网络隔离器：改善网络结构以提升韧性

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导语
从电网到供水系统，我们的日常生活都依赖于供应网络的正常运行。这些关键基础设施中的单个小故障都可以通过级联故障机制导致系统的完全崩溃。因此，人们极力寻求反击策略。近日NatureCommunications上发表的一篇文章通过构造“网络隔离器”（networkisolators）分析复杂网络中级联失效的流量波动情况，并以此来提高网络韧性。
胡一冰|作者
邓一雪|编辑

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期刊来源：NatureCommunications
论文标题：
Networkisolatorsinhibitfailurespreadingincomplexnetworks
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1.不同网络连通性对扰动传播的影响
考虑到系统受故障或干扰的不确定性，近些年来，越来越多的国家和地区引入“韧性”（resilience）来衡量系统承受可能的扰动并恢复到可接受功能水平的能力。复杂系统中单个细小的扰动都有可能带来灾难性的后果，一条链路的中断都可能导致电网停电、生物网络消亡或整个生态网络崩溃。因此，了解网络的结构如何决定其对扰动的响应及其全局韧性是至关重要的。
将网络划分为弱耦合的不同部分是抑制级联失效最简单的方法，但为了安全而一味地减少边之间的连接显然是不合适的，尤其服务于人们生活的基础设施网络。因此，需要有其他更好的方法来控制复杂网络中的扰动或破坏。

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图1.复杂网络中不同的网络结构抑制了故障的传播。
如图1所示，研究者们通过三个网络局部失效案例反映不同的网络结构可以抑制故障的传播。子图中红色线段为网络中失效边或扰动，不同的颜色深浅映扰动表示扰动前后的流量变化。颜色越深代表变化越小，越亮代表变化越大，灰色路段表示变化为零。图1子图a和b分别表示弱连通性和强连通性网络都能遏制扰动传播；子图c中蓝色部分是该研究中提出的“网络隔离器”（networkisolators），它能完全阻断故障扩散；子图d中的纳威亚电网由三个弱连通模块连接；子图e的叶脉网络中强大的中央脉可以抑制叶片两侧的扰动扩散；子图f是包含网络隔离器的纳威亚电网。
2.更好的预防扰动方法：网络隔离器
在该研究中主要采用扰动前后通过链路的流量变化反映该链路受影响程度。具体表达式为，其中为节点i处的流量。研究者还考虑到失效的影响通常会随着距离的增加而减小，所以用平均值，来衡量全网流量的波动情况。另外，考虑网络中不同模块之间的影响是否有本质差异（假设模块信息已知），研究者规定比值。子网O不包含故障路段，子网S包含故障路段。如果该比值接近或等于零，则说明对扩散到网络其他部分的故障有很强的抑制作用。