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@MastersThesis{Soares:2022:AnNeVu,
               author = "Soares, Giovanni Guarnieri",
                title = "Beyond the shortest path: an analysis of networks' 
                         vulnerabilities",
               school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
                 year = "2022",
              address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
                month = "2022-02-11",
             keywords = "complex networks, random walks, vulnerability, communicability, 
                         eficiency, redes complexas, random walks, vulnerabilidade, 
                         comunicabilidade, efici{\^e}ncia.",
             abstract = "Transportation, power grids, communication, water, oil, and gas 
                         distribution systems heavily influence our well-being. Studying 
                         the structure of those critical infrastructures is extremely 
                         important for peoples quality of life. We model those systems as a 
                         network using the graph theory. This work explores already defined 
                         topological metrics such as Efficiency, Communicability, and 
                         Vulnerability, but following an innovative approach: considering 
                         not only the shortest paths between pairs of nodes in the 
                         networks. We define vulnerability as a drop in the networks 
                         performance, and performance is a general term, able to be 
                         quantified by different metrics. We propose a twist in the already 
                         defined vulnerability index using communicability as a performance 
                         instead of efficiency. Firstly, we compare the traditional 
                         efficiency-based vulnerability with our proposed 
                         communicability-based one. This way, we show how the different 
                         metrics highlight different vulnerable points and how testing 
                         multiple paths instead of only the shortest can impact the 
                         results. After that, we perform several linear regressions between 
                         the vulnerabilities and well-known metrics (e.g., degree, shortest 
                         path length, and betweenness). Our findings show different 
                         patterns of relations for different network topologies, such as 
                         Random and Scale Free. Finally, we explore RandomWalks on networks 
                         by walking on them.We run a RandomWalk on the network and count 
                         how many times the Brownian particle goes through each node: 
                         Passaging Index. We compare, for each node, the Passaging Index 
                         with other metrics and find linear correlations between the 
                         Passaging Index and Degree, resulting in a strong linear 
                         correlation, with a R2 = 1. To the Erd\ősR{\'e}nyi model, 
                         the linear correlation is also present between the Passaging Index 
                         and the Vulnerability with Efficiency in all cases, while in 
                         Barab{\'a}si-Albert presents more complex correlations between 
                         metrics. RESUMO: Transporte, redes de energia, 
                         comunica{\c{c}}{\~a}o e sistemas de distribui{\c{c}}{\~a}o de 
                         {\'a}gua, {\'o}leo e g{\'a}s influenciam fortemente nosso 
                         bem-estar. Estudar a estrutura dessas infraestruturas 
                         cr{\'{\i}}ticas {\'e} extremamente importante para a qualidade 
                         de vida das pessoas. Modelamos esses sistemas como uma rede usando 
                         a teoria dos grafos. Este trabalho explora m{\'e}tricas 
                         topol{\'o}gicas j{\'a} definidas como Efici{\^e}ncia, 
                         Comunicabilidade e Vulnerabilidade, mas seguindo uma abordagem 
                         inovadora: considerando n{\~a}o apenas os caminhos mais curtos 
                         entre pares de n{\'o}s nas redes. Definimos vulnerabilidade como 
                         uma queda na performance da rede, e performance {\'e} um termo 
                         geral, pass{\'{\i}}vel de ser quantificado por diferentes 
                         m{\'e}tricas. Propomos uma reviravolta no {\'{\i}}ndice de 
                         vulnerabilidade j{\'a} definido usando comunicabilidade como um 
                         desempenho em vez de efici{\^e}ncia. Em primeiro lugar, 
                         comparamos a vulnerabilidade tradicional baseada na 
                         efici{\^e}ncia com a nossa proposta baseada na comunicabilidade. 
                         Desta forma, mostramos como as diferentes m{\'e}tricas destacam 
                         diferentes pontos vulner{\'a}veis e como testar v{\'a}rios 
                         caminhos em vez de apenas o mais curto pode impactar os 
                         resultados. Depois disso, realizamos v{\'a}rias regress{\~o}es 
                         lineares entre as vulnerabilidades e m{\'e}tricas conhecidas (por 
                         exemplo, grau, comprimento do caminho mais curto e 
                         intermedia{\c{c}}{\~a}o). Nossos resultados mostram diferentes 
                         padr{\~o}es de rela{\c{c}}{\~o}es para diferentes topologias de 
                         rede, como Aleat{\'o}ria e Livre de Escala. Finalmente, 
                         exploramos Random Walks em redes caminhando sobre elas. Executamos 
                         uma Random Walk na rede e contamos quantas vezes a 
                         part{\'{\i}}cula browniana passa por cada n{\'o}: 
                         {\'{\I}}ndice de Passagem. Comparamos, para cada n{\'o}, tal 
                         {\'{\i}}ndice com outras m{\'e}tricas de rede e encontramos uma 
                         forte correla{\c{c}}{\~a}o linear entre o {\'{\I}}ndice de 
                         Passagem e o grau associado a cada n{\'o}, formando uma 
                         rela{\c{c}}{\~a}o direta, com R2 = 1 para todos os casos de 
                         grafos distintos. Dentre estes c{\'a}lculos, tamb{\'e}m foi 
                         encontradas outras rela{\c{c}}{\~o}es lineares, entre o 
                         {\'{\I}}ndice de Passagem e a Vulnerabilidade com 
                         Eficic{\^e}ncia, na rela{\c{c}}{\~a}o com o modelo de 
                         Erd\ősR{\'e}nyi. Esta linearidade n{\~a}o se mant{\'e}m 
                         t{\~a}o forte no modelo de Barab{\'a}si-Albert, apresentando 
                         outras rela{\c{c}}{\~o}es mais complexas.",
            committee = "Quiles, Marcos Gon{\c{c}}alves (presidente) and Santos, Leonardo 
                         Bacelar Lima (orientador) and Macau, Elbert Einstein Nehrer and 
                         Penna, Thadeu Josino Pereira",
         englishtitle = "Al{\'e}m do caminho mais curto: uma an{\'a}lise da 
                         vulnerabilidade de redes",
             language = "en",
                pages = "82",
                  ibi = "8JMKD3MGP3W34T/46DSFMP",
                  url = "http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGP3W34T/46DSFMP",
           targetfile = "publicacao.pdf",
        urlaccessdate = "24 abr. 2024"
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