobustnessandfragilityofsynchronization.Thentheauthorswanttoincreasetherobustnessofsynchronizationbyitsassociatedfeedbackloopstoprotectagainstattackstothecomplexnetworks.Further,therobustsynchronizationdesignsofcomplextime-delayednetworksarealsodiscussedin[25,26]toincreasetherobustnessofsynchronizationtotoleratetime-delaysandprotectagainstattackstothenetworks(在[文献23：代表性论文1,文献24：代表性论文5]中，敏感边和鲁棒边的概念被用于分析同步的脆弱性和鲁棒性。作者希望通过系统的附属反馈回路保护复杂网络免受袭击从而增加同步的鲁棒性。[文献25：代表性论文7,文献26：主要论文目录(TCAS-II,2008)]中讨论了复杂时延网络的鲁棒同步设计被用于增加同步鲁棒性，从而容忍时延和保护网络免受攻击).”【详见代表引文8】7)中国工程院孙优贤院士在国际著名期刊PhysicaA[2007,383:704]评价：“Lü[18]consideredperiodicorbitssynchronizationofatime-varyingdynamicalnetworkmodel.(吕等[文献18：代表性论文1]考虑了一个时变动力网络模型的周期轨同步).”【详见图片附件18】8)欧洲科学院院士、APSFellow、德国\o"柏林洪堡大学"洪堡大学J.Kurths教授在IEEETrans.Cybernetics[2013,43(2):649](JCR一区期刊)的评价：“Amainquestioninpinningcontrolishowmanyandwhattypeofnodesshouldbecontrolledtoforcethewholenetworktothedesiredstate[44]–[46].Todealwiththisproblem,pinningadaptivecontrolandadaptivetuningofthecouplingstrengthhavebeenproposed[47],[48](牵制控制的一个主要问题是多少个和什么类型节点应该被控制来驱动整个网络达到想要状态[44-46]。为了处理上述问题，[文献47、48：代表性论文4、3]分别提出了牵制自适应控制和耦合强度的自适应调整).”【详见图片附件19】

8篇代表性论文目录1.Lu,JH;Chen,GR,Atime-varyingcomplexdynamicalnetworkmodelanditscontrolledsynchronizationcriteria,IEEETRANSACTIONSONAUTOMATICCONTROL,

卷:50

期:6页:841-846,JUN2005.2.Zhou,J;Lu,JA;Lu,JH,Adaptivesynchronizationofanuncertaincomplexdynamicalnetwork,IEEETRANSACTIONSONAUTOMATICCONTROL,

卷:51

期:4页:652-656,APR2006.3Yu,WW;Chen,GR;Lu,JH,Onpinningsynchronizationofcomplexdynamicalnetworks,AUTOMATICA

,:45(2):429-435,FEB20094Zhou,J;Lu,JA;Lu,JH:Pinningadaptivesynchronizationofageneralcomplexdynamicalnetwork,AUTOMATICA,44(4):996-1003.APR20085Lu,JH;Yu,XH;Chen,GR;Cheng,D,Characterizingthesynchronizabilityofsmall-worlddynamicalnetworks,:IEEETRANSACTIONSONCIRCUITSANDSYSTEMSI-REGULARPAPERS卷:51期:4页:787-796,APR20046Yu,WW;Cao,JD;Lu,JH,Globalsynchronizationoflinearlyhybridcouplednetworkswithtime-varyingdelay,SIAMJOURNALONAPPLIEDDYNAMICALSYSTEMS,卷:7期:1页:108-133,20087Liu,H;Lu,JA;Lu,JH;D.Hill.Structureidentificationofuncertaingeneralcomplexdynamicalnetworkswithtimedelay,AUTOMATICA

卷:45

期:8

页:1799-1807,AUG20098Lu,JH;Yu,XH;Chen,GRChaossynchronizationofgeneralcomplexdynamicalnetworksPHYSICAA,334期:1-2页:281-302,MAR12004.

主要完成人情况吕金虎(中国科学院数学与系统科学研究院)对本项目主要学术贡献：1)揭示了一类时变复杂网络同步的基本准则，属重要科学发现1；2)给出了一类复杂网络的耦合强度、牵制节点数与控制强度之间的定量关系，属重要科学发现2；3)突破单节点获取网络全局信息的瓶颈，将分布式演化规律引入复杂网络的结构调控上实现网络同步，给出了一类不确定性复杂动态网络自适应同步与参数识别的基本准则，属重要科学发现3；4)复杂动态网络的同步、控制与识别实现了理论与应用的结合，与武汉大学\o"国家卫星定位系统工程技术研究中心"国家卫星定位系统工程技术研究中心合作服务于国家重大战略需求。虞文武(东南大学)对本项目主要学术贡献：1)给出了一类广义复杂动力网络同步的几个基本定理，属重要科学发现1；2)给出了一类典型复杂网络的关键节点与控制增益的选取与优化策略，属重要科学发现2；陈关荣(香港城市大学)对本项目主要学术贡献：1)给出了一类时变复杂动力网络同步的基本准则，属重要科学发现1；2)给出了一类复杂网络的关键节点与控制增益的选取与优化策略，属重要科学发现2；陆君安(武汉大学)对本项目主要学术贡献：1)给出了一类典型复杂网络的耦合强度、牵制节点数与控制强度之间的定量关系，属重要科学发现2；2)给出了一类不确定性复杂动态网络自适应同步与参数识别的基本准则，属重要科学发现3；3)复杂动态网络的同步、控制与识别实现了理论与应用的结合，与武汉大学\o"国家卫星定位系统工程技术研究中心"国家卫星定位系统工程技术研究中心合作服务于国家重大战略需求。周进(武汉大学)对本项目主要学术贡献：1)给出了一类典型复杂网络的耦合强度、牵制节点数与控制强度之间的定量关系，属重要科学发现2；2)给出了一类不确定性复杂动态网络自适应同步与参数识别的基本准则，属重要科学发现3；3)复杂动态网络的同步、控制与识别实现了理论与应用的结合，与武汉大学\o"国家卫星定位系统工程技术研究中心"国家卫星定位系统工程技术研究中心合作服务于国家重大战略需求附表1完成人合作关系说明一、合作基础1998.9—2000.7，吕金虎研究员在陆君安教授的指导下攻读硕士学位；2000.9—2002.7，吕金虎研究员在张锁春研究员和陈关荣讲座教授的共同指导下攻读博士学位并获得2004年全国优秀博士学位论文奖；2003.9—2009.7，周进副教授在陆君安教授的指导下攻读硕士和博士学位，吕金虎研究员协助培养；2007.10—2008.1，虞文武教授首次访问吕金虎研究员；2008.1—2010.9，虞文武教授在陈关荣讲座教授的指导下攻读博士学位。本项目的五位完成人之间存在非常密切的师生关系，如下图所示：图1.项目合作关系图二、合作成果本项目的五位完成人之间存在非常密切的合作关系，通过互访、合作项目(如973项目2007CB310805、国家自然科学基金项目11072254等)、联合培养研究生(如周进、王沛等)等多种方式开展实质性合作，取得了丰硕的研究成果。特别的，8篇代表性论文全部由合作完成，吕金虎研究员是全部8篇代表性论文的合作者。具体而言，吕金虎研究员与陈关荣讲座教授合作完成代表性论文1、3、4、8；吕金虎研究员、陆君安教授、周进副教授合作完成代表性论文2、5；吕金虎研究员与虞文武教授合作完成代表性论文4、6。吕金虎研究员与陆君安教授合作完成代表性论文7。第一完成人签名：完成人合作关系情况汇总表序号合作方式合作者/项目排名合作时间合作成果证明材料备注1合作研究吕金虎、陈关荣2002-2004论文代表性论文12合作研究周进、陆君安、吕金虎2004-2006论文代表性论文23合作研究吕金虎、陈关荣2002-