In this paper, we study the maximum edge augmentation problem in directed Laplacian networks to improve their robustness while preserving lower bounds on their strong structural controllability (SSC). Since adding edges could adversely impact network controllability, the main objective is to maximally densify a given network by selectively adding missing edges while ensuring that SSC of the network does not deteriorate beyond certain levels specified by the SSC bounds. We consider two widely used bounds: first is based on the notion of zero forcing (ZF), and the second relies on the distances between nodes in a graph. We provide an edge augmentation algorithm that adds the maximum number of edges in a graph while preserving the ZF-based SSC bound, and also derive a closed-form expression for the exact number of edges added to the graph. Then, we examine the edge augmentation problem while preserving the distance-based bound and present a randomized algorithm that guarantees an approximate solution with high probability. Finally, we numerically evaluate and compare these edge augmentation solutions.


翻译:在本文中,我们研究了定向拉普拉西亚网络的最大边缘增强问题,以提高其稳健性,同时保持其强大的结构可控性(SSC)的下限。由于添加边缘可能会对网络的可控性产生不利影响,因此主要目标是通过有选择地添加缺失的边缘,同时确保网络的 SSC 不至于超过SSC 界限规定的某些水平而恶化。我们考虑了两个广泛使用的界限:首先基于零强迫概念(ZF),第二个基于图表中节点之间的距离。我们提供了一种边缘增强算法,在保持基于ZF的SSC 约束的同时在图形中增加最大边缘数量,并且还得出了图表中添加的准确边缘数量的封闭式表达方式。然后,我们在保存远程约束的同时,检查边缘增强问题,并提出一种随机化算法,保证一种概率高的近似解决方案。最后,我们用数字评估和比较这些边缘增强解决方案。

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