Quantitative techniques for the vulnerability analysis of critical network systems and infrastructures

The subject of this Ph.D. thesis is the analysis of critical network infrastructures with respect to their vulnerabilities to random failures and targeted attacks. The research work has tackled the development of methodologies for critical infrastructure vulnerability assessment from the standpoint of complex systems theory. In the first part of the thesis, the theoretical bases for the analysis of the topological structure of network systems for the quantification of system vulnerability indicators and the identification of critical elements are described. Several importance measures for the identification of the most important groups of elements are developed. The results of the pure topological analysis that underline structural vulnerabilities, were compared to the results of the vulnerability analysis complemented by functional information on the network. In the second part of the thesis, the role of dynamic modeling of cascading failures in network systems is highlighted. The problem of the efficient estimation of rare cascade failure probability under normal operating conditions is presented. The focus is on cascading failures triggered by the intentional removal of a single network component. The optimization of protection strategies in critical infrastructures is addressed within a complex network systems perspective. Finally, the characterization of uncertainties in electric transmission networks is undertaken, and the impact that the propagation of the identified uncertainties has on the reliability of the electric infrastructure is quantified and ranked. For the above developments, two modeling schemes have been employed at different levels of detail: (I) abstract graph-theoretic modeling that allows analyzing structural properties and the extent to which the failure propagation process affects a network system when its physical and functional characteristics are abstracted, and (II) power flow modeling based on physical laws of electric networks, for the analysis of power grids.

L’argomento di questa tesi di dottorato è l’analisi delle infrastrutture critiche a rete rispetto alla loro vulnerabilità a guasti casuali o ad attacchi intenzionali. Il lavoro di ricerca si è prevalentemente concentrato sullo sviluppo di tecniche quantitative per stimare la vulnerabilità delle infrastrutture critiche dal punto di vista della Teoria dei Sistemi. Nella prima parte della tesi di dottorato, sono descritte le basi teoriche per l’analisi della struttura topologica dei sistemi a rete, necessarie a quantificare gli indicatori di vulnerabilità del sistema e a identificare gli elementi critici. Sono state sviluppate varie misure di importanza per l’identificazione dei gruppi più importanti di componenti. Inoltre, i risultati ottenuti attraverso l’analisi puramente topologica delle vulnerabilità strutturali sono stati comparati ai risultati dell’analisi di vulnerabilità complimentata con informazioni sul funzionamento della rete. Nella seconda parte della tesi di dottorato, è messo in luce il ruolo della modellazione dinamica dei guasti a cascata in sistemi a rete. In particolare, è affrontata la problematica di come stimare in modo efficiente la probabilità di cascate di guasti sotto l’ipotesi di evento raro in condizioni di funzionamento nominali. L’attenzione è rivolta a cascate di guasti innescate dalla distruzione intenzionale di un singolo componente. Inoltre, si affronta l’ottimizzazione delle strategie di protezione da cascate di guasti in infrastrutture critiche modellate come sistemi complessi a rete. Infine, si è intrapresa la caratterizzazione delle incertezze presenti nei sistemi di trasmissione di elettricità, e si è quantificato e classificato l’impatto che la propagazione di tali incertezze ha sull’affidabilità dell’infrastruttura elettrica. Per gli sviluppi menzionati, sono stati impiegati due tipi di modellazioni caratterizzate da un diverso livello di dettaglio: (I) modellazione astratta secondo la teoria dei grafi, la quale consente di analizzare le proprietà strutturali e l’impatto che il processo di propagazione di guasti ha sulla rete nel caso in cui le sue caratteristiche fisiche e funzionali siano astratte, e (II) modellazione del flusso di potenza elettrica basata sulle leggi fisiche delle reti elettriche, applicata all’analisi del sistema di trasmissione di elettricità.