Resilience metrics for interdependent infrastructure systems : a simulation-based systematic review within a large scale project

The aim of the present Thesis is to contribute to the ongoing research around the topic of resilience engineering in complex systems. The concept of resilience - which can be defined as the ability of a system to: (1) provide continuous operation, (2) recover effectively if failure does occur, and (3) scale to meet rapid or unpredictable demands, is attracting more and more interest in recent years, resulting in a wide spectrum of resilience indicators and metrics reported in literature. The main objective of the thesis is to critically and systematically compare the quality and usability of different resilience metrics to analyse the resilience properties of interdependent networked infrastructure systems and support capability building strategies. To this aim, we focused on interdependent transport infrastructures. Indeed, nowadays the continuity of service of a certain class of infrastructures is critical to the sustainable development of modern society, their economic growth as well as the safety and security of citizens. These systems are therefore labelled as Critical Infrastructure. The research methodology is organised into three main phases. Firstly, authors conducted a systematic literature review on the metrics proposed in the last decades to assess resilience of different kind of systems (not limited to transportation networks). By going through a selection process, authors came out with a reduced set of relevant indicators; for each one of these, an in-depth investigation around their properties and the outcomes of documented applications has been carried out. Grounding on the results of this first review, new metrics have been developed by authors and qualitatively compared to the state of the art. In the second phase, the authors designed a quantitative systematic comparison of the most relevant resilience metrics based on a relevant resilience assessment case. The authors had the opportunity to use an ongoing INTERREG project – named SICt (Sicurezza Infrastrutture Critiche transfrontaliere) - as the pilot case study for testing the validity of the selected resilience metrics by applying them to a real and complex system of interdependent transportation infrastructures connecting Italy and Switzerland. To exploit this chance, authors had to map the network that connects Lombardy region to Canton Ticino, collect data from all the operators and process them to build a simulation model of the entire system. To this end, the authors contributed to the further enhancement of the DMCIe model (Dynamic Modelling Critical Infrastructures evolved) and simulator tool. Having defined the theoretical framework (set of resilience metrics and evaluation criteria), the reference case study for the systematic comparison of the selected resilience metrics (SICt project), the analytical model to simulate the infrastructure system (DMCIe model) and having collected all the data, the execution of a set of simulation campaigns and the computation of the metrics were the main objectives of the third phase. More specifically, three types of analysis were carried out: (a) Vital Node Analysis: considering indicators used in previous similar works, authors identified, for the considered network, the most critical nodes from a system resilience point of view, with the objective to set the baseline and to properly calibrate the simulation campaign; (b) Resilience stratification analysis: with respect to SICt case study, the losses in service delivery were split into different terms in order to highlight the contribution of different factors and mechanisms, i.e. the physical degradation of infrastructures’ assets and the cascading effects in the network triggered by functional and logical interdependencies; (c) Factorial experimental campaigns: a 2k Design of Experiment technique was used to test the sensitivity of the selected resilience metrics to changes in system’s characteristics. This analysis aimed to investigate the properties of the selected indicators and test their validity; with respect to this analysis, authors performed multiple simulation campaigns with different system parameters in order to detect and avoid any bias due to the application of the metrics to the specific case study illustrated. Finally, a critical discussion of the properties and limitations of different resilience metrics is offered, along with some guidelines and recommendations for their selection and adoption in different contexts.

L’obiettivo di questa Tesi è contribuire alla ricerca in corso sull’argomento della resilienza applicata a sistemi complessi. Il concetto di resilienza – che può essere definita come abilità del sistema di: (1) svolgere operazioni in modo continuo, (2) ripristinarsi efficacemente se avviene un fallimento, e (3) adattarsi a rapidi o non prevedibili cambi nel livello di domanda, sta attraendo sempre più interesse negli ultimi anni, con il risultato di un ampio spettro di indici di resilienza e metriche riportati in letteratura. L’obiettivo principale è quello di comparare in modo critico e sistematico la qualità e usabilità di differenti metriche di resilienza per analizzare le proprietà di resilienza di networks di infrastrutture interdipendenti e supportare le strategie di apprendimento delle capacità ad esse relative. Per questo fine, gli autori si sono focalizzati su infrastrutture interdipendenti di trasporto. Al giorno d’oggi la continuità di servizio di una certa categoria di infrastrutture è critica per il sostenimento costante della società moderna, della sua crescita economica e della sicurezza dei cittadini. Questi sistemi, quindi, sono definiti come Infrastrutture Critiche. La metodologia di ricerca è articolata in tre differenti fasi. Per prima cosa, gli autori hanno condotto una review sistematica della letteratura a riguardo delle metriche proposte negli ultimi decenni per valutare la resilienza di vari tipi di sistemi (non limitati ai network di trasporto). Passando per un processo di selezione, gli autori hanno raggiunto un set ridotto di indicatori rilevanti; per ognuno di essi, una investigazione attorno alle proprietà e ai risultati di applicazioni documentate è stata condotta. Basandosi sui risultati di questa prima review, nuove metriche sono state sviluppate dagli autori e comparate in modo qualitativo rispetto allo stato dell’arte. Nella seconda fase, gli autori hanno progettato una comparazione sistematica e quantitativa delle più rilevanti metriche basandosi su un caso pratico di valutazione di resilienza. Gli autori hanno avuto l’opportunità di utilizzare il progetto in corso denominato SICt (Sicurezza Infrastrutture Critiche transfrontaliere), finanziato da INTERREG, come caso studio per testare la validità delle metriche selezionate applicandole a un sistema reale e complesso di infrastrutture di trasporto interdipendenti tra loro colleganti Italia e Svizzera. Per sfruttare questa opportunità, gli autori hanno dovuto mappare il network che connette la Regione Lombardia con il Canton Ticino, collezionare informazioni dagli operatori e processarle per realizzare un modello di simulazione dell’intero sistema. Per questo fine, gli autori hanno contribuito allo sviluppo del modello DMCIe (Dynamic Modelling Critical Infrastructures evolved) e relativo tool di simulazione. Dopo aver definito il framework teorico (set di metriche e criteri di valutazione), il caso studio di riferimento per la comparazione sistematica delle metriche selezionate (SICt project), il modello analitico per simulare il sistema di infrastrutture (DMCIe model) e aver collezionato tutti i dati, l’esecuzione di un set di simulazioni e il calcolo delle metriche sono stati gli obiettivi principali della terza fase. Più precisamente, tre tipi di analisi sono stati condotti: (a) Vital Node Analysis: considerando degli indicatori utilizzati nei lavori precedenti, gli autori hanno identificato per il network in analisi i nodi più critici da un punto di vista di resilienza del sistema, con l’obiettivo di ottenere un set base di dati utili per le successive campagne sperimentali; (b) Analisi della stratificazione della resilienza: rispetto al caso studio, le perdite in termini di servizio erogato sono state scomposte in differenti termini per evidenziare il contributo di differenti fattori e meccanismi, ovvero il degrado fisico delle infrastrutture e gli effetti a cascata attivati dalle interdipendenze funzionali e logiche; (c) Campagne di esperimenti fattoriali: una tecnica di sperimentazione 2k è stata usata per testare la sensitività delle metriche selezionate rispetto a cambiamenti nelle caratteristiche del sistema. Questa analisi ha permesso una investigazione delle proprietà degli indicatori scelti testando la loro validità. Per questa analisi, gli autori hanno svolto simulazioni multiple con parametri differenti per cercare di scovare eventuali fattori influenzanti la valutazione, vista l’applicazione delle metriche a un sistema reale così complesso. Infine, una discussione critica delle proprietà e limitazioni delle varie metriche di resilienza è fornita, assieme a delle linee guida e raccomandazioni per la loro selezione e adozione in differenti contesti.