搜尋引擎演演算法：守護關鍵基礎設施的新利器

搜尋引擎的技術不僅能幫你找到失聯已久的朋友或發掘美味食譜，它背後的演演算法更能在緊急時刻確保電力供應、水資源流通，甚至讓交通運輸系統正常運作。美國能源部太平洋西北國家實驗室的科學家們發現，這些支撐網路搜尋的演演算法，同樣能保護電網、水處理廠、食品加工設施和醫院等關鍵設施。

「這項技術為那些試圖保護重要網路免受威脅（如網路攻擊）的人提供了資源，幫助他們優先保護最關鍵的結構，」領導這項研究的數學家比爾·凱（Bill Kay）表示。這項新研究發表在《國土安全事務》期刊上，其核心是谷歌的PageRank演演算法，該演演算法原本用於為網路搜尋者推薦最相關的網站。為了對搜尋結果進行排名，該公式考慮了諸如有多少具影響力的網站指向特定頁面，以及該頁面本身又指向多少具影響力的網站等因素。

凱的團隊將同樣的原則應用於電網、水處理廠和醫院等結構，以確保電力供應、水質清潔以及醫療服務的正常運作。研究人員將這些設施網路稱為「關鍵基礎設施」——一旦受損或毀壞，可能威脅公共安全或國家安全的結構。

對於像凱這樣的研究人員來說，任務是在美國這樣一個擁有數萬個重要設施的國家中，幫助規劃者優先保護最重要的結構。哪些設施最可能成為對手的目標？哪些設施的故障最可能引發連鎖反應？防禦者又該如何盡快阻止這種連鎖反應？「並非所有基礎設施都同等重要，」凱解釋道，「如果故障正在擴散，我想知道如果某個裝置被破壞會發生什麼——影響範圍會有多大？」

「關鍵在於識別那些影響力雙向流動的系統，」凱補充道，「找出那些受許多其他系統影響，同時也影響許多其他系統的設施。這就像知道高中裡誰是所謂的『風雲人物』，尤其是那些在風雲人物中也受歡迎的人。」

許多事情可能迅速發生。例如，如果一隻松鼠意外破壞了變電站，水處理廠的泵可能會停止運作，這可能威脅到附近醫院或核電廠的供水，後者需要水來冷卻。當然，官方有強大的備用系統，但他們的規劃中有一部分是瞭解如何盡快防止這種連鎖故障。

關鍵系統相互關聯，這對研究人員優先保護哪些系統提出了挑戰。例如，變電站為水處理廠供電，水處理廠為核電廠提供冷卻水，核電廠又為醫院供電，而醫院則為城鎮提供電力和緊急服務。

凱的團隊首先對現有的PageRank演演算法進行了調整。科學家們不再分析網頁之間的互動，而是研究結構之間的互動。哪些設施最可能成為目標或發生故障？哪些設施的故障會對其他設施產生嚴重影響？符合這兩個條件的設施被團隊視為關鍵。

「當故障在網路中傳播時，我想知道兩件事：哪些東西可能發生故障，以及哪些東西的故障可能進一步傳播故障，」專攻圖形網路的凱說道。團隊不僅應用PageRank公式，還進行了修改，以同時權衡多個資訊流——這就像同時進行數十個相關的網路搜尋，並讓所有搜尋相互溝通。團隊將這種方法稱為多層次方法。

「想像多層次演演算法就像一個多層次三明治——俱樂部三明治，」合著者帕特里克·麥基（Patrick Mackey）解釋道，「一層可能是電力系統，另一層是交通運輸，其他層可能是石油管道或醫院。許多人孤立地看待這些基礎設施的方面；我們則將它們視為一個整體，並研究它們如何相互影響，這有助於識別哪些最關鍵。」

在多個模擬中，團隊展示了其多層次方法比其他方法（包括單純的PageRank演演算法和另一種稱為「出度」的方法）能更快地阻止故障，並減少受損結構的數量。團隊並未量化與其他方法相比，這種方法能在多大程度上限制攻擊，而是將這項研究視為該方法值得探索的證據。

「針對這類工作的好演演算法並不一定需要納入各種實體的詳細動態。通常，充分理解這些實體之間的關係就足夠了，」凱表示，「它提供了一個起點，一旦人類專家加入相關領域的知識，它就會變得非常有用。」

這項工作是太平洋西北國家實驗室研究員薩姆·查特吉（Sam Chatterjee）領導的專案組合的一部分，他是首席研究員兼首席資料科學家。「這項工作展示了網路科學方法如何被調整以應對關鍵基礎設施風險和韌性挑戰的絕佳範例，」查特吉說。除了查特吉、凱和麥基，前實習生雅各布·米勒（Jacob Miller）也為該專案做出了貢獻。