[论文解读] A Survey of Interdependency Models for Critical Infrastructure Networks

Joydeep Banerjee, Arun Das+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2017

Infrastructure Resilience and Vulnerability Analysis被引用 8

一句话总结

本文综述了关键基础设施网络中的相互依赖模型，提出了一种新颖的框架，通过合取和析取关系捕捉复杂的相互依赖关系。该框架通过固定点计算实时方程来模拟级联故障，从而识别出最脆弱的k个节点，以增强系统韧性。

ABSTRACT

The critical infrastructures of the nation such as the power grid and the communication network are highly interdependent. Also, it has been observed that there exists complex interdependent relationships between individual entities of the power grid and the communication network that further obfuscates the analysis, and mitigation of faults in such multi-layered networks. In recent years, the research community has made significant efforts towards gaining insight and understanding of the interdependency relations in such multi-layered networks, and accordingly, a number of models have been proposed and analyzed towards realizing this goal. In this chapter we study existing interdependency models proposed in the recent literature and discuss their approach, and inherent features, towards modeling interdependent multi-layer networks. We also provide a brief discussion into the drawbacks of each of these models and propose an alternate model that addresses these drawbacks by capturing the interdependency relationships using a combination of conjunctive and disjunctive relations.

研究动机与目标

• 分析并比较现有用于多层关键基础设施网络的相互依赖模型。
• 识别当前模型在相互依赖关系表示上的局限性，尤其是其过于简化的表达方式。
• 提出一种新模型，通过同时使用合取和析取依赖关系，捕捉复杂且真实的相互依赖关系。
• 开发一种方法，用于识别相互依赖网络中k个最脆弱的节点，以提升系统韧性。
• 使用亚利桑那州马里科帕县的真实数据验证所提出的模型。

提出的方法

• 使用实时方程（例如，$a_i \leftarrow b_j b_k b_l + b_m b_n + b_p$）对不同网络中实体之间的第一级依赖关系进行建模。
• 将级联故障表示为固定点计算问题，系统在离散时间步长中演化，直至不再发生新的节点故障。
• 采用闭环控制系统的抽象来建模相互依赖网络之间的反馈效应，其中故障通过相互依赖关系传播。
• 应用整数线性规划（ILP）来计算系统的固定点，从而高效识别最脆弱的节点集合。
• 采用时间步长级联仿真方法，跟踪故障在各网络间的传播，故障状态根据依赖逻辑在每次迭代中更新。
• 使用亚利桑那州马里科帕县电力与通信网络的真实数据验证模型，以证明其实际适用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 现有相互依赖模型为何无法捕捉电力与通信网络之间真实世界相互依赖关系的真正复杂性？
• RQ2 Buldyrev等人模型在表示多层网络相互依赖关系方面存在哪些局限性？
• RQ3 结合使用合取和析取依赖关系的混合模型是否能更好地反映关键基础设施中真实世界的相互依赖关系？
• RQ4 如何高效识别相互依赖网络中k个最脆弱的节点，以提升系统韧性？
• RQ5 在所提出的模型下，识别最脆弱节点的计算复杂度如何？在某些情况下是否可在多项式时间内求解？

主要发现

• 所提出的模型通过同时引入合取和析取依赖关系，克服了先前模型的关键局限，实现了更真实的故障传播建模。
• 在所提出的模型中，级联故障通过迭代的故障传播达到稳定状态，故障状态在每个时间步长更新，直至收敛。
• 在$t_0$时刻单个节点（如$a_1$）的失效触发了连锁反应，导致在$t_4$时刻所有实体均失效，证明了该模型模拟大规模级联效应的能力。
• 识别k个最脆弱节点的问题在某些特殊情况下可多项式时间求解，而一般情况下为NP完全问题。
• 系统故障动态的固定点计算等价于求解一个整数线性规划（ILP）公式，从而实现了对故障级联的实际计算。
• 使用马里科帕县电力与通信网络的真实数据进行验证，证实了该模型在识别关键故障点方面的实际相关性和有效性。