[科普中国]-级联失效

网络中，一个或少数几个节点或连线的失效会通过节点之间的耦合关系引发其他节点也发生失效，进而产生级联效应，最终导致相当一部分节点甚至整个网络的崩溃，这种现象就称为级联失效，有时也形象称之为“ 雪崩” 。

简介级联失效是一种可以引发一系列失效，并最终在整个系统中导致故障传播的网络故障模式。其潜在的风险和灾难性的后果促使许多领域投人大量精力探究级联失效，从而提出规避风险以及降低级联失效灾难性后果的新措施。

研究现状网络的故障过程可以看成是典型的相变过程，相变的临界点标志着网络的整体失效。分析网络故障的临界点，对于预测级联失效的发生，指导网络系统的可靠性设计等有积极意义。网络故障的临界性分析一般基于渗流理论，通过建立网络节点之间的故障依赖显性关系，分析整个网络功能对各类风险的容忍能力。研究通常假设各类故障依赖关系的拓扑结构和数量，并量化这些因素对网络弹性的影响能力。对于单个网络，网络的渗流临界值取决于网络中故障依赖边的分布和比例。而对于耦合网络，在网络间的耦合拓扑关系确定的情况下，渗流临界值取决于祸合网络的数量。

在故障机理的研究中，重点在于对网络级联失效的原理进行建模，得到可以较好刻画实际网络级联失效过程的模型。例如，过载是一种较常见的级联失效故障机理，主要发生在电力网络、交通网络等有流量运输任务的网络。在这些网络中，如果网络某个节点上的流量超过其阑值，那么将导致此节点上流量的重新分配，进而加剧了其他节点的负载压力，并可能引发这些节点过载失效，最终形成故障传播。在复杂网络研究中，主要通过用网络节点的介数来模拟流量，进而对由过载导致的级联失效进行建模，主要的模型包括：Motter-Lai模型、Crucitti模型和OPA模型等。在这些模型中，Motter-Lai模型被广泛用于抽象模拟各类网络的级联失效过程，同时忽略了许多特殊的网络运行和管理细节。OPA模型则主要针对模拟电力网络中的级联失效过程，并考虑了许多的电力网络运行特点。

除了以上针对级联失效的理论分析和机理建模外，实际网络中发生的级联失效也受到一定关注。特别是在电网的实际故障数据中，研究发现电网故障规模呈现幂律分布。这种故障规模分布被认为是电网自组织临界的结果:由于经济性和可靠性的双重要求，电网总是运行在自身的临界点上，以达到可靠性要求允许范围内的最大经济效益。在这样的状态下，电力网络一旦发生级联失效，故障规模就呈现幂律分布，其中大范围故障的概率大大增加。1

指挥控制级联失效模型为适应未来信息化作战的需要，指挥控制网络化发展趋势已成必然，传统的树状体系结构逐渐演变为复杂的网状体系结构，贯穿其中的信息流也分解为用于纵向控制的指挥信息流和用于横向协同的情报信息流。在指挥信息和情报信息耦合的指挥控制网络中，每个指挥控制单元主要山感知观测、情报处理、指挥决策和通信执行四部分功能组成，负责处理观测、接收和指挥三大类信息流，具体完成以下任务：将观测和接收到的信息转换成指挥信息和传递给其他单元的有效信息，将指挥信息转换成执行任务和传递给其他单元的指挥信息。

在指挥控制网络中，信息分流、组织差异和潜在危险构成了级联失效发生的三大条件，其级联失效过程主要可以分为以下三个阶段：

（1）稳定工作。每个网络节点依据实际要求部署完成后，在其工作负载范围内正常运行；

（2）负载传播。当网络中的某个节点遭到硬摧毁或出现软故障时，通和该节点的信息流就会自动分流，这势必给其它节点造成压力，当信息量超出节点的处理能力时，就会出现节点工作效率急剧下降，甚至工作失效的现象，进而导致新一轮的负载分配；

（3）失效终结。节点相继失效导致网络遭到严重破坏，失去工作能力，或者节点失效影响范围有限，整个网络又回到一种自组织平衡状态，都代表着级联失效过程的结束。2

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学