科学家们正在探索网络搜索引擎技术如何可以帮助保持灯光亮起、供水持续和火车正常运转。
网络搜索引擎背后的技术不仅用于寻找你久违的朋友或发现美味的新食谱。在紧急情况下，基于搜索引擎算法的技术也可能有助于保持灯光亮起、供水持续和火车正常运转。
能源部的太平洋西北国家实验室的科学家们已经证明，支撑网络搜索的算法可以帮助保护电网、水处理厂、食品加工设施和医院等设施。
数学家比尔·凯（Bill Kay）表示：“这是一个资源，供那些试图保护重要网络免受威胁（如网络攻击）的人使用，他们需要优先考虑哪些结构最重要。”
最近发表在《国土安全事务》杂志上的新研究围绕谷歌的PageRank算法展开，该算法旨在为搜索信息的用户推荐最相关的网站。为了对搜索结果进行排名，该公式考虑多个因素，比如有多少影响力的网站指向给定的页面，以及该页面本身指向多少影响力的网站。
凯的团队将相同的原则应用于电网等结构，以保持电力流动、水处理厂以保持水质清洁、医院以治疗病人和伤员。研究人员将这一设施网络称为“关键基础设施”——如果受损或被破坏，可能威胁公共安全或国家安全的结构。
阻止故障级联
像凯这样的研究人员的任务是：在像美国这样的国家，成千上万的重要设施的错综复杂中，帮助规划者优先考虑哪些结构最重要。哪些设施可能成为敌手的最可能目标？哪些设施最可能向其他结构引发故障，防御者如何尽快阻止级联故障？
凯说：“并不是所有基础设施资产都是相同的。如果故障正在蔓延，我想知道如果特定的设备被拿掉，结果会怎样——影响会有多广泛？”
凯说：“关键是要识别影响双向流动的系统，识别那些受到很多其他系统影响但同时也影响很多其他系统的系统。这就像知道谁是高中的所谓人气学生，尤其是在其他人气学生中受欢迎的人。”
很多事情可能快速发生。例如，如果一只流浪的松鼠破坏了一个电力变电站，水处理厂的泵可能会停止。这可能威胁到附近医院或需要水进行冷却的核电厂的水供应。当然，官员们有强大的备份系统，他们规划的一部分就是知道如何尽快防止这种故障级联。
凯的团队开始通过调整现有的PageRank算法：科学家们不是关注网页之间的互动，而是分析结构之间的互动。哪些设施最可能成为目标或发生故障？如果失效，哪些设施对其他设施会产生严重影响？同时满足这两项标准的结构被团队认定为关键。
凯说：“随着故障在网络中传播，我想知道两件事：哪些东西可能发生故障，哪些东西如果故障，可能会向前传播故障。”凯专注于图网络。
知识的层次
团队不仅仅应用了PageRank公式，还进行了修改，同时考虑许多信息流——类似于同时执行数十个相关的网络搜索，并让所有搜索相互沟通。团队将此称为多层方法。
共同作者帕特里克·麦基（Patrick Mackey）说：“要想象一个多层算法，就想象一个多层三明治——俱乐部三明治。一个层可能是电力系统。另一个是运输。其他的可能是石油管道或医院。许多人一次只关注基础设施的这些方面，而我们则将它们放在一起，研究它们如何相互影响，这有助于识别哪些是最关键的。”
在几次模拟中，团队显示出其多层方法在阻止故障方面一直比其他方法更快且损坏结构更少，包括直接的PageRank算法和另一种称为“出度”的方法。团队并没有量化这种方法对攻击的限制程度，而是将这项研究视为探讨这一方法值得深入的证据。
凯表示：“对这类工作的一个好算法并不总是需要结合各种相关实体的详细动态。通常，作为一个开始，足够理解这些实体之间的关系就足够了。”他说：“这提供了一个起点，一旦人类专家在相关领域中添加知识，它可以变得非常有用。”
这项工作是由PNNL研究员萨姆·查特吉（Sam Chatterjee）领导的项目组合的一部分，他是主要研究员和首席数据科学家。该项目由网络安全和基础设施安全局资助，以在潜在故障的广泛范围内实现一致、可重复和可辩护的分析。
查特吉说：“这项工作代表了网络科学方法如何适应关键基础设施风险和弹性挑战的一个优秀例子。”
除了查特吉、凯和麦基，前实习生雅各布·米勒（Jacob Miller）也为该项目作出了贡献。
