Recent studies increasingly adopt simulation-based machine learning (ML) models to analyze critical infrastructure system resilience. For realistic applications, these ML models consider the component-level characteristics that influence the network response during emergencies. However, such an approach could result in a large number of features and cause ML models to suffer from the `curse of dimensionality'. We present a clustering-based method that simultaneously minimizes the problem of high-dimensionality and improves the prediction accuracy of ML models developed for resilience analysis in large-scale interdependent infrastructure networks. The methodology has three parts: (a) generation of simulation dataset, (b) network component clustering, and (c) dimensionality reduction and development of prediction models. First, an interdependent infrastructure simulation model simulates the network-wide consequences of various disruptive events. The component-level features are extracted from the simulated data. Next, clustering algorithms are used to derive the cluster-level features by grouping component-level features based on their topological and functional characteristics. Finally, ML algorithms are used to develop models that predict the network-wide impacts of disruptive events using the cluster-level features. The applicability of the method is demonstrated using an interdependent power-water-transport testbed. The proposed method can be used to develop decision-support tools for post-disaster recovery of infrastructure networks.


翻译:最近的研究越来越多地采用基于模拟的机器学习模型来分析关键的基础设施系统复原力。关于现实应用,这些ML模型考虑到在紧急情况下影响网络反应的构成层面特点,然而,这种方法可产生大量特征,使ML模型遭受“维度诅咒”的影响。我们提出了一个基于集群的方法,同时尽量减少高维度问题,提高为大型相互依存基础设施网络的复原力分析而开发的ML模型的预测准确性。该方法有三部分:(a) 生成模拟数据集,(b) 网络组成部分集群,以及(c) 维度减少和开发预测模型。首先,一个相互依存的基础设施模拟模型模拟各种破坏性事件在全网络范围造成的后果,从模拟数据中提取了该组成部分层面的特征。接下来,采用组合算法,根据其表层和功能特征组合成组成部分层面的特征来得出集群层面特征。最后,ML算法用于开发模型,利用集群层面特征预测破坏性事件对全网络的影响,(b) 以及(c) 维度减少和开发预测模型。首先,一个相互依存的基础设施模拟模型模拟模拟模拟模拟模拟模拟模拟了各种破坏性事件的后果事件的后果后果事件的后果后果后果后果后果。 使用了一种决定式的复原工具。

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