Critical infrastructures (CIs) are large scale, spatially distributed, engineered complex systems which provide vital services for modern society, such as energy supply (electricity, oil and gas supply), transportation (by rail, road, air, shipping), information and telecommunication (such as the internet), drinking water distribution, including wastewater treatment. Outages or mishaps in CIs cause disruption or incapacitation of fundamental services and result in diverse consequences with economical and social implications. For this reason, a comprehensive vulnerability analysis of CIs requires not only identifying the logical and functional relationships among the large number of spatially distributed, interacting elements but also accounting for a broad spectrum of hazards and threats including random failures and intentional attacks. In this PhD thesis three methods for the analysis of critical infrastructures with respect to their vulnerabilities to random failures and targeted attacks are proposed: (I) an all-hazard analysis aimed at identifying the features, operating conditions and failure modes relevant to CI vulnerability, and capturing the CIs vulnerability sources and issues; (II) a topological analysis capable of highlighting structural vulnerabilities and considering also the interplay between the structural characteristics and the dynamics of flow of the physical quantities, in order to provide indications on the elements critical for the propagation process and on the actions that can be performed in order to prevent or mitigate the undesired effects; (III) finally, the characterization of uncertainties related to the physical flow through the network has been undertaken and exemplified with respect to the electric infrastructure. Failing to incorporate uncertainties in system planning may lead to an overestimation of risk reduction barriers and of system capabilities to maintain acceptable levels of reliability.

Il termine infrastrutture critiche identifica sistemi ingegneristici complessi di grandi dimensioni, geograficamente estesi, che forniscono servizi vitali per la società moderna, come i sistemi per la fornitura di energia (reti di trasmissione elettrica, oleodotti e gasdotti), i trasporti (ferroviari, stradali, aerei o marittimi), i sistemi di informazione e telecomunicazioni (internet) e la rete di distribuzione dell’acqua potabile, compreso anche il trattamento delle acque reflue. Guasti o incidenti alle infrastrutture critiche possono causare distruzione o interruzione o momentanea indisponibilità di servizi fondamentali, con conseguenti ripercussioni economiche e sociali. Per questo motivo, un’ analisi esauriente delle vulnerabilità delle infrastrutture critiche richiede non solo di identificare le relazioni funzionali tra gli elementi interagenti ma anche di considerare un ampio spettro di pericoli e minacce che includono guasti casuali e attacchi intenzionali. In questa tesi di dottorato sono proposti tre metodi di analisi per la vulnerabilità delle infrastrutture critiche: (I) un’analisi “all-hazard” che identifichi le caratteristiche del sistema, le condizioni operative, e i modi di guasto rilevanti per la vulnerabilità del sistema e che riesca a catturare tutte le sorgenti di vulnerabilità; (II) un’analisi topologica capace di evidenziare le vulnerabilità strutturali del sistema e di considerare anche l’interazione tra le caratteristiche strutturali e la dinamica del flusso delle quantità fisiche attraverso il sistema, per ottenere indicazioni sugli elementi critici e sulle azioni che possono essere attuate per prevenire o mitigare effetti indesiderati; (III) infine, la caratterizzazione delle incertezze legate al flusso fisico attraverso il sistema è stato applicato ad una rete di trasmissione elettrica. Trascurare la presenza di incertezze nella fase di pianificazione del sistema può condurre ad un’eccessiva riduzione delle barriere di protezione contro i rischi e ad una sovrastima della capacità del sistema di mantenere adeguati livelli di affidabilità.

Methods for the vulnerability analysis of critical infrastructures

PICCINELLI, ROBERTA

Abstract

Critical infrastructures (CIs) are large scale, spatially distributed, engineered complex systems which provide vital services for modern society, such as energy supply (electricity, oil and gas supply), transportation (by rail, road, air, shipping), information and telecommunication (such as the internet), drinking water distribution, including wastewater treatment. Outages or mishaps in CIs cause disruption or incapacitation of fundamental services and result in diverse consequences with economical and social implications. For this reason, a comprehensive vulnerability analysis of CIs requires not only identifying the logical and functional relationships among the large number of spatially distributed, interacting elements but also accounting for a broad spectrum of hazards and threats including random failures and intentional attacks. In this PhD thesis three methods for the analysis of critical infrastructures with respect to their vulnerabilities to random failures and targeted attacks are proposed: (I) an all-hazard analysis aimed at identifying the features, operating conditions and failure modes relevant to CI vulnerability, and capturing the CIs vulnerability sources and issues; (II) a topological analysis capable of highlighting structural vulnerabilities and considering also the interplay between the structural characteristics and the dynamics of flow of the physical quantities, in order to provide indications on the elements critical for the propagation process and on the actions that can be performed in order to prevent or mitigate the undesired effects; (III) finally, the characterization of uncertainties related to the physical flow through the network has been undertaken and exemplified with respect to the electric infrastructure. Failing to incorporate uncertainties in system planning may lead to an overestimation of risk reduction barriers and of system capabilities to maintain acceptable levels of reliability.
BOTTANI, CARLO ENRICO
CADINI, FRANCESCO
SANSAVINI, GIOVANNI
26-mar-2013
Il termine infrastrutture critiche identifica sistemi ingegneristici complessi di grandi dimensioni, geograficamente estesi, che forniscono servizi vitali per la società moderna, come i sistemi per la fornitura di energia (reti di trasmissione elettrica, oleodotti e gasdotti), i trasporti (ferroviari, stradali, aerei o marittimi), i sistemi di informazione e telecomunicazioni (internet) e la rete di distribuzione dell’acqua potabile, compreso anche il trattamento delle acque reflue. Guasti o incidenti alle infrastrutture critiche possono causare distruzione o interruzione o momentanea indisponibilità di servizi fondamentali, con conseguenti ripercussioni economiche e sociali. Per questo motivo, un’ analisi esauriente delle vulnerabilità delle infrastrutture critiche richiede non solo di identificare le relazioni funzionali tra gli elementi interagenti ma anche di considerare un ampio spettro di pericoli e minacce che includono guasti casuali e attacchi intenzionali. In questa tesi di dottorato sono proposti tre metodi di analisi per la vulnerabilità delle infrastrutture critiche: (I) un’analisi “all-hazard” che identifichi le caratteristiche del sistema, le condizioni operative, e i modi di guasto rilevanti per la vulnerabilità del sistema e che riesca a catturare tutte le sorgenti di vulnerabilità; (II) un’analisi topologica capace di evidenziare le vulnerabilità strutturali del sistema e di considerare anche l’interazione tra le caratteristiche strutturali e la dinamica del flusso delle quantità fisiche attraverso il sistema, per ottenere indicazioni sugli elementi critici e sulle azioni che possono essere attuate per prevenire o mitigare effetti indesiderati; (III) infine, la caratterizzazione delle incertezze legate al flusso fisico attraverso il sistema è stato applicato ad una rete di trasmissione elettrica. Trascurare la presenza di incertezze nella fase di pianificazione del sistema può condurre ad un’eccessiva riduzione delle barriere di protezione contro i rischi e ad una sovrastima della capacità del sistema di mantenere adeguati livelli di affidabilità.
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