In this paper, we study the severity of cascading failures in supply chain networks defined by a node percolation process corresponding to product suppliers failing independently due to systemic shocks. We first show that the size of the cascades follows a power law in random directed acyclic graphs, whose topology encodes the natural ordering of products from simple raw materials to complex products. This motivates the need for a supply chain resilience metric, which we define as the maximum magnitude shock that the production network can withstand such that at least $(1 - \varepsilon)$-fraction of the products are produced with high probability as the size of the production network grows to infinity. Next, we study the resilience of many network architectures and classify them as resilient, where large cascading failures can be avoided almost surely, and as fragile, where large cascades are inevitable. In the next step, we give bounds on the expected size of cascading failures in a given production network graph as the solution to a linear program and show that extending the node percolation process to a joint percolation process that affects the nodes and the links of the production network becomes a special instance of the well-studied financial contagion model of Eisenberg and Noe. We show that under certain assumptions, the Katz centrality of each node can be used as a measure of their vulnerability and give general lower bounds as well as optimal interventions for improving resilience as a function of Katz centralities. Finally, to validate our theoretical results, we empirically calculate the resilience metric and study interventions in a variety of real-world networks.


翻译:本文研究了由系统性冲击导致的独立产品供应商失败的节点遍历过程所定义的供应链网络中级联故障的严重程度。首先,我们证明了在随机有向无环图中,级联的大小遵循幂律,其拓扑结构编码了从简单原材料到复杂产品的产品的自然排序。这促使我们需要一个供应链韧性指标,我们定义为生产网络所能承受的最大震荡幅度,使得随着生产网络的规模无限增长至少有$(1-\varepsilon)$产品会被高概率地生产。接下来,我们研究了许多网络体系结构的韧性,将其分类为具有韧性的体系结构,可以几乎完全避免大规模的级联故障,以及脆弱的体系结构,在其中大规模的级联故障是不可避免的。在下一步中,我们将预期的级联故障的大小界定为给定生产网络图的线性规划的解,并展示扩展节点遍历过程为同时遍历节点和生产网络链接的联合遍历过程是Eisenberg和Noe中广为研究的财务传染模型的一种特殊实例。我们证明在一定的假设下,每个节点的Katz中心性可以用作它们脆弱性的度量,并给出了通用的下界以及作为Katz中心性函数的韧性最优干预。最后,为验证我们的理论结果,我们在各种真实网络中计算了韧性度量并研究了干预措施。

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