Analyzing the behavior of complex interdependent networks requires complete information about the network topology and the interdependent links across networks. For many applications such as critical infrastructure systems, understanding network interdependencies is crucial to anticipate cascading failures and plan for disruptions. However, data on the topology of individual networks are often publicly unavailable due to privacy and security concerns. Additionally, interdependent links are often only revealed in the aftermath of a disruption as a result of cascading failures. We propose a scalable nonparametric Bayesian approach to reconstruct the topology of interdependent infrastructure networks from observations of cascading failures. Metropolis-Hastings algorithm coupled with the infrastructure-dependent proposal are employed to increase the efficiency of sampling possible graphs. Results of reconstructing a synthetic system of interdependent infrastructure networks demonstrate that the proposed approach outperforms existing methods in both accuracy and computational time. We further apply this approach to reconstruct the topology of one synthetic and two real-world systems of interdependent infrastructure networks, including gas-power-water networks in Shelby County, TN, USA, and an interdependent system of power-water networks in Italy, to demonstrate the general applicability of the approach.


翻译:对复杂相互依存网络的行为进行分析需要关于网络地形和网络间相互依存联系的完整信息。对于关键基础设施系统等许多应用,理解网络相互依存关系对于预测串联失败和破坏计划至关重要。然而,由于隐私和安全考虑,个别网络的地形数据往往无法公开提供。此外,相互依存联系往往只是在因连续失败造成中断之后才披露。我们提议采用一种可扩展的、不可计量的巴伊西亚方法,从对岩浆失灵的观察中重建相互依存基础设施网络的地形。大都会-哈斯廷斯算法,加上依赖基础设施的建议,都用来提高取样可能的图表的效率。重建相互依存基础设施网络的合成系统的结果表明,拟议的方法在准确性和计算时间上都超越了现有方法。我们进一步采用这一方法来重建一个合成和两个现实世界基础设施网络的地形系统,包括Shelby县的天然气-水网络、TN、USA和意大利一个相互依存的电力-水网络系统,以证明这种方法的一般适用性。

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