A fortification game (FG) is a three-level, two-player Stackelberg game, also known as defender-attacker-defender game, in which at the uppermost level, the defender selects some assets to be protected from potential malicious attacks. At the middle level, the attacker solves an interdiction game by depreciating unprotected assets, i.e., reducing the values of such assets for the defender, while at the innermost level the defender solves a recourse problem over the surviving or partially damaged assets. Fortification games have applications in various important areas, such as military operations, design of survivable networks, protection of facilities, or power grid protection. In this work, we present an exact solution algorithm for FGs, in which the recourse problems correspond to (possibly NP-hard) combinatorial optimization problems. The algorithm is based on a new generic mixed-integer linear programming reformulation in the natural space of fortification variables. Our new model makes use of fortification cuts that measure the contribution of a given fortification strategy to the objective function value. These cuts are generated on-the-fly by solving separation problems, which correspond to (modified) middle-level interdiction games. We design a branch-and-cut-based solution algorithm based on fortification cuts, their lifted versions, and other speed-up techniques. We present a computational study using the knapsack fortification game and the shortest path fortification game. For the latter one, we include a comparison with a state-of-the-art solution method from the literature. Our algorithm outperforms this method and allows us to solve previously unsolved instances to optimality.


翻译:强化游戏( FG) 是三层的双玩家 Stackelberg 游戏, 也称为捍卫者- 攻击者- 防御者- 防御者游戏, 在最上一级, 捍卫者选择一些资产以免受潜在的恶意攻击。 在中一级, 攻击者通过淡化未保护的资产来解决阻截游戏, 即降低这些资产对维护者的价值, 在最深一级, 捍卫者解决幸存资产或部分受损资产的追索问题。 强化游戏在军事行动、 设计可生存网络、 保护设施或电网保护等重要领域的应用。 在这项工作中, 我们为FGs选择了一个精确的解算法, 其中追索问题与( 可能具有NP- 硬性) 梳理优化问题相对应。 算的基础是在防御变量的自然空间中, 维护一个新的混合内线编程程序。 我们的新模型使用强化值削减用于测量给定的防御战略对目标功能价值的贡献, 包括: 比较、 可生存的网络、 保护设施、 或电网格保护 保护。 在设计过程中, 校外的解方法, 将一个基于设计的解方法, 解到其它的解方法。

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