Vulnerability, resilience, and robustness metrics for infrastructure systems

The paper begins with a brief review of the major natural disasters, their occurrence, the deadliest disasters over the 20-year period 2000-2020, and their impact, which has affected both developed and under-developed economies. This is followed by the identification of the impact of the natural disaster on the four basic modes of transport: Road, Railway, Air, and Maritime. Therefore, it is important to be able to quantifiably measure their resilience in order to reduce economical losses. The concept of resilience is linked the ability to resist or quickly recover its function after a disruption or a disaster. To do so we need to identify the vulnerable elements and the robustness of the transport system using proper tools, like those derived from graph theory. Graphs are among the most used tools for studying different types of transportation systems. Thus, the aim of this paper is to introduce a set of metrics to the measure of vulnerability, resilience and robustness. Vulnerability measures are computed as loss of connectivity and efficiency, by finding the critical element (node, edges) in the network. Robustness refers to as the capacity to absorb disturbances with a minimal impact on system performance. The measures discussed in this paper are based on the concepts of connectivity, distance, betweenness and clustering, and some other measures to determine vulnerability, resilience and robustness.

Il documento inizia con una breve rassegna dei principali disastri naturali, del loro verificarsi, dei disastri più letali nel ventennio 2000-2020 e del loro impatto, che ha colpito sia le economie sviluppate che quelle sottosviluppate. Questo è seguito dall'identificazione dell'impatto dei disastro naturali sulle quattro basilari di trasporto: Strada, Ferrovia, Aereo e Marittimo. Pertanto, è importante poter misurare in modo quantificabile la resilienza per essere in grado di ridurre le perdite economiche. Il concetto di resilienza è la capacità di resistere o recuperare rapidamente la propria funzione dopo un'interruzione o un disastro. Per fare ciò è necessario identificare gli elementi vulnerabili e la robustezza del sistema di trasporto utilizzando strumenti apposite, per esempio quelli della teoria dei grafi. I grafici sono tra gli strumenti più utilizzati per studiare diversi tipi di sistemi di trasporto. Lo scopo di questo documento è quindi quello di introdurre una serie di metriche per misurare la vulnerabilità, la resilienza e la robustezza. Le misure di vulnerabilità sono calcolate come perdita di connettività e di efficienza, individuando gli elementi critici (nodo, archi) nella rete. La robustezza si riferisce alla capacità di assorbire i disturbi con un impatto minimo sulle prestazioni del sistema. Le misure discusse in questo documento si basano sui concetti di connettività, distanza, betweenness e clustering, e su alcune altre misure per determinare la vulnerabilità, la resilienza e la robustezza.