Critical infrastructures fault diagnosis and interdependency modeling : a hybrid systems approach
Constantinos Heracleous · Gnosis · 2020
Τα κρίσιμα συστήματα υποδομής, όπως τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, τα δίκτυα τηλεπικοινωνιών και τα συστήματα παροχής νερού, παρέχουν τις απαραίτητες υπηρεσίες που είναι ζωτικής σημασίας για τη διατήρηση της ποιότητας ζωής και της ασφάλειας των πολιτών, καθώς και της οικονομικής σταθερότητας των σύγχρονων κοινωνιών. Τα κρίσιμα συστήματα υποδομής έχουν εξελιχθεί σε συστήματα μεγάλης κλίμακας με πολλαπλά στοιχεία τα οποία μπορούν να υποστούν σφάλματα, υποβαθμίσεις, κακόβουλες επιθέσεις κ.λπ., τα οποία μπορούν να προκαλέσουν σοβαρές αρνητικές συνέπειες στην επιχειρησιακή ικανότητα κάθε κρίσιμης υποδομής. Επιπλέον, επειδή οι κρίσιμες υποδομές έχουν διάφορες αλληλεξαρτήσεις μεταξύ τους, ένα σφάλμα από μια υποδομή μπορεί να μεταδοθεί σε άλλη, επηρεάζοντας την κανονική λειτουργία πολλών υποδομών. Οι μέθοδοι διάγνωσης σφαλμάτων είναι βασικά εργαλεία που επιτρέπουν τη γρήγορη ανίχνευση και τον εντοπισμό σφαλμάτων, επιτρέποντας στους χειριστές της κάθε κρίσιμης υποδομής να λάβουν συγκεκριμένες ενέργειες για την επίλυση των σφαλμάτων προτού προκαλέσουν περισσότερη ζημιά στην ίδια την υποδομή ή να μεταδοθούν σε άλλες υποδομές. Επίσης, οι μεθοδολογίες μοντελοποίησης αλληλεξαρτήσεων των κρίσιμων συστημάτων υποδομής μπορούν να παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με το πώς τα σφάλματα μπορούν να μεταφερθούν από τη μία υποδομή στην άλλη, επιτρέποντας στους χειριστές των κρίσιμων υποδομών να σχεδιάσουν στρατηγικές πρόληψης που θα θωρακίζουν τις υποδομές τους από πιθανές βλάβες λόγο αλληλεξαρτήσεων. Επομένως, τόσο οι μέθοδοι διάγνωσης σφαλμάτων όσο και η μοντελοποίηση αλληλεξαρτήσεων είναι αρκετά ισχυρά εργαλεία στα χέρια των χειριστών των κρίσιμων συστημάτων υποδομής, βοηθώντας τους να διατηρήσουν την ομαλή λειτουργία των συστημάτων τους και να ελαχιστοποιήσουν τη διακοπής της λειτουργίας τους. Ένα βασικό στοιχείο για την αποτελεσματικότητα των δύο αυτών μεθόδων είναι η δημιουργία ρεαλιστικών και πρακτικών μοντέλων για αυτά τα συστήματα. Τα κρίσιμα συστήματα υποδομής έχουν εξελιχθεί σε συστήματα μεγάλης κλίμακας που αντιπροσωπεύονται καλύτερα ως υβριδικά συστήματα, καθώς συνδυάζουν δυναμικά στοιχεία σε συνεχή χρόνο καθώς και σε διακριτά γεγονότα. Για παράδειγμα, σε ένα σύστημα υποδομής νερού, η ροή του νερού εξελίσσεται σε συνεχή χρόνο, ενώ η έναρξη ή η λήξη της λειτουργία των αντλιών και βαλβίδων είναι διακριτά γεγονότα. Με βάση τα πιο πάνω, η διατριβή αυτή προτείνει μεθόδους διάγνωσης σφαλμάτων καθώς και μεθοδολογία μοντελοποίησης αλληλεξαρτήσεων βασισμένα σε υβριδικά συστήματα, οπού που προσφέρουν ευεργετικά χαρακτηριστικά για την προστασία και την αξιοπιστία των κρίσιμων συστημάτων υποδομής. Συγκεκριμένα, προτείνονται μέθοδοι διάγνωσης σφαλμάτων θεωρώντας τις κρίσιμες υποδομές ως αβέβαια μη γραμμικά υβριδικά συστήματα. Αρχικά, διερευνάται η περίπτωση μιας κατηγορίας αβέβαιων μη γραμμικών υβριδικών συστημάτων, όπου και προτείνεται μια μέθοδος διάγνωσης σφαλμάτων για αυτήν την περίπτωση που είναι ικανή να ανιχνεύσει και να απομονώσει αποτελεσματικά σφάλματα που συμβαίνουν τόσο στο κομμάτι του συνεχούς χρόνου (παραμετρικά σφάλματα) όσο και στο κομμάτι των διακριτών γεγονότων (διακριτά σφάλματα), χωρίς να προκύπτουν ψευδείς συναγερμοί λόγο ύπαρξης αβεβαιότητας στη μοντελοποίηση. Στη συνέχεια, διερευνάται η περίπτωση μιας πιο γενικής κατηγορίας αβέβαιων μη γραμμικών υβριδικών συστημάτων, η οποία περιλαμβάνει θόρυβο καθώς και αυτόνομες μεταβάσεις διακριτών γεγονότων. Για αυτήν την περίπτωση προτείνεται μέθοδος διάγνωσης, η οποία ενσωματώνει μέθοδο φιλτραρίσματος για μείωση του θορύβου και υπολογισμό αυστηρότερων ορίων ανίχνευσης, μαζί με έναν νέο αλγόριθμο για την ταχεία αναγνώριση των αυτόνομων μεταβάσεων διακριτών γεγονότων, την αποτελεσματική εκτίμηση της υβριδικής κατάστασης και την πρόληψη ψευδών συναγερμών. Τέλος, διερευνάται επίσης η περίπτωση βλαβών σε αισθητήρες σε αβέβαια μη γραμμικά υβριδικά συστήματα. Για αυτή την περίπτωση προτείνεται μεθοδολογία διάγνωσης σφαλμάτων αισθητήρα που ενσωματώνει ένα νέο τρόπο εκμάθησης της αβεβαιότητας μοντελοποίησης, και είναι ικανή να ανιχνεύει σφάλματα σε αισθητήρες αποτελεσματικά και να εκτιμά με ακρίβεια το μέγεθος τους. Για όλες τις προτεινόμενες μεθόδους διάγνωσης σφαλμάτων, παρέχονται αναλυτικά συνθήκες ανιχνευσιμότητας και διάγνωσης, ενώ η αποτελεσματικότητά τους αποδεικνύεται μέσω Προσομοιώσεων. Σε αυτή τη διατριβή προτείνεται επίσης μια γενική μεθοδολογία για μοντελοποίηση αλληλεξαρτήσεων των κρίσιμων συστημάτων υποδομής. Η προτεινόμενη μεθοδολογία έχει βάση τα υβριδικά συστήματα και επιτρέπει την μοντελοποίηση των συστημάτων διαφορετικών υποδομών και των εξαρτήσεων τους. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας την ιδιότητα της σύνθεση, τα διάφορα μοντέλα των συστημάτων συντίθενται μαζί, δημιουργώντας ένα μεγαλύτερο μοντέλο ικανό να αντιπροσωπεύσει κατάλληλα αλληλεξαρτώμενες κρίσιμες υποδομές. Το μοντέλο αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε λεπτομερείς προσομοιώσεις για: μελέτη των επιπτώσεων των αλληλεξαρτήσεων, εκτέλεση αξιολογήσεων ευαισθησίας και ανάπτυξη στρατηγικών συντήρησης. Το κύριο πλεονέκτημα της προτεινόμενης μεθοδολογίας μοντελοποίησης είναι η ικανότητα να αντιπροσωπεύει τα διαφορετικά συστήματα των κρίσιμων υποδομών και των αλληλεξαρτήσεων με φυσικό τρόπο και σε διαφορετικά επίπεδα. Η προτεινόμενη μεθοδολογία μοντελοποίησης χρησιμοποιείται επίσης για μοντελοποίηση αλληλεξαρτήσεων στην εικονική πόλη Μικρόπολης δείχνοντας την πρακτικής της εφαρμογή.