Resiliencia en las estructuras de redes de servicios multinivel

Pisando suavemente en un mundo conectado

Quanta Magazine

Los modelos matemáticos buscan prevenir el fallo de la red grande siguiente.


Las luces de la ciudad, como se ve en esta imagen compuesta de la NASA, a menudo dependen de un sistema de redes interconectadas que los científicos dicen que puede ser inherentemente 

Gene Stanley nunca baja las escaleras sin sujetarse del pasamanos. Para un joven de 71 años de edad, tiene un miedo mortal de romperse la cadera. En los ancianos, tales interrupciones pueden desencadenar complicaciones fatales, y Stanley, un profesor de física en la Universidad de Boston, cree que sabe por qué.

"Todo depende de todo lo demás", dijo.

Hace tres años, Stanley y sus colegas descubrieron las matemáticas detrás de lo que él llama "la extrema fragilidad de la interdependencia". En un sistema de redes interconectadas como la economía, la infraestructura urbana o el cuerpo humano, su modelo indica que un pequeño apagón en una red puede provocar una cascada a través de todo el sistema, generando una repentina y catastrófica falla generalizada.

El hallazgo, publicado por primera vez en 2010 en la revista Nature, generó más de 200 estudios relacionados, incluyendo análisis del apagón nacional en Italia en 2003, la crisis mundial de los precios de los alimentos de 2007 y 2008 y el "flash crash" de Estados Unidos del 6 de mayo de 2010.

"En las redes aisladas, un poco de daño sólo conducirá a un poco más de daño", dijo Shlomo Havlin, un físico de la Universidad Bar-Ilan en Israel, coautor del artículo de 2010. "Ahora sabemos que debido a la dependencia entre redes, usted puede tener un colapso abrupto."

Mientras que los científicos siguen siendo cautelosos sobre el uso de los resultados de modelos matemáticos simplificados para reingenierizar los sistemas del mundo real, algunas recomendaciones están comenzando a surgir. Basados ​​en refinamientos basados ​​en datos, los nuevos modelos sugieren que las redes interconectadas deben tener copias de seguridad, mecanismos para cortar sus conexiones en tiempos de crisis y regulaciones más estrictas para prevenir fallas generalizadas.

"Hay esperanzas de que algún punto dulce se beneficie de todas las cosas que las redes de redes traen sin ser abrumado por el riesgo", dijo Raissa D'Souza, un complejo teórico de sistemas de la Universidad de California, Davis.


A menudo, las redes de energía, gas, agua, telecomunicaciones y transporte están interrelacionadas. Cuando los nodos de una red dependen de nodos en otro, los fallos de nodos en cualquiera de las redes pueden desencadenar un colapso en todo el sistema.

Para entender la vulnerabilidad de tener nodos en una red depende de nodos en otro, considere la "red inteligente", un sistema de infraestructura en el cual las centrales eléctricas son controladas por una red de telecomunicaciones que a su vez requiere energía de la red de estaciones. De forma aislada, la eliminación de unos pocos nodos de cualquiera de las redes haría poco daño, ya que las señales podrían encaminarse alrededor de la interrupción y llegar a la mayoría de los nodos restantes. Pero en redes acopladas, los nodos derribados en uno eliminan automáticamente los nodos dependientes en el otro, lo que elimina otros nodos dependientes en el primero, y así sucesivamente. Los científicos modelan este proceso en cascada calculando el tamaño del clúster más grande de nodos conectados en cada red, donde la respuesta depende del tamaño del clúster más grande de la otra red. Con los cúmulos interrelacionados de esta manera, una disminución en el tamaño de uno de ellos desencadena una cascada de ida y vuelta de racimos encogibles.

Cuando el daño a un sistema alcanza un "punto crítico", Stanley, Havlin y sus colegas encuentran que el fracaso de un nodo más cede todos los clústeres de red a cero, matando instantáneamente la conectividad en todo el sistema. Este punto crítico variará dependiendo de la arquitectura de un sistema. En uno de los modelos de red acoplada más realistas del equipo, una interrupción del 8 por ciento de los nodos en una red, un nivel plausible de daño en muchos sistemas reales, lleva al sistema a su punto crítico. "La fragilidad que implica esta interdependencia es muy aterradora", dijo Stanley.

Sin embargo, en otro modelo recientemente estudiado por D'Souza y sus colegas, los escasos vínculos entre redes separadas realmente ayudan a suprimir las cascadas a gran escala, demostrando que los modelos de red no son uniformes. Para evaluar el comportamiento de las redes inteligentes, los mercados financieros, los sistemas de transporte y otras redes reales interdependientes, "tenemos que partir del mundo dirigido por los datos y elaborar los modelos matemáticos que capturan los sistemas reales en lugar de usar modelos porque Son bastante y analíticamente manejables ", dijo D'Souza.

En una serie de artículos en la edición de marzo de Nature Physics, economistas y físicos utilizaron la ciencia de las redes interconectadas para identificar el riesgo dentro del sistema financiero. En un estudio, un grupo interdisciplinario de investigadores, entre ellos el economista Joseph Stiglitz, ganador del Premio Nobel, encontró inestabilidades inherentes dentro del complejo mercado de derivados, de múltiples trillones de dólares, y sugirió regulaciones que podrían ayudar a estabilizarlo.

Irena Vodenska, profesora de finanzas de la Universidad de Boston, que colabora con Stanley, diseñó un modelo de red acoplada en torno a los datos de la crisis financiera de 2008. El análisis de ella y sus colegas, publicado en febrero en Scientific Reports, mostró que modelar el sistema financiero como una red de dos redes -bancos y activos bancarios, donde cada banco está vinculado a los activos que tenía en 2007- predijo correctamente qué bancos Fallan el 78 por ciento del tiempo.

"Consideramos este modelo como potencialmente útil para las pruebas de estrés de riesgo sistémico para los sistemas financieros", dijo Vodenska, cuya investigación está financiada por el programa de predicción de la crisis financiera de la Unión Europea. A medida que la globalización enreda aún más las redes financieras, dijo, las agencias reguladoras deben monitorear las "fuentes de contagio" -concentraciones en ciertos activos, por ejemplo- antes de que puedan causar epidemias de fracaso. Para identificar estas fuentes, "es imprescindible pensar en el sentido de redes de redes", dijo.


Leonardo Dueñas-Osorio, ingeniero civil de Rice, visitó una subestación de alto voltaje dañada en Chile luego de un gran terremoto en 2010 para obtener información sobre la respuesta de la red eléctrica a la crisis.

Los científicos están aplicando ideas similares a la evaluación de la infraestructura. Leonardo Dueñas-Osorio, ingeniero civil de la Universidad de Rice, está analizando cómo los sistemas de salvavidas respondieron a los recientes desastres naturales. Cuando un terremoto de 8,8 grados de magnitud golpeó Chile en 2010, por ejemplo, la mayor parte de la red eléctrica se restauró después de sólo dos días, ayudando a los trabajadores de emergencia. La rápida recuperación, según sugiere la investigación de Dueñas-Osorio, se produjo porque las centrales eléctricas de Chile se desacoplaron inmediatamente del sistema de telecomunicaciones centralizado que usualmente controlaba el flujo de electricidad a través de la red, pero que se redujo en algunas áreas. Las centrales eléctricas fueron operadas localmente hasta que el daño en otras partes del sistema disminuyó.

"Después de un evento anormal, la mayoría de los efectos perjudiciales ocurren en los primeros ciclos de interacción mutua", dijo Dueñas-Osorio, quien también está estudiando la respuesta de la ciudad de Nueva York al huracán Sandy en octubre pasado. "Así que cuando algo va mal, necesitamos tener la capacidad de desacoplar las redes para evitar los efectos de ida y vuelta entre ellos".

D'Souza y Dueñas-Osorio están colaborando para construir modelos precisos de sistemas de infraestructura en Houston, Memphis y otras ciudades americanas con el fin de identificar las debilidades del sistema. "Los modelos son útiles para ayudarnos a explorar configuraciones alternativas que podrían ser más efectivas", explicó Dueñas-Osorio. Y como la interdependencia entre las redes aumenta naturalmente en muchos lugares, "podemos modelar esa integración superior y ver qué pasa".

Los científicos también están buscando en sus modelos respuestas sobre cómo arreglar los sistemas cuando fallan. "Estamos en el proceso de estudiar cuál es la manera óptima de recuperar una red", dijo Havlin. "Cuando las redes fallan, ¿qué nodo se arreglan primero?"

La esperanza es que las redes de redes puedan ser inesperadamente resistentes por la misma razón que son vulnerables. Como dijo Dueñas-Osorio: "Al hacer mejoras estratégicas, ¿podemos tener lo que equivale a cascadas positivas, donde una pequeña mejora propaga beneficios mucho mayores?"

Estas preguntas abiertas tienen la atención de los gobiernos de todo el mundo. En Estados Unidos, la Agencia para la Reducción de las Amenazas a la Defensa, una organización encargada de salvaguardar la infraestructura nacional contra las armas de destrucción masiva, considera el estudio de las redes interdependientes su "máxima prioridad de misión" en la categoría de investigación básica. Algunas aplicaciones de defensa ya han surgido, como un nuevo diseño para sistemas de redes eléctricas en bases militares. Pero gran parte de la investigación pretende clasificar las sutilezas matemáticas de la interacción de la red.

"Todavía no estamos en el nivel" vamos a ingeniar la Internet de manera diferente ", dijo Robin Burk, un científico de la información y ex director del programa DTRA que dirigió el enfoque de la agencia en la investigación de redes interdependientes. "Una buena parte de ella sigue siendo ciencia básica - ciencia desesperadamente necesaria."