Nel marzo del 2011, un potente terremoto al largo delle coste del Giappone ha innescato l'arresto automatico dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Daiichi e contemporaneamente interrotto le linee elettriche che ne sostenevano il raffreddamento. Se il terremoto fosse stato l'unico disastro che ha colpito quel giorno, generatori di emergenza avrebbero impedito un crollo. Anziché, al terremoto seguì immediatamente uno tsunami, allagando i generatori e portando al più grave incidente nucleare della storia recente. Per l'esperto di sistemi Yanfeng Ouyang, un professore di ingegneria civile e ambientale (CEE) presso l'Università dell'Illinois, era un perfetto esempio del problema della progettazione di sistemi contro le interruzioni correlate.

Fino ad ora, gli ingegneri di sistema hanno lottato con il problema della pianificazione degli impatti dei disastri collegati da una correlazione, come quelli di terremoti e tsunami, a causa dei calcoli ingombranti necessari per quantificare con precisione le probabilità di tutte le possibili combinazioni di eventi di interruzione. Quando esiste una correlazione, la probabilità di una rottura congiunta non è semplicemente il prodotto di quelle delle interruzioni individuali. Ciò lascia delle lacune nella nostra comprensione di come progettare sistemi infrastrutturali con la massima resistenza e resilienza ai disastri.

Ora Ouyang e altri ricercatori CEE hanno sviluppato un nuovo metodo per progettare e ottimizzare i sistemi soggetti a interruzioni correlate. Questo metodo elimina la necessità di affrontare direttamente le molte combinazioni di interruzioni che hanno reso tali problemi difficili da modellare in passato. Lo hanno descritto in un articolo pubblicato questo mese in Ricerca sui trasporti parte B, Metodologico , l'ultimo di una serie di articoli correlati degli ultimi anni. Una delle chiavi del loro metodo era incorporare la probabilità negativa, un concetto apparentemente mai utilizzato prima per scopi di progettazione del sistema.

"Con questo concetto, abbiamo sviluppato una nuova metodologia per aiutare a progettare sistemi con i quali prima avevamo difficoltà, in modo che possano essere più resistenti ai disastri e più resilienti di prima, " disse Ouyang, il George Krambles Doted Professor in Rail and Public Transit, che ha guidato la serie di lavori con ex studenti di dottorato tra cui Siyang Xie (Ph.D. 18), ora un ricercatore presso Facebook, ed ex ricercatore post-dottorato Kun An, ora membro di facoltà alla Monash University in Australia.

Il nuovo metodo computazionale del team è ampiamente applicabile perché può essere utilizzato per modellare e ottimizzare qualsiasi sistema in rete, ad esempio catene di approvvigionamento, sistemi di trasporto, reti di comunicazione, reti elettriche e altro. Il metodo incorpora un sistema virtuale di "stazioni di supporto" per rappresentare le vulnerabilità correlate dei componenti dell'infrastruttura nel mondo reale. Ciò consente ai sistemisti di tradurre impatti complessi di disastri sui componenti in impatti semplici e indipendenti sulle stazioni di supporto. Per esempio, nel caso di due magazzini le cui operazioni possono essere entrambe interrotte da una tempesta di neve, si immagina che le loro funzionalità si basino su alcune fonti di alimentazione virtuali, ognuna delle quali funge da stazione di appoggio ai magazzini. Impostando una corretta dipendenza tra i due magazzini e queste fonti di alimentazione, si possono tradurre gli stati di funzionalità correlati dei due magazzini in interruzioni indipendenti delle alimentazioni condivise.

"Abbiamo dimostrato che un numero qualsiasi di componenti dell'infrastruttura con qualsiasi tipo di correlazione di interruzione tra di loro può essere descritto da un sistema adeguatamente configurato di tali stazioni virtuali, dove ciascuno di essi fallisce solo indipendentemente l'uno dall'altro, " Ha detto Ouyang. Questo costrutto rende i calcoli notevolmente più gestibili perché riduce significativamente la complessità della rappresentazione delle correlazioni di guasto nel modello di progettazione.

"Ora abbiamo un nuovo modo di descrivere il sistema, Ouyang ha detto. quindi le probabilità sono molto più facili da calcolare."

Per rappresentare accuratamente il comportamento dei sistemi nel mondo reale, il team ha dovuto introdurre il concetto di probabilità negativa per le interruzioni della stazione, che consente ai loro modelli di affrontare i rischi di interruzione correlati negativamente dei componenti del sistema. Sebbene una correlazione positiva indichi che i componenti dell'infrastruttura hanno dipendenze che guidano i loro comportamenti in caso di disastri a muoversi nella stessa direzione, correlazione negativa, anzi, esprime l'idea che gli effetti dei disastri su un componente implicano gli effetti opposti su un altro. Per esempio, quando due magazzini competono per risorse limitate, si trarrebbe beneficio quando il suo concorrente è in perdita o in difficoltà. Allo stesso modo, se un'area vicino a un fiume è inondata, altre aree a valle potrebbero stare meglio perché la pressione dell'acqua è stata rilasciata.

Sebbene la correlazione negativa sia un concetto ben noto, probabilità negativa suona in qualche modo poco ortodosso. All'inizio i ricercatori non sapevano che un concetto simile fosse già in uso nella disciplina della meccanica quantistica; sapevano solo dalla matematica che avevano bisogno di rappresentare la possibilità di un disastro che colpisse entità concorrenti in modi opposti. Poiché dovevano tradurre la correlazione dal sistema del mondo reale alla struttura virtuale delle stazioni di supporto, la probabilità che una stazione di supporto fosse colpita da un disastro doveva incorporare il rischio di più componenti, alcuni dei quali sarebbero influenzati negativamente e alcuni dei quali potrebbero essere influenzati positivamente. La "propensione al fallimento, " come originariamente chiamavano una probabilità così negativa in un articolo del 2015, di una stazione di supporto potrebbe quindi essere maggiore di 1 o equivalentemente, il complemento è negativo.

Per quanto a conoscenza dei ricercatori, l'utilizzo di questo concetto per le applicazioni di ingegneria è nuovo di zecca, consentendo loro di risolvere problemi che in precedenza erano proibitivi. Il team spera che i progettisti di tutti i tipi di sistemi di infrastrutture di rete lo abbracceranno, portando a progetti ingegneristici più intelligenti per una maggiore resistenza ai disastri in un ampio spettro di tipi di sistemi.