Heavy tails in dynamic flow networks: Universal explanation of their emergence
Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）；University of Twente（特文特大学）；Centrum Wiskunde and Informatica（数学与计算机科学中心）
本文提出了一种通用模型，解释了动态流网络中重尾破坏的普遍机制，揭示了帕累托分布的形成原理。
2026-01-05 math.PR physics.soc-ph
Nonlocal effects and counter measures in cascading failures
我们研究了复杂供应网络中连锁故障的传播，重点是远离初始故障发生的非局部效应。它示出了一个高的聚类和一个小的平均路径长度的网络一般抑制非局部过载。这些属性对于许多现实世界的网络（通常称为小世界网络）来说是典型的，因此级联在这些网络中主要是局部传播的。此外，我们分析了空间方面的对策的基础上有意去除额外的边缘。在冗余度低的网络中，通常需要非局部动作，因此特别容易受到级联的影响。
2015-09-02 nlin.AO physics.soc-ph
Robustness of Power-law Behavior in Cascading Failure Models
受输电网络可靠性问题的启发，我们使用概率方法来研究在程式化的连锁故障模型中发生的大故障。在此模型中，线路具有随机容量，最初满足网络上施加的负载需求。每一条线路故障都会改变幸存网络中的负载分布，可能导致更多线路过载并跳闸。因此，最初的单一线路故障可能会引发大规模的级联效应，在本文中，我们衡量的概率，故障线路的数量超过一定的大阈值，这种级联事件的风险。在特定的临界条件下，故障概率服从幂律分布，这意味着严重故障的风险很大。我们通过探索这种行为在哪些假设下盛行来研究幂律行为的鲁棒性。
2016-04-13 math.PR physics.soc-ph
Optimizing Robustness against Cascading Failures under Max-Load Targeted Attack
出于关键基础设施中网络可靠性的考虑，我们考虑了一类流网络对\textit{targeted}攻击的最优鲁棒性，即最大负载攻击，该攻击会由于删除最大负载承载部分线路而引发级联故障。该设置涉及具有初始负载$L_1, \ldots, L_N$的$N$线路的网络，所述初始负载从独立且相同的均匀分布中提取，以及待分配的自由空间或冗余$S_1, \ldots, S_N$。在故障传播机制中，线路最初由于攻击而失败，随后由于过载而失败。在故障发生时承载的负载在系统中的所有剩余线路之间重新平均分配。我们分析了这个网络的鲁棒性对最大负载有针对性的攻击，删除最大的负载携带$p$ -分数的线从系统。系统设计者将$S_i$分配为每条线路中负载的随机函数。假设一个平均可用资源预算，我们表明，分配所有线的节点之间的自由空间相等是最佳的一些监管假设。我们提供的数值结果验证，平等的自由空间分配给所有线路在更一般的有针对性的攻击情况下执行最佳。
2019-03-27 physics.soc-ph
MATCASC: A tool to analyse cascading line outages in power grids
Faculty of Technology, Policy and Management, Delft University of Technology（代尔夫特理工大学技术、政策与管理学院）；Computational Physics for Engineering Materials, ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院工程材料计算物理）
本文提出MATCASC工具，用于分析电力网络中的连锁故障，通过评估IEEE测试系统和实际电网的鲁棒性，验证其有效性。
2013-08-01 cs.SY eess.SY physics.soc-ph
Distributed flow optimization and cascading effects in weighted complex networks
我们研究了无标度网络中一个特定的边加权方案$\sim (k_i k_j)^β$对分布式流效率和级联故障鲁棒性的影响。特别是，我们分析了一个简单的，但基本的分布流模型：电流在随机电阻网络。通过调整控制参数$β$和考虑两个一般情况下的相对节点处理能力以及带宽的影响，我们显示的依赖关系的传输效率的拓扑结构和权重之间的相关性。通过研究不同控制参数$β$的级联严重性，我们发现在节点容量和可用带宽范围内，当$β$值相同时，网络对级联过载的弹性和网络吞吐量是最优的。
2011-10-17 cond-mat.stat-mech cs.SI physics.soc-ph
Dynamic Effects Increasing Network Vulnerability to Cascading Failures
我们研究网络中的级联故障，使用一个动态流模型的基础上简单的守恒和分布规律，调查的影响，瞬态动态的负载重新平衡后，初始网络故障（触发事件）。据发现，考虑流动态可能意味着降低网络的鲁棒性相比，以前的静态过载故障模型。这是由于当流量动态调整到新的（剩余的）网络结构时，负载中的瞬态振荡或过冲。我们得到{ \em上限}和{ \em下限}限制网络的鲁棒性，它表明，{ \it两}时间尺度$τ$和$τ_0$，定义的网络动态，是重要的考虑之前，准确地解决网络的鲁棒性或脆弱性。显示级联故障的网络的鲁棒性通常由网络拓扑和流动态之间的复杂相互作用确定，其中比率$χ=τ/τ_0$确定它们两者的相对作用。
2008-04-03 physics.class-ph physics.soc-ph
Cascading failures in interdependent systems under a flow redistribution model
在过去的十年中，相互依赖系统的鲁棒性和级联故障一直是一个活跃的研究领域。然而，大多数现有的作品使用基于级联的模型，其中只有每个网络的最大组成部分在整个级联中保持功能。虽然适用于通信网络，但该假设未能捕获承载流的系统中的依赖性（例如，电力系统、公路运输网络），其中连锁故障通常由导致线路过载的流量重新分配触发。在这里，我们考虑一个模型组成的系统$A$和$B$的初始线路负荷和容量分别由$\{L_{A,i},C_{A,i}\}_{i=1}^{n}$和$\{L_{B,i},C_{B,i}\}_{i=1}^{n}$。当系统$A$中的线路发生故障时，$a$ -其负载的一部分被重新分配给$B$中的活动线路，而剩余的$(1-a)$ -部分在$A$中的所有功能线路之间均匀地重新分配; $B$中的线路故障与$b$类似地处理，$b$将重新分配给$A$的部分。我们给出了一个彻底的分析，该模型发起的随机攻击的目标$p_1$ -分数线在$A$和$p_2$ -分数在$B$的级联故障。结果表明：（i）该模型能够反映真实世界中的大规模级联现象，并表现出有趣的跃迁行为：最终的崩溃总是一阶的，但在崩溃之前会出现一系列的一阶和二阶跃迁;（ii）网络的鲁棒性与耦合系数$a$和$b$密切相关，并且鲁棒性一般在非平凡的$a,b$值处达到最大;（iii）与现有模式不同，互相依赖对系统的稳健性有多方面的影响，因为互相依赖可导致每个网…
2017-12-21 physics.soc-ph
Threshold for the Outbreak of Cascading Failures in Degree-degree Uncorrelated Networks
在复杂网络中，一个或少数几个节点的故障可能导致级联故障。当这一动态过程停止于稳态时，剩余未失效节点所形成的巨分量的大小可以用来衡量级联失效的严重程度，这对于估计网络的鲁棒性至关重要。本文提出了一种具有局部负载分担机制的级联过载故障模型，并探讨了当发生大规模级联故障时，处于稳定状态的未失效节点不能相互连接形成大连通子网络时的节点容量阈值。给出了度-度不相关网络中该阈值的理论推导，并通过仿真验证了该方法的有效性。该阈值为在网络创建和负载分配时，在有限容量资源的前提下提高网络的鲁棒性提供了指导。因此，该阈值对于分析网络的鲁棒性是有用的和重要的。
2015-06-28 cs.NI cs.SI physics.soc-ph
A study of cascading failures in real and synthetic power grid topologies using DC power flows
利用线性化直流潮流模型，研究了美国西部互联电网的连锁故障及其时空特性。我们还介绍了优先度和距离附着（DADA）模型，与类似的度分布，电阻和电流的USWI。我们调查的行为，这两个网格造成的故障的一条线。我们发现，DADA模型和USWI模型的反应非常相似的故障，他们的停电特性相似。在许多情况下，一条线路的故障可能导致连锁故障，从而影响整个电网。我们用三个参数来表征电网的弹性，其中最重要的是容差$α$，它是一条线路可以承载的最大负载与其初始负载的比值。我们的特点停电的产量，我们定义为最终的初始消耗电流的比率。我们发现，如果$α\leq2$，发生大停电的概率很小。相比之下，在广泛的$1 < α < 2$范围内，单个线路的初始故障可以以高概率导致级联故障，从而导致最终产量小于80%的大规模停电。产率具有典型的一级转变的双峰分布，即，随机选择的线路的故障导致不显著的电流减小或大停电。我们发现，在大停电的发展过程中存在一个潜伏期，在此期间，很少有线路过载，并且收益率仍然很高。潜伏期的持续时间与耐受性成正比。潜伏期的存在表明，在级联的早期阶段进行干预可以显着降低大停电的风险。
2016-09-23 physics.soc-ph
The Risk of Cascading Failures in Electrical Grids Triggered by Extreme Weather Events
与气候变化有关的严重威胁之一是极端天气事件的数量和严重程度增加。一个突出的例子是飓风，它是由沿海温度上升造成的。这种极端天气事件可能对基础设施系统造成广泛的破坏，并可能破坏电力传输网络中的组件，这反过来又可能导致大停电。在我们最近的工作中，我们使用历史风场数据集研究了美国东海岸电力系统中飓风引起的级联故障的风险。为了这个目的，我们模拟飓风期间架空输电线路的破坏，其中每条故障线路会导致系统中的电力流重新路由。新的电力流可能会使额外的线路过载，这些线路随后会自动停用，从而导致电力流的另一次改道，等等。最终，一连串的故障可能会发生，从而导致电力系统的大部分停电。
2021-07-01 cs.SY eess.SY nlin.AO
Robustness of supply chain networks against underload cascading failures
在当今的全球经济中，由于战略外包的需要，供应链（SC）实体与需求和供应关系的相互联系越来越紧密。公司之间的这种相互依赖不仅提高了效率，而且也增加了系统的脆弱性。洪水和运输事故等自然和人为灾害可能使业务中断，并导致经济损失。由于企业之间的相互依赖性，任何破坏的不利影响都可能被放大并在整个系统中传播。研究了SC网络对连锁故障的鲁棒性。考虑到上限和下限载荷约束，即，库存和成本，我们研究了负载下降和负载波动的情况下失败的实体的比例。合成网络和欧洲供应链网络[1]的仿真结果都证实了实际供应链中经常采用的剩余库存和备用供应商的恢复策略与没有恢复过程的系统相比，可以提高系统的鲁棒性。此外，该系统对负荷波动相对稳健，但对需求冲击较为脆弱。对于欠载驱动的模型没有恢复过程，我们发现了一个不连续的相变的发生。与其他系统在过载连锁故障下的研究不同，该系统对幂律分布的鲁棒性比所研究的情况下下界参数的均匀分布的鲁棒性更强。
2020-01-07 physics.app-ph physics.soc-ph
Structural instability of large-scale functional networks
我们研究了大型功能网络如何在可能的级联过载故障下稳定增长，并评估了最大稳定网络大小，即使是小规模的故障也会导致网络的致命故障。采用模型的级联故障引起的时间波动的负载，最大的稳定尺寸$n_{\text{max}}$已被计算为一个功能的负载减少参数$r$，表征如何快速的总负载减少级联过程中。如果我们足够快地减少总负载（$r\ge r_{\text{c}}$），网络可以无限增长。否则，$n_{\text{max}}$是有限的，并且随着$r$而增加。对于固定的$r\,(<r_{\text{c}})$，无标度网络的$n_{\text{max}}$大于平均度相同的指数网络。我们还讨论了如何检测和避免致命的网络故障的危机，从初始网络的大小和最大的组件之间的关系后，通常发生的级联故障。
2017-01-12 nlin.AO physics.soc-ph
Topological Analysis and Mitigation Strategies for Cascading Failures in Power Grid Networks
近年来，人们越来越关注电网的过载状况，以及连锁故障的可能性增加。许多研究人员已经研究了这些网络，为更强大的电网提供设计指南。拓扑分析是系统分析的重要组成部分之一，具有鲁棒性。提出了电网网络的复杂系统分析方法。首先，级联效应已被模拟三个众所周知的网络：IEEE 300总线测试系统，IEEE 118总线测试系统，和WSCC 179总线等效模型。为了将分析扩展到更大的网络集，我们开发了一个网络生成器，并生成多个具有与IEEE测试网络相似特征但具有不同拓扑结构的图。生成的图，然后比较测试网络，以显示拓扑结构的影响，在确定其鲁棒性方面的级联故障。生成的图比测试图更鲁棒，显示了拓扑结构在电网鲁棒设计中的重要性。本文的第二部分讨论了两种新的缓解策略：有针对性的负载减少和孤岛使用分布式电源的连锁故障。这些新的缓解策略进行了比较，同质负载减少策略。尽管均匀负荷减少更容易实施，但目标负荷减少更有效。此外，一个算法的网络的分区孤岛作为对故障隔离，以防止级联故障的努力。如果源分布均匀，则岛形成的结果更好，否则该算法导致超级岛的形成。
2012-12-21 cs.SI physics.comp-ph physics.soc-ph
Modeling and Analysis of Cascading Failures in Interdependent Cyber-Physical Systems
Carnegie Mellon University（卡内基梅隆大学）
本文提出一种新型互依赖系统模型，用于研究智能电网等集成网络中因初始扰动引发的大规模级联故障现象，通过分析网络参数评估系统鲁棒性。
2018-07-21 cs.SY eess.SY physics.soc-ph
A Spatiotemporal Adaptive Local Search Method for Tracking Congestion Propagation in Dynamic Networks
Tongji University（同济大学）；The Hong Kong Polytechnic University（香港理工大学）；University of Innsbruck（因斯布鲁克大学）；Xinjiang University（新疆大学）；Xiamen University of Technology（厦门理工学院）；Toronto Metropolitan University（多伦多都会大学）；Urban Mobility Institute, Tongji University（同济大学城市交通研究院）
STALS通过动态图学习与地理驱动的空间分析，提出一种时空自适应局部搜索方法，用于跟踪动态网络中拥堵传播，提升鲁棒性和效率。
2025-09-07 cs.SI physics.soc-ph
Overload-Based Cascades in Multiplex Flow Networks with Partial Functionality
Carnegie Mellon University（卡内基梅隆大学）
研究具有部分功能的多路复用流网络，通过跨层影响因子量化功能间资源竞争，用均值场分析得出最终系统规模递归方程，验证分析并研究级联动力学特征，提出容量分配策略提升鲁棒性。
2026-07-07 cs.SI cs.SY eess.SY
Spatio-temporal propagation of COVID-19 pandemics
新型冠状病毒COVID-19自2019年12月起在全球传播。在没有任何疫苗或药物的情况下，控制它的手段仅限于隔离和社交距离。在这里，我们研究了COVID-19病毒在中国的第一波时空传播，并将其与全球其他地区进行了比较。我们从距离、人口规模、人类流动和它们的尺度关系等方面提供了从湖北到中国其他省份的空间传播的全面图景。由于城市之间通常实行严格的隔离，通过分析城市内的疫情，特别是受政策影响的感染率、死亡率和康复率的时间演变，可以更好地了解疾病的时间演变。我们研究和比较了中国不同城市和意大利各省的感染率，发现疾病传播的特点是两个阶段的过程。在早期，在几天的数量级，感染率接近常数，可能是由于缺乏在观察到感染症状之前检测感染个体的手段。然后在稍后的时间，它会由于衰变而近似呈指数衰减。死亡率和康复率的时间演变也区分了这两个阶段，反映了卫生系统可能超负荷的情况。
2020-07-09 physics.soc-ph q-bio.PE
Fractal and Small-World Networks Formed by Self-Organized Critical Dynamics
我们提出了一个动力学模型，其中网络结构的自组织临界（SOC）的方式演变，并解释了分形和小世界网络的出现可能的起源。我们的模型结合了网络的增长和节点故障的衰减。衰减机制反映了大型功能网络对级联过载故障的不稳定性。结果表明，该动力学系统确实具有SOC特征，如雪崩规模分布、团簇规模分布和间歇性雪崩间隔时间分布的幂律形式.在网络演化过程中，分形网络是在网络经历临界级联故障导致渗流过渡时自发产生的。相反，远离临界的网络具有小世界结构。我们还观察到网络演化过程中分形结构与小世界结构的交叉行为。
2015-07-21 nlin.AO physics.soc-ph q-bio.PE
Cascades in interdependent flow networks
ISC-CNR Physics Dept., Univ. dir Roma "La Sapienza"（罗马第一大学）；IMT Alti Studi Lucca（卢卡高等研究院）；LIMS London Institute of Mathematical Sciences（伦敦数学科学研究所）；Gubkin Russian State University of Oil and Gas（古比雪夫俄罗斯国立石油天然气大学）；ENEA: Italian National Agency for New Technologies, Energy and Sustainable Economic Development（意大利国家新能源与可持续发展技术署）
研究耦合配电网络在负载增长下的突发崩溃行为，发现因长程流动特性导致的一阶相变，分析耦合增强对系统安全性和联合故障概率的双重影响。
2015-10-17 cs.SY eess.SY physics.soc-ph
Robustness and resilience of complex networks
本文利用数学框架综述了复杂网络鲁棒性与韧性的理论及计算方法，探讨了通过设计鲁棒性、识别早期预警信号和调整响应来减轻扰动影响的策略，并比较了最先进拆解技术的性能且提供了实用工具集。
2025-09-24 cond-mat.stat-mech physics.soc-ph
