37、依赖自动机：建模关键基础设施依赖关系的新方法

依赖自动机：建模关键基础设施依赖关系的新方法

1. 引言

近年来，相互依赖和基础设施相互依赖已成为热门话题，吸引了研究人员和政府机构的大量关注。特别是北美电力危机和2003年意大利大停电等重大基础设施故障事件，凸显了研究基础设施相互依赖关系的重要性。

在关键基础设施的研究中，常见的方法包括图模型、方程、复杂自适应系统和代理模型等。图模型中，每个基础设施是一个节点，依赖关系是弧，通过分析节点故障对系统其余部分的影响来研究；基于数学方程的研究，如受列昂惕夫经济模型启发的方法，将每个基础设施视为输入 - 输出节点，根据其他基础设施的可操作性输入变量计算自身输出变量；代理模型则将系统建模为一组代理，代理能感知系统状态变化并根据元知识做出反应。

然而，本文采用了一种“微观”的方法，通过依赖自动机（Dependent Automata，DA）来建模两个相互依赖的基础设施。其目标是找到一个形式化的环境，能够准确描述关键基础设施相互依赖中的三种故障类型：级联故障、升级故障和共因故障。

1.1 三种故障类型

• 级联故障 ：一个基础设施的中断导致第二个基础设施的组件故障，进而引发第二个基础设施的中断。
• 升级故障 ：一个基础设施的现有中断加剧了第二个基础设施的独立中断，通常表现为增加第二个故障的严重程度或恢复时间。
• 共因故障 ：两个或多个基础设施网络同时中断，每个网络内的组件因共同原因而失效。

2. 依赖自动机

2.1 原因和效