针对相关中断设计系统的新方法使用了负概率

　　针对相关中断设计系统的新方法使用了负概率
　　2011年3月，日本沿海发生强烈地震，导致福岛第一核电站(Fukushima Daiichi)的反应堆自动关闭，同时中断了支撑反应堆冷却的输电线。如果地震是那天发生的唯一一场灾难，应急备用发电机本可以防止熔毁。相反，地震发生后立即引发海啸，淹没了发电机，导致了近年来最严重的核事故。对于伊利诺伊大学土木与环境工程(CEE)教授、系统专家欧阳燕峰(Yanfeng Ouyang)来说，这是一个完美的例子，说明了如何设计系统来应对相关干扰。
　　到目前为止，系统工程师一直在努力解决由相关因素(比如地震和海啸)联系在一起的灾害影响的规划问题，因为要精确量化所有可能的破坏事件组合的概率，必须进行繁琐的计算。当相关性存在时，联合破坏的可能性并不仅仅是单个破坏的产物。这使得我们对如何设计具有最大抗灾能力和恢复力的基础设施系统的理解存在空白。
　　现在欧阳和其他中东欧国家的研究人员开发了一种设计和优化相关中断系统的新方法。这种方法不需要直接处理过去使此类问题难以建模的许多中断组合。他们在本月发表在《运输研究B部分:方法学》(Transportation Research Part B, methodology)上的一篇论文中对此进行了描述，这是近年来一系列相关论文中的最新一篇。他们的方法的关键之一是包含负概率，这是一个似乎从未用于系统设计目的的概念。
　　＂这一概念,我们开发了一个新的方法来帮助设计系统,我们有困难,这样,他们可以更抗灾害和比以前更有弹性,＂欧阳说,乔治Krambles赋予在铁路和公共交通,教授领导的一系列处理前博士生包括泗阳谢(博士18),现在科学家在Facebook,库恩和前博士后研究员,现在在澳大利亚莫纳什大学的教员。
　　该团队的新计算方法广泛适用，因为它可以用于建模和优化任何网络系统——例如供应链、运输系统、通信网络、电网等等。该方法结合一个虚拟的＂支持站＂系统来表示现实世界中基础设施组件的相关漏洞。这使得系统工程师可以将灾害对组件的复杂影响转化为对支持站的简单和独立的影响。例如，在两个仓库的操作都可能被暴风雪中断的情况下，可以想象它们的功能依赖于一些虚拟电源，每个虚拟电源都充当仓库的支持站。通过在两个仓库和这些电源之间设置适当的依赖关系，可以将两个仓库的相关功能状态转换为共享电源的独立中断。
　　欧阳云说:＂我们证明，任何数量的基础设施组件，只要它们之间存在某种破坏相关性，都可以用一个合适的虚拟站设置系统来描述。在这些虚拟站中，每一个组件的故障都是相互独立的。＂这种结构使计算变得更加易于管理，因为它大大降低了在设计模型中表示故障相关性的复杂性。
　　＂我们现在有了一种新的方式来描述这个系统，＂欧阳说。＂我们从一个有相关性的系统变成了一个没有相关性的等价系统——现在每个故障都独立于其他故障，因此概率更容易计算。＂
　　为了准确地表示真实世界中的系统行为，团队必须引入车站中断的负概率概念，这使得他们的模型能够处理系统组件的负相关中断风险。正相关表示基础设施组件之间存在依赖关系，驱动它们在灾害下的行为向同一方向移动，而负相关表示灾害对一个组件的影响意味着对另一个组件的影响相反。例如，当两个仓库争夺有限的资源时，当竞争对手处于亏损或遇到困难时，其中一个仓库将获得收益。同样，如果河流附近的地区被洪水淹没，下游的其他地区可能会更好，因为水压力释放了。
　　虽然负相关是一个众所周知的概念，但负概率听起来有些不正统。起初，研究人员并不知道类似的概念已经在量子力学学科中得到应用;他们只是从数学上知道，他们需要表示灾难以相反的方式影响竞争实体的可能性。因为他们不得不从真实世界的系统翻译相关的虚拟结构支持,支持站的可能性受到灾难的影响必须包含多个组件的风险,其中的一些负面影响,其中一些可能会产生积极的影响。因此，支撑站的＂故障倾向＂(他们在2015年的一篇论文中最初将这一概率称为负概率)可能大于1——或者等价地说，补数为负。
　　据研究人员所知，将这一概念用于工程应用是全新的，使他们能够解决以前极其困难的问题。该团队希望各种网络基础设施系统的工程设计师都能接受它，从而实现更智能的工程设计，从而在更广泛的系统类型中提高抗灾能力。