Modellazione funzionale e dinamica delle interdipendenze tra infrastrutture critiche

Nowadays the uninterrupted service of a certain class of infrastructures is critical to the economic development of our society. These infrastructures are generally regarded as Critical Infrastructures. The term critical derives from the service provided by this kind of infrastructures. Considering that all these infrastructures belong to a network, it is not possible to neglect the strong interdependencies that link one infrastructure to each other. It is then necessary to think about a critical infrastructure as of a complex entity composed by several systems. This need directly derives from the concept of interdependency. Interdependency involves different ways of interaction between parts of two or more critical infrastructures. Interdependencies can be classified into two main categories: internal dependences and external dependences. Internal dependences involve the correct functioning of a single infrastructure’s components and connections for its own service continuity. External dependences instead, imply the uninterrupted supply of the service of those infrastructures (or part of other infrastructures) from which the service continuity of a specific infrastructure depends upon. Furthermore, for both categories four main types of interdependencies among CIs can be defined (Rinaldi et al., 2001): physical interdependencies, geographic interdependencies, logical interdependencies and cybernetic interdependencies. Physical interdependencies are due to the exchanges of resources among CIs (customer/supplier-type relationships). Physical interdependencies refer to the geographic proximity of the infrastructures. Logical interdependencies are a consequence of the overall economical and political realities and are also due to the shift of the demand between two infrastructures that can provide the same or a fully/partially comparable service (e.g. in the transportation sector, it is possible to record the service demand shift from a railway to a highway due to a problem in the former). Cybernetic interdependencies are due to the transfer of information among CIs. The rising interest in the development and protection of critical infrastructures lead to an increased international attention on this field. In this context, the Lombardy Region Administration launched an institutional program in order to estimate the deficiencies in citizen protection against possible breakdowns of critical services, being Lombardy one of the most densely populated and industrialized regions in Europe. One of the aims of this project is to involve private and public operators of critical services in both the documentation of critical nodes and the development of thorough interdependency analyses. This is achieved by identifying the most appropriate modelling strategy to analyze the interdependencies existing among critical infrastructures. Consistently with this statement in this thesis we present a model developed ad-hoc to address this type of problems. This new model differs from those existing in literature or currently being developed mainly for the point of view adopted: we focus on functional aspects rather than on physical or socioeconomic aspects as in existing models. The adoption of a functional point of view implies the definition of an infrastructure essentially in terms of the service provided to the society, regardless of the physical principles that describe how a single infrastructure works or what its socio-economic implications are. By doing so, we define a set of generic entities not depending on the single infrastructure, like maximum service capacity, time dependent standard and actual service demand, service level and maximum service level, inoperability and disservice, through which we characterize every infrastructure’s vulnerable node. We also introduce another set of parameters used to define acting threats and interdependencies existing among them. The major characteristics of our model are the following: the entities introduced in the model are characterized by different attributes, there is a time effective dimension, and relationships between the entities are time dependent and influenced by the whole system. The model can analyze a diversified range of impacts over a wide set of targets (citizens, economic activities, CIs, natural and cultural heritages, etc.; see also Cagno et al., 2008), and it can be used for both diagnostic and prognostic purposes. In order to demonstrate the applicability of the proposed model and to provide an example of the model’s outcome, we propose a pilot case through which we test whether the model can represent all the different types of interdependencies. In the proposed pilot case we consider the critical infrastructures that constitute the transportation system (road, rail, underground, and airport system) in the province of Milan. This system is then used to simulate two different failure scenarios: the “elementary failure scenario” and the “complex failure scenario”. The “elementary failure scenario” is triggered by the activation of a threat which is able to impact on a single vulnerable node at a time, blocking it for the entire timewindow considered. The “complex failure scenario” is triggered by a single threat which is able to block more vulnerable nodes concurrently or by several threats acting simultaneously. For the first type we discuss the results of the entire range of possible scenarios occurring in the defined system. For the second type one realistic scenario is proposed to better understand how to operate the model and how to analyze its results.

Oggigiorno il corretto funzionamento di un determinato insieme di infrastrutture risulta di rilevanza cruciale per lo sviluppo sociale ed economico di un paese industrializzato. Le infrastrutture appartenenti a questa classe sono dunque dette infrastrutture critiche. La definizione di criticità deriva direttamente dalla tipologia di servizio che queste infrastrutture forniscono alla società. Tenendo presente che tutte queste infrastrutture appartengono ad una rete, si evidenzia una forte interdipendenza che lega una infrastruttura a tutte le altre. In virtà di tale interdipendenza, risulta pertanto necessario concepire le infrastrutture non come un insieme di singoli sistemi fondamentali per la regolare attività della società odierna, bensì come un unico e complesso “sistema di sistemi” su cui la società moderna poggia le proprie fondamenta. E’ possibile classificare le diverse tipologie di interdipendenza in due categorie principali: le dipendenze interne e quelle interne. Le dipendenze di tipo interno sono quelle per cui il corretto funzionamento di una parte di infrastruttura coinvolge il corretto funzionamento di tutte le parti della stessa infrastruttura da cui la prima dipende. Le dipendenze di tipo esterno invece sono quelle relazioni per cui il servizio di una parte di infrastruttura dipende dal corretto funzionamento di tutte le porzioni di altre infrastrutture da cui questa dipende. Inoltre entrambe le categorie possono essere distinte in quattro sottoclassi di interdipendenza: l’interdipendenza funzionale, quella di prossimità, quella logica e quella informativa. L’interdipendenza funzionale è legata a scambi di risorse e servizi tra infrastrutture, secondo relazioni di tipo produttore – consumatore. L’interdipendenza di prossimità è legata alla compresenza spaziale di due o più infrastrutture. Le interdipendenze di tipo logico sono quelle derivanti da considerazioni di natura socio – politica ed anche dal meccanismo di prodotto/servizio alternativo. L’interdipendenza di tipo informativo è quella invece legata al flusso di informazioni tra infrastrutture critiche. Il crescente interesse nei confronti dello sviluppo e la protezione delle infrastrutture critiche ha condotto ad una maggiore attenzione internazionale verso questo campo di ricerca. A conferma di tale affermazione si evidenzia un programma istituzionale avviato da Regione Lombardia al fine di poter valutare i possibili effetti a cui sarebbe esposta la popolazione nel caso di carenza o mancanza di servizi ritenuti critici. Si deve considerare infatti che la Regione Lombardia è una delle regioni a maggior densità di popolazione d’Europa, ed anche una delle più industrializzate, dunque particolarmente sensibile a tale problema. Uno degli obiettivi principali del progetto risulta quello di coinvolgere operatori pubblici e privati coinvolti nella fornitura di servizi critici al fine di documentare la criticità di alcuni punti del sistema e di analizzare in dettaglio le interdipendenze esistenti all’interno dello stesso. La strada attraverso cui perseguire tale obiettivo consiste nell’individuare una metodologia modellistica quanto più adeguata possibile alla trattazione del problema dell’interdipendenza tra infrastrutture critiche. Proprio per questo motivo nella presente tesi viene presentata una nuova metodologia sviluppata ad-hoc per la trattazione di questo tipo di problemi. A differenza dei modelli esistenti in letteratura o tuttora in fase di sviluppo, il modello presentato adotta una visione “funzionale” delle infrastrutture critiche, piuttosto che basarsi sulla fisicità delle infrastrutture o su aspetti di carattere socio-economico, come la maggior parte dei modelli analizzati in letteratura. L’adozione di un punto di vista funzionale implica che un’infrastruttura venga descritta sostanzialmente attraverso il proprio servizio, senza conferire importanza ai principi di funzionamento fisico della singola infrastruttura o alle implicazioni socio – economico che questa ha. Mediante tale scelta sono stati definiti una serie di parametri di tipo generico, indipendenti dalle singole infrastrutture e tramite cui sono state caratterizzate le entità nodi di vulnerabilità: Tali parametri sono la massima capacità di servizio, l’andamento nel tempo della domanda di servizio standard ed istantanea, il servizio erogato istantaneamente ed il rispettivo servizio erogabile, l’inoperabilità ed il disservizio. Tramite un altro insieme di parametri sono state definite le entità minacce e le interdipendenze esistenti. Si devono inoltre prendere in considerazione anche altre caratteristiche del modello: la capacità di conferire ai nodi diversi attributi, la presenza di una dimensione temporale effettiva e di relazioni tra le entità dipendenti sia dal tempo che dallo stato del sistema, la capacità di valutare gli effetti su diversi targets (utenze non servite, danni all’attività economica, alle infrastrutture stesse, all’ambiente… ), e la possibilità di applicare il modello sia per effettuare diagnostica che prognostica. Al fine di dimostrare l’applicabilità del modello viene proposto un caso studio attraverso il quale viene mostrata la capacità del modello di descrivere i diversi tipi di infrastrutture ed una serie di chiavi di lettura degli output del modello. Nel caso studio viene analizzato il problema della mobilità nella provincia di Milano, pertanto sono state consideratele infrastrutture costituenti il sistema di trasporto: strade, ferrovie, metropolitane ed aeroporti. Il modello sviluppato è stato utilizzato per condurre due tipologie di simulazioni, dette rispettivamente “elementary failure scenario” e “complex failure scenario”. All’interno della prima tipologia di simulazione viene intaccata l’operatività di un solo nodo per scenario, mentre negli scenari complessi vengono colpiti nell’integrità fisica più di un nodo per volta. Per la prima tipologia di simulazione sono presentati nel testo i risultati di tutti i possibili scenari analizzabili sul sistema descritto, mentre per il secondo sono proposti i risultati di una sola simulazione, per quanto significativa, allo scopo di conferire al lettore una maggiore capacità di utilizzo del sistema sviluppato e di lettura dei risultati dello stesso.