CEDIM Research Report 2015-2016

The Center for Disaster Management and Risk Reduction Technology (CEDIM) is an interdisciplinary research institution in the field of disaster management. This report provides an overview of the research work and activities of CEDIM during 2015 and 2016 at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT)

Development of a decision support system through modelling of critical infrastructure interdependencies : a thesis presented in partial fulfilment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Emergency Management at Massey University, Wellington, New Zealand

Critical Infrastructure (CI) networks provide functional services to support the wellbeing of a community. Although it is possible to obtain detailed information about individual CI and their components, the interdependencies between different CI networks are often implicit, hidden or not well understood by experts. In the event of a hazard, failures of one or more CI networks and their components can disrupt the functionality and consequently affect the supply of services. Understanding the extent of disruption and quantification of the resulting consequences is important to assist various stakeholders' decision-making processes to complete their tasks successfully. A comprehensive review of the literature shows that a Decision Support System (DSS) integrated with appropriate modelling and simulation techniques is a useful tool for CI network providers and relevant emergency management personnel to understand the network recovery process of a region following a hazard event. However, the majority of existing DSSs focus on risk assessment or stakeholders' involvement without addressing the overall CI interdependency modelling process. Furthermore, these DSSs are primarily developed for data visualization or CI representation but not specifically to help decision-makers by providing them with a variety of customizable decision options that are practically viable. To address these limitations, a Knowledge-centred Decision Support System (KCDSS) has been developed in this study with the following aims: 1) To develop a computer-based DSS using efficient CI network recovery modelling algorithms, 2) To create a knowledge-base of various recovery options relevant to specific CI damage scenarios so that the decision-makers can test and verify several ‘what-if’ scenarios using a variety of control variables, and 3) To bridge the gap between hazard and socio-economic modelling tools through a multidisciplinary and integrated natural hazard impact assessment. Driven by the design science research strategy, this study proposes an integrated impact assessment framework using an iterative design process as its first research outcome. This framework has been developed as a conceptual artefact using a topology network-based approach by adopting the shortest path tree method. The second research outcome, a computer-based KCDSS, provides a convenient and efficient platform for enhanced decision making through a knowledge-base consisting of real-life recovery strategies. These strategies have been identified from the respective decision-makers of the CI network providers through the Critical Decision Method (CDM), a Cognitive Task Analysis (CTA) method for requirement elicitation. The capabilities of the KCDSS are demonstrated through electricity, potable water, and road networks in the Wellington region of Aotearoa New Zealand. The network performance has been analysed independently and with interdependencies to generate outage of services spatially and temporally. The outcomes of this study provide a range of theoretical and practical contributions. Firstly, the topology network-based analysis of CI interdependencies will allow a group of users to build different models, make and test assumptions, and try out different damage scenarios for CI network components. Secondly, the step-by-step process of knowledge elicitation, knowledge representation and knowledge modelling of CI network recovery tasks will provide a guideline for improved interactions between researchers and decision-makers in this field. Thirdly, the KCDSS can be used to test the variations in outage and restoration time estimates of CI networks due to the potential uncertainty related to the damage modelling of CI network components. The outcomes of this study also have significant practical implications by utilizing the KCDSS as an interface to integrate and add additional capabilities to the hazard and socio-economic modelling tools. Finally, the variety of ‘what-if’ scenarios embedded in the KCDSS would allow the CI network providers to identify vulnerabilities in their networks and to examine various post-disaster recovery options for CI reinstatement projects

Entwicklung einer spatial-temporalen Vulnerabilitätsanalyse für die initiale Krisenbewältigung von Stromausfällen

Wird durch einen Stromausfall der kontinuierliche Betrieb von so genannten Kritischen Infrastrukturen wie Krankenhäuser, Trinkwasserwerke oder Dialysekliniken gefährdet, drohen dramatische Konsequenzen für die Bevölkerung. Entsprechend bedarf es an einer effektiven Katastrophenvorsorge. In der vorliegenden Arbeit wird für diesen Zweck eine spatial-temporale Vulnerabilitätsanalyse entwickelt, mit der eine sachgerechte Beurteilung der Dringlichkeit und der Erheblichkeit von stromausfallbedingten Gefahren für einen beliebigen Landkreis oder eine beliebige kreisfreie Stadt samt einer Priorisierung der dort verorteten Kritischen Infrastrukturen bzw. ihrer Stadtteile oder Gemeinden für verschiedene Szenarios möglich wird. Grundlage der Vulnerabilitätsanalyse ist ein indikatorenbasierter Ansatz mit modifizierten multiattributiven Analysen. Hierfür wurden Indikatoren entwickelt, mithilfe derer auf die Kritikalität und die Bewältigungskapazität von den in einem Landkreis oder einer kreisfreien Stadt befindlichen Kritischen Infrastrukturen und damit auf das raumzeitliche Gefahrenpotential eines Stromausfalls geschlossen wird. Zur Abschätzung des Gefahrenpotentials anhand dieser Indikatoren wurden Workshops mit Entscheidungsträgern der Gefahrenabwehr und des Katastrophenschutzes durchgeführt. Die in den Ergebnissen anhaftende Subjektivität der Abschätzungen und die sich daraus ergebene Parameterunschärfe wird mithilfe einer Monte-Carlo-Simulation als Streuung im Ergebnis berücksichtigt. Darüber hinaus wurde für eine zeitliche Differenzierung einzelne Indikatoren dynamisiert und ein modifiziertes Delphi-Verfahren entwickelt, mit dem Gruppenentscheide in Führungs- und Verwaltungsstäben unterstützt werden. Die Vulnerabilitätsanalyse wurde in die Entscheidungsprozesse der Bedarfsplanung und der akuten Krisenbewältigung in Deutschland eingebettet. Für die Beurteilung stromausfallbedingter Gefahren in einem Landkreis oder einer kreisfreien Stadt werden mehrere Vulnerabilitätsaggregationen und Bewertungsverfahren verwendet. Hierdurch ergeben sich verschiedenartige raum-zeitliche Auflösungen der Gefahrenpotentiale und der örtlich individuellen Stromausfallfolgen, die Rückschlüsse über die Bedeutung von einzelnen Kritischen Infrastrukturen und Stadtteilen bzw. Gemeinden für die lebensnotwendige Versorgung der Bevölkerung, den schwerwiegendsten und den mildesten Stromausfallverlauf, die Erfüllung von Schutzzielansprüchen, örtliche Vulnerabilitätsdichten und die potentiellen Wirkung von zu erwägenden Maßnahmen ermöglichen. Hierdurch wird der Handlungsbedarf unterhalb der Ebene der Landkreise und kreisfreien Städten identifiziert, was ebenso die Zusammenarbeit zwischen Behörden und Betreibern Kritischer Infrastrukturen als auch die Bildung eines einheitlichen Gefahrenverständnisses im Rahmen von Sicherheitspartnerschaften fördert. Beispielhaft wurde das Verfahren unter Verwendung realitätsnaher Daten auf die Stadtkreise Mannheim und Karlsruhe angewendet. Neben der Bedarfsplanung und der akuten Krisenbewältigung kann die Anwendung des Analyseverfahrens und seine Ergebnisse die Erfüllung der strategischen Ziele des Sendai Framework for Disaster Risk Reduction, denen sich die Bundesregierung verpflichtet hat, unterstützen. Ebenso kann die sachgerechte Priorisierung und prioritäre Versorgung von Kritischen Infrastrukturen oder Gebietskörperschaften anhand eines objektiven Vulnerabilitätsmaßes sowohl bei der Umsetzung des Gesamtkonzeptes Notstrom der Konzeption Zivile Verteidigung als auch im Kaskadeprinzip der VDE-AR-N 4140 bei kritischen Netzsituationen Anwendung finden. Der methodischen Entwicklung einer solchen präskriptiven Entscheidungsunterstützung gingen grundlegende entscheidungsnormative Auseinandersetzungen voraus, in deren Ergebnis nicht nur die Grundlagen des Risiko- und Krisenmanagements betrachtet wurden, sondern auch stromausfallbedingte Gefahren schutzgutorientiert spezifiziert, plausible Stromausfallszenarien systematisch reflektiert, Lokale Kritischen Infrastrukturen definiert, Standards für KRITIS-Kataster erstellt, ein Bemessungsstromausfall als auslegungsrelevanter kritischer Stromausfall festgelegt und Schutzziele zur bedarfsorientierten Dimensionierung von Vorsorge- und Bewältigungsmaßnahmen betrachtet wurden. Da hierdurch bisherige Lücken in der Debatte zum Schutz Kritischer Infrastrukturen und in der sachgerechten Entscheidungsfindung bei der Vorbereitung auf Stromausfälle auf kommunaler Ebene geschlossen werden konnten, bilden diese Ergebnisse, neben der entwickelten Vulnerabilitätsanalyse, einen wertvollen Beitrag in der normativen Entscheidungsunterstützung