Em março de 2011, um poderoso terremoto na costa do Japão provocou o desligamento automático dos reatores da Usina Nuclear de Fukushima Daiichi e, simultaneamente, interrompeu as linhas de eletricidade que suportavam seu resfriamento. O terremoto foi o único desastre que atingiu aquele dia, geradores de reserva de emergência teriam evitado um colapso. Em vez de, um tsunami imediatamente seguiu o terremoto, inundando os geradores e levando ao acidente nuclear mais sério da história recente. Para o especialista em sistemas Yanfeng Ouyang, professor de engenharia civil e ambiental (CEE) na Universidade de Illinois, foi um exemplo perfeito do problema de projetar sistemas contra interrupções correlatas.

Até agora, engenheiros de sistemas têm lutado com o problema de planejamento para impactos de desastres ligados por correlação - como os de terremotos e tsunamis - por causa dos cálculos complicados necessários para quantificar com precisão as probabilidades de todas as combinações possíveis de ocorrências de interrupção. Quando existe correlação, a probabilidade de uma ruptura conjunta não é simplesmente o produto das rupturas individuais. Isso deixa lacunas em nossa compreensão de como projetar sistemas de infraestrutura com a maior resistência e resiliência a desastres.

Agora Ouyang e outros pesquisadores do CEE desenvolveram um novo método para projetar e otimizar sistemas sujeitos a interrupções correlatas. Esse método elimina a necessidade de abordar diretamente as muitas combinações de interrupções que dificultavam a modelagem desses problemas no passado. Eles descreveram isso em um artigo publicado este mês em Pesquisa de Transporte - Parte B, Metodológico , o mais recente em uma série de artigos relacionados dos últimos anos. Uma das chaves de seu método era incorporar probabilidade negativa, um conceito aparentemente nunca antes utilizado para fins de projeto de sistema.

“Com este conceito, desenvolvemos uma nova metodologia para ajudar a projetar sistemas com os quais tínhamos dificuldade antes, de modo que eles podem ser mais resistentes a desastres e mais resilientes do que antes, "disse Ouyang, o professor dotado de George Krambles em transporte ferroviário e público, que liderou a série de trabalhos com ex-alunos de doutorado, incluindo Siyang Xie (Ph.D. 18), agora um cientista pesquisador do Facebook, e o ex-pesquisador de pós-doutorado Kun An, agora é membro do corpo docente da Monash University na Austrália.

O novo método computacional da equipe é amplamente aplicável porque pode ser usado para modelar e otimizar qualquer sistema em rede - por exemplo, cadeias de abastecimento, sistemas de transporte, redes de comunicação, redes elétricas e muito mais. O método incorpora um sistema virtual de "estações de apoio" para representar as vulnerabilidades correlacionadas de componentes de infraestrutura no mundo real. Isso permite que os engenheiros de sistemas traduzam os impactos complexos de desastres nos componentes em impactos simples e independentes nas estações de suporte. Por exemplo, no caso de dois armazéns cujas operações podem ser interrompidas por uma tempestade de neve, imagina-se que suas funcionalidades dependem de algumas fontes de alimentação virtuais, cada um servindo como estação de apoio aos armazéns. Ao definir a dependência adequada entre os dois armazéns e essas fontes de energia, pode-se traduzir os estados de funcionalidade correlacionados dos dois depósitos em interrupções independentes das fontes de alimentação compartilhadas.

"Mostramos que qualquer número de componentes de infraestrutura com qualquer tipo de correlação de interrupção entre eles pode ser descrito por um sistema devidamente configurado de tais estações virtuais, onde cada um deles falha apenas independentemente um do outro, "Ouyang disse. Esta construção torna os cálculos consideravelmente mais gerenciáveis ​​porque reduz significativamente a complexidade de representar as correlações de falha no modelo de design.

"Agora temos uma nova maneira de descrever o sistema, "Ouyang disse." Passamos de um sistema onde há correlação para um sistema equivalente onde não há correlação - cada falha agora é independente das outras, portanto, as probabilidades são muito mais fáceis de calcular. "

Para representar com precisão o comportamento dos sistemas no mundo real, a equipe teve que introduzir o conceito de probabilidade negativa para interrupções de estação, o que permite que seus modelos tratem dos riscos de interrupção negativamente correlacionados dos componentes do sistema. Embora a correlação positiva indique que os componentes da infraestrutura têm dependências que levam seus comportamentos em caso de desastres a se moverem na mesma direção, Correlação negativa, pelo contrário, expressa a ideia de que os efeitos de desastres em um componente implicam em efeitos opostos em outro. Por exemplo, quando dois armazéns competem por recursos limitados, alguém obteria benefícios quando seu concorrente estivesse sofrendo perdas ou enfrentando dificuldades. De forma similar, se uma área perto de um rio for inundada, outras áreas a jusante podem ser melhores porque a pressão da água foi liberada.

Embora a correlação negativa seja um conceito bem conhecido, probabilidade negativa soa um tanto heterodoxa. A princípio, os pesquisadores não sabiam que um conceito semelhante já estava em uso na disciplina de mecânica quântica; eles apenas sabiam pela matemática que precisavam representar a possibilidade de um desastre afetar entidades concorrentes de maneiras opostas. Porque eles tiveram que traduzir a correlação do sistema do mundo real para a estrutura virtual das estações de suporte, a probabilidade de uma estação de apoio ser afetada por um desastre teve que incorporar o risco de vários componentes, alguns dos quais seriam afetados negativamente e alguns dos quais podem ser afetados positivamente. A "propensão ao fracasso, "como eles originalmente chamaram de probabilidade negativa em um artigo de 2015, de uma estação de suporte pode, portanto, ser maior do que 1 - ou equivalentemente, o complemento sendo negativo.

Para o melhor conhecimento dos pesquisadores, usar este conceito para aplicações de engenharia é totalmente novo, permitindo-lhes resolver problemas que antes eram proibitivamente difíceis. A equipe espera que os designers de engenharia de todos os tipos de sistemas de infraestrutura de rede o adotem, levando a projetos de engenharia mais inteligentes para maior resistência a desastres em um amplo espectro de tipos de sistemas.