The resilience of interdependent transportation networks under targeted attack

Modern world builds on the resilience of interdependent infrastructures characterized as complex networks. Recently, a framework for analysis of interdependent networks has been developed to explain the mechanism of resilience in interdependent networks. Here we extend this interdependent network model by considering flows in the networks and study the system's resilience under different attack strategies. In our model, nodes may fail due to either overload or loss of interdependency. Under the interaction between these two failure mechanisms, it is shown that interdependent scale-free networks show extreme vulnerability. The resilience of interdependent SF networks is found in our simulation much smaller than single SF network or interdependent SF networks without flows.Comment: 5 pages, 4 figure

A survey on multilayer networks modelled to assess robustness in infrastructure systems

The development of modern societies places particular demands on the consistent performance of infrastructure systems. Because multilayer network models are capable of representing the interdependencies between infrastructure components, they have been widely used to analyse the robustness of infrastructure systems. This present study is a systematic review of literature, published since 2010. It aims to investigate how multilayer network models have been used in analysing the robustness of infrastructure systems. According to findings, percolation theory was the most popular method used in about 57% of papers. Regarding the properties, coupling strength and node degree were the most common while directed links and feedback conditions were the least common. The following gaps were identified which provide opportunities for further research. These include the absence of models based on real-world data and the need for models that make fewer simplifying assumptions about complex systems. No papers considered all potential properties, and their effect on boosting or weakening each other’s effect. By considering all properties, the importance of different properties on the robustness of infrastructure systems can be quantified and compared in future studies

Nuevas técnicas para modelizar y analizar la vulnerabilidad de infraestructuras críticas de energía interdependientes

La interdependencia entre las redes de gas y electricidad es motivo de preocupación debido a la creciente utilización del gas para la generación de electricidad en centrales de ciclo combinado y al uso de energía eléctrica de los compresores en la red de gas. Estas redes están sujetas a riesgos de interrupción del suministro derivados de posibles problemas técnicos o amenazas intencionadas. Por lo tanto, resulta conveniente modelizar y analizar la vulnerabilidad de estas infraestructuras críticas de energía interdependientes.En esta tesis doctoral se presenta, en primer lugar, una metodología para analizar conjuntamente los flujos de electricidad y gas. El conjunto de ecuaciones no lineales que representan la operación del sistema de potencia se resuelve utilizando el método de Newton-Raphson, mientras que las ecuaciones en la red de gas se resuelven utilizando el enfoque de transformada análoga-lineal. Se presentan dos casos de estudio para demostrar la simplicidad de la metodología propuesta. Los resultados obtenidos se verifican contra el método Newton-Raphson tradicional con el fin de comprobar la solución alcanzada, encontrando un buen desempeño de la metodología conjunta aplicada. La aplicación del enfoque propuesto permite el análisis de la vulnerabilidad de las infraestructuras energéticas interdependientes. También, se desarrolla una metodología para evaluar la vulnerabilidad estructural de las redes de energía eléctrica y gas acopladas, considerando interdependencias en el proceso de fallos en cascada. La vulnerabilidad se evalúa empleando el índice de desconexión de carga y las medidas de centralidad de vulnerabilidad geodésica e impacto en la conectividad. El estudio muestra una elevada correlación entre el índice de desconexión de carga y el índice de vulnerabilidad geodésica. De esta manera, la teoría de grafos puede usarse como sustituto de los enfoques de flujos de carga que demandan un conocimiento detallado de los parámetros eléctricos e hidráulicos de los sistemas bajo estudio y son computacionalmente más intensivos que los métodos estadísticos de grafos. Como resultado, se propone un nuevo método para estimar la vulnerabilidad de las redes de energía eléctrica y gas conjuntas utilizando el índice de vulnerabilidad geodésica. Asimismo, se estudia el comportamiento de las redes de electricidad y gas natural de España, tanto de manera separada como conjunta. Los resultados muestran que la red de gas natural es menos robusta que la red eléctrica y que la red acoplada es más vulnerable que la red eléctrica ante fallos aleatorios y deliberados. Además, eliminar los nodos más fuertemente conectados de los dos sistemas independientes resultaría una estrategia de ataque eficaz para el rápido colapso de las infraestructuras acopladas interdependientes. Por último, se evalúa la robustez estructural de los planes de expansión de las infraestructuras de electricidad y gas natural en España. Los casos de estudio corresponden a las principales inversiones propuestas por los operadores de los sistemas en 2015-2020. Los resultados demuestran que la construcción de algunas instalaciones para la expansión de ambas redes no mejora la robustez estructural de la red acoplada; sin embargo, cuando se tiene en cuenta todo el programa de inversión se produce una mejora relativa de hasta un 6% con respecto al caso base. La metodología propuesta en esta tesis corrobora que la aplicación de la teoría de grafos es adecuada para analizar la planificación de activos de una infraestructura energética crítica, requiriendo únicamente la topología y el programa de inversiones para evaluar el desempeño de la red acoplada en caso de fallos en cascada. En suma, esta tesis doctoral pone de relieve la importancia de que los sistemas energéticos se aborden como redes acopladas debido a sus fuertes interacciones. Una perturbación en un sistema puede no ser crítica si las infraestructuras están separadas, pero dado que ambas redes son interdependientes, el impacto resultante podría causar fallos en el otro sistema. En otras palabras, las interdependencias aumentan el impacto de las perturbaciones.<br /

Using interdependency matrices to mitigate targeted attacks on interdependent networks: A case study involving a power grid and backbone telecommunications networks

Analysis of the interdependencies between interconnected critical infrastructures can help enhance the robustness of the individual infrastructures as well as the overall interconnected infrastructures. One of the most studied interdependent critical infrastructure network scenarios is a power grid connected to a backbone telecommunications network. In this interdependent infrastructure scenario, the robustness of the entire system is usually analyzed in the context of cascading failure models in the power grid. However, this paper focuses on targeted attacks, where an attack on a telecommunications network node directly affects a connected power grid node, and vice versa. Cascading failures are outside the scope of this paper because the objective is to enhance the robustness of the interconnections between the infrastructures. In order to mitigate the impacts of targeted attacks on the interdependent infrastructures, three interdependency matrices for connecting the infrastructures are specified and analyzed. The analysis identifies the interdependency matrix that best reduces the impacts of targeted attacks and the propagation of failures between the infrastructures. Additionally, the impacts of interconnecting a power grid to different telecommunications networks, each with different susceptibilities to targeted attacks, is evaluate