Αξιολόγηση ανθεκτικότητας κυβερνο-φυσικών υδροσυστημάτων

Infrastructure planning and management is concerned with the longer term, over a design horizon that typically, for urban water systems, (UWSs) extends to decades (25-50 years). That means that UWSs will inevitably be subjected to unknown, and possibly unknowable at the design/planning stage, future pressures. These pressures include hydro-climatic changes and associated uncertainty that affect water supply in both quantity and acceptable quality levels, as well as demographic and socioeconomic trends (e.g., urban growth, increasing urbanization, changing water demand patterns) affecting water demand, and limited investments affecting the renewal rates and maintenance levels of infrastructure. An increasingly volatile environment is now emerging, challenging conventional planning which relies on the ability to anticipate future change. Thus, a paradigm shift is required for strategic planning. The notion of designing systems with the goal to be ‘fail-safe’ against all anticipated eventualities should be revisited, and a new design goal towards resilient systems which can withstand stresses by being ‘safe-to-fail’, should be set (Butler et al. 2017).Even though resilience is a term that has been dominating the policy discourse and scientific literature across a multitude of domains in recent years, it remains rather elusive in definition. Scholars have suggested several definitions, and while these differ in nuances, most revolve around two broad categories, around ‘engineering’ or ‘ecological’ notions respectively (Holling 1996); the former conceptualizes resilience as the speed of return or recovery ability of a system to nominal conditions after a perturbation, and the latter the ability of a system to withstand and adapt to stress, maintaining a level of function as disturbance unfolds. Specifically, for the water sector, there exist many definitions of resilience and related quantification approaches. These are mostly dependent on what type of system is examined and simulated, and how performance is measured. Some approaches also account for uncertainty in the quantification of resilience, and most are concerned with scenarios of single types of stressors. What is still an open topic in the literature, is a generic, system- and model- agnostic, indicator-flexible, and uncertainty-aware operational definition of resilience for urban water systems (and beyond that, applicable to other engineering systems), able to address scenarios that can range from a single stressor to a multitude of parameters changing bundled up in a whole’ future world view’ stressing the system. Within this context, the ongoing digitalization of the water sector poses new challenges, with the integration of new smart technologies and internet connectivity, transforms urban water systems to complex entities termed cyber-physical systems, or CPSs (i.e., systems that integrate physical processes with computational engineered systems, for remote control, monitoring, analytics etc.). The cyber-physical nature of UWSs was previously rarely addressed in the context of resilience assessment and risk management, although it expands the UWS threat landscape to completely new hazards: those of cyber attacks. Such attacks on CPSs almost always have physical consequences (e.g., disruption of operation), therefore are termed cyber-physical attacks. Their threat is ever-growing, with a recent escalation of incidents. The potential dire consequences (e.g., supply cut-off, waste of recourses, economic and reputational losses) have alerted the water sector and prompted novel research initiatives towards the cyber-security of water systems. Especially concerning are events where cyber-physical attacks can be coupled with other physical attack types that can pose risk to the health and safety of consumers for maximum disruption (e.g., cyber-physical attacks on the contamination warning system of a water distribution network employing water quality sensors combined with backflow injection attacks to contaminate the network) which prompted the expansion of the definition and scope of cyber-physical attacks in this thesis to address them. Yet, there is still a significant gap in theory and practice, regarding the water’s sector capabilities to model water systems as true cyber-physical systems, with a high fidelity representation of the complex interactions and feedback loops between the control and monitoring hardware and software and the physical real-world processes that are needed to really assess the behaviour of water CPSs during cyber-physical attacks. Only recently have relevant tools emerged in research, for a subset of water system types, such as water distribution networks, with models like epanetCPA (Taormina et al. 2017) and DHALSIM (Murillo et al. 2023). Furthermore, even with novel modelling capabilities, there are still a lot of open issues, like water quality aspects in cyber-physical simulation and optimization of the design of water quality sensor networks to be resilient against cyber-physical attacks. This thesis has three objectives: a) formulate a generic, system- and model- agnostic, indicator-flexible, and uncertainty-aware operational definition of resilience for urban water systems, b) advance the conceptualization of water distribution networks as cyber-physical systems and develop modelling tools for simulation of their operation as well as the impact of cyber-physical attacks, and c) systematically assess resilience of water CPSs against complex cyber-physical attacks, that specifically hamper the water quality and endanger the health of consumers, and develop a novel design tool for resilient water quality sensor placement to aid in securing water CPSs. The first objective is tackled by articulating a resilience assessment framework, based on an operationalizable definition, as ‘the degree to which a system continuous to perform under progressively increasing disturbance’. Performance is quantified via the usage of suitable metrics that evaluate ‘the ability of the system to consistently deliver its objectives, considered over a timespan’ (i.e., an expanded reliability indicator). Disturbance is modelled with scenarios that are formed as future, uncertainty aware, world views, combining a multitude of changing parameters that affect the system from its internal., external and transactional realm (scenarios are also adaptable to single stressors). By stress-testing the system against scenarios and evaluating performance, resilience profile graphs can be formed, from which resilience is assessed, and different design configurations can be compared. Even though uncertain future conditions are already represented into the formulation of exploratory and speculative scenarios that are formed, to encapsulate uncertainty in the resilience metric per se, scenarios can incorporate stochastic elements, generating a ‘cloud’ of realizations (with performance evaluation) per scenario type. By statistically accounting for performance quantiles across scenario realizations, performance curves for confidence intervals can be examined, to assess resilience under an uncertainty-aware lens. The framework is demonstrated in a real-world case, and with multiple tools in a modelling chain in a source-to-tap manner. For the second objective, we develop in this thesis a state-of-the-art cyber-physical stress-testing platform, named RISKNOUGHT that conceptualizes and simulates water distribution systems (WDNs), a key component of any UWS, as cyber-physical systems. This is achieved by coupling two models, one for the cyber layer (sensors, actuators, control logic, etc.) and one for the physical layer (hydraulic processes) and simulate their interactions and feedback loops. The platform is able to assess the impacts cyber-physical attacks (such as denial-of -service attacks, sensor manipulation through man-in-the-middle-attacks, etc.) have on the operation of the WDN. The water quality aspect of a simulation is also addressed by RISKNOUGHT, and to the author’s best knowledge is the first tool capable of a) simulating effects on water quality by cyber-physical attacks that are combined with deliberate contamination of the WDN, and b) model a contamination warning system, with water quality monitoring sensors and contamination response measures as part of the CPS control logic. Finally, the third objective, integrates the thesis outcomes on the resilience assessment methodology and the development of tools for water CPSs. Building on the ability to simulate cyber-physical attacks to WDNs and the novel methodology to systematically stress-test the system against such scenarios of operational disturbances (both developed as part of this research), we then focus on a challenging application, which is highly relevant for water utilities’ security and strategic risk planning: that of resilience assessment (through a multitude of suitable metrics) of alternative water quality sensor placement strategies taking into consideration the threat of cyber-physical attacks that target the sensors’ capability to detect contaminants (e.g., by manipulating the transmitted quality readings) while deliberately contaminating the WDN with a harmful substance. The insights gained through this application, fostered the development of a novel water quality sensor placement strategy that optimizes the CWS’s resilience against cyber-physical attacks. The strategy can be applied in both the problem of generating from scratch a new, resilient sensor topology, or in the upgrade case of an existing topology with new sensors. The outcomes of the research carried out within this PhD endeavour are meant to support the strategic risk planning and management, and help water companies design more resilient future water systems and services.Οι υποδομές νερού είναι κρίσιμα συστήματα για την κοινωνία και την ανθρώπινη ζωή. Βασικός τους στόχος είναι να προσφέρουν αξιόπιστα νερό σε επαρκή ποιότητα και ποσότητα σε ένα μεγάλο ορίζοντα λειτουργίας, τυπικά πάνω από 25 χρόνια. Αναμφίβολα σε ένα τέτοιο διάστημα οι υποδομές θα έρθουν αντιμέτωπες με διάφορες πιέσεις, όπως αλλαγές και αβεβαιότητα στη χωρική και χρονική διαθεσιμότητα των πόρων, αύξηση στη ζήτηση νερού και αλλαγές στα μοτίβα καταναλώσεων, περιορισμένο ύψος νέων επενδύσεων και οικονομικών πόρων ή αλλαγές ρυθμιστικών πλαισίων και διαχειριστικών αποφάσεων. Επίσης, στη συνήθη περίπτωση, τα συστήματα νερού ξεπερνούν σε διάρκεια ζωής κατά πολύ τον αρχικό ορίζοντα σχεδιασμού τους. Ήδη στις αναπτυγμένες χώρες (πχ ΗΠΑ, Ηνωμένο Βασίλειο) τα περισσότερα αστικά συστήματα νερού έχουν σημαντικά μέρη των υποδομών τους σε λειτουργία τουλάχιστον 100 έτη, καθώς διατηρείται συνήθως ο αρχικός πυρήνας του συστήματος και οι υποδομές επεκτείνονται συνεχώς μαζί με το αστικό περιβάλλον. Ακόμα και στις πιο εύρωστες οικονομικά χώρες υπάρχει γενικά η τάση υποχρηματοδότησης για την ανανέωση των συστημάτων, οπότε εν γένει με το πέρασμα του χρόνου οι υποδομές γίνονται λιγότερο αξιόπιστες, και έρχονται αντιμέτωπες με πιέσεις άγνωστες κατά τον σχεδιασμό τους. Η παλαιότερη φιλοσοφία σχεδιασμού εστίαζε σε συστήματα αξιόπιστα ενάντια σε συγκεκριμένα ενδεχόμενα συμβάντα με κάποια εκτιμώμενη περίοδο επαναφοράς (π.χ., με τη μέθοδο της μέγιστης πιθανοφάνειας σε σχεδιασμό υπερχειλιστών) και με τη χρήση μεγάλων συντελεστών ασφαλείας. Παρόλα αυτά, στην πράξη διάφορες αστοχίες έδειξαν ότι η φιλοσοφία αυτή εκτός από πολύ δαπανηρή είναι και μάταια, αφού πλήρως αξιόπιστα συστήματα δεν υπάρχουν (Butler et al. 2017). Η συνεχώς αυξανόμενη αβεβαιότητα που διέπει τα παραδοσιακά συστήματα νερού, έρχεται σε αντίθεση με το κλασικό σχεδιασμό τους. Επομένως, είναι αναγκαία μία στροφή της φιλοσοφίας σχεδιασμού προς συστήματα ανθεκτικά σε έντονες και αβέβαιες αλλαγές, τα οποία μπορούν να «αστοχήσουν με ασφάλεια». Η θεωρία της ανθεκτικότητας, προερχόμενη από το επιστημονικό πεδίο της οικολογίας (Holling 1973), προσφέρει σύγχρονα εργαλεία σκέψης στο πεδίο της μηχανικής προς αυτή την κατεύθυνση. Ταυτόχρονα όμως, στην ίδια την έννοια υπεισέρχονται πολλοί διαφορετικοί ορισμοί και μεθοδολογίες υπολογισμού της, καθιστώντας δύσκολη την πρακτική εφαρμογή της σε ζητήματα υποστήριξης αποφάσεων και σχεδιασμού συστημάτων. Μια εκτενής βιβλιογραφική ανασκόπηση παρουσιάζεται στο Κεφάλαιο 3. Επιπρόσθετα, η ίδια η φύση των συστημάτων νερού αλλάζει με ραγδαίους ρυθμούς τα τελευταία χρόνια με την ενσωμάτωση έξυπνων τεχνολογιών, αυτοματισμών, αισθητήρων και επικοινωνία με το διαδίκτυο για απομακρυσμένο έλεγχο και παρακολούθηση μεταξύ άλλων, μετατρέποντας τα σε κυβερνο-φυσικά συστήματα (cyber-physical systems). Αυτό, παρά τα προφανή πλεονεκτήματα που προσφέρει ως προς την αποδοτικότητα των συστημάτων νερού, τα φέρνει αντιμέτωπα με νέες απειλές και προκλήσεις, όπως κυβερνο-επιθέσεις (cyber attacks). Παραδείγματα αποτελούν: παρεμπόδιση της επικοινωνίας μεταξύ αισθητήρων και συστήματος ελέγχου, κακόβουλος απομακρυσμένος έλεγχος, τροποποίηση δεδομένων ή λειτουργικών εντολών. Σε κυβερνο-φυσικά συστήματα οι κυβερνο-επιθέσεις έχουν σχεδόν πάντα μία ή περισσότερες φυσικές επιπτώσεις (για παράδειγμα, διαταραχή της λειτουργίας του συστήματος), οπότε ονομάζονται κυβερνο-φυσικές επιθέσεις. Ένας επιπλέον κίνδυνος είναι συνδυαστικές κυβερνο-φυσικές επιθέσεις με άλλες, όπως η εσκεμμένη μόλυνση του δικτύου νερού με κάποιο επικίνδυνο/τοξικό ρύπο και τροποποίηση των μετρήσεων που αποστέλλει το δίκτυο αισθητήρων ποιότητας με σκοπό την κάλυψη της μόλυνσης. Οι κυβερνο-φυσικές επιθέσεις μπορεί να επιφέρουν πολύ δυσμενείς επιπτώσεις σε ένα σύστημα αστικού νερού, όπως υλικές βλάβες, απώλεια πόρων και περιορισμό της διαθεσιμότητας του νερού, ποιοτικά προβλήματα με ενδεχόμενο ρίσκο της υγείας των καταναλωτών και αυξημένα χρηματικά κόστη. Παρόλα αυτά, σε μελέτες ανθεκτικότητας σπανίως λαμβάνονται υπόψη, και δεν υπήρχε στο παρελθόν πρότυπος τρόπος ανάλυσης τους. Μόλις πρόσφατα αναπτύχθηκαν σχετικά εργαλεία στη βιβλιογραφία (π.χ. Murillo et al. 2023; Taormina et al. 2017), όμως υπάρχουν ακόμα πολλά ανοιχτά ερευνητικά θέματα. Ανάμεσα σε αυτά είναι η προσομοίωση της ποιότητας του νερού σε ένα κυβερνο-φυσικό σύστημα νερού και σχετικές με τη ποιότητα επιθέσεις, καθώς και ζητήματα βέλτιστου σχεδιασμού δικτυών αισθητήρων ποιότητας ώστε τα συστήματα να είναι ανθεκτικά σε κυβερνο-φυσικές επιθέσεις. Στο Κεφάλαιο 6 παρουσιάζεται μια εκτενής βιβλιογραφική ανασκόπηση για τα κυβερνο-φυσικά συστήματα. Η παρούσα διατριβή έχει ως στόχο την διερεύνηση τριών ερευνητικών θεμάτων: α) την διάρθρωση ενός γενικού πλαισίου αξιολόγησης της ανθεκτικότητας συστημάτων, που να είναι ανεξάρτητη από την επιλογή μοντέλων και δεικτών επίδοσης, και ταυτόχρονα να ενσωματώνει την αβεβαιότητα που διέπει σύνθετα συστήματα όπως είναι αυτά του αστικού νερού, β) την αναπαράσταση της πραγματικής φύσης των σύγχρονων συστημάτων διανομής νερού, η οποία είναι κυβερνο-φυσική, μέσω της ανάπτυξης καινοτόμων εργαλείων μοντελοποίησης και προσομοίωσης, και γ) να διατυπώσει έναν πρότυπο τρόπο αξιολόγησης ανθεκτικότητας κυβερνο-φυσικών συστημάτων νερού ενάντια σε σύνθετες κυβερνο-φυσικές επιθέσεις, που συγκεκριμένα στοχεύουν στην επιδείνωση της ποιότητας του νερού και πιθανώς της υγείας των καταναλωτών, καθώς και την ανάπτυξη εργαλείων ανθεκτικού σχεδιασμού των δικτύων αισθητήρων ποιότητας για την ασφάλεια των κυβερνο-φυσικών συστημάτων αστικού νερού. Ο πρώτος στόχος της διατριβής καλύπτεται από την διάρθρωση ενός πλαισίου αξιολόγησης της ανθεκτικότητας (Κεφάλαιο 4). Το πλαίσιο βασίζεται στον επιχειρησιακό ορισμό: «Η ανθεκτικότητα ορίζεται ως ο βαθμός στον οποίο ένα σύστημα συνεχίζει να αποδίδει υπό καθεστώς αυξανόμενης διαταραχής». Η απόδοση αποτιμάται μέσω της χρήσης κατάλληλων δεικτών που υπολογίζουν την «ικανότητα του συστήματος να καλύπτει τους στόχους του σε ένα ορισμένο χρονικό διάστημα», όπως για παράδειγμα μέτρα αξιοπιστίας, και μπορεί να αξιοποιηθούν περισσότερα του ενός. Οι διαταραχές εισάγονται στο σύστημα μέσω σεναρίων που καταρτίζονται ως αβέβαιες μελλοντικές εκβάσεις, αποτελούμενες από πληθώρα μεταβλητών από το εσωτερικό και εξωτερικό περιβάλλον του συστήματος, όπως κλιματικές και κοινωνικο-οικονομικές μεταβολές. Επίσης, επειδή το πλαίσιο είναι σχεδιασμένο ώστε να γενικεύεται εύκολα, τα σενάρια μπορεί να αποτελούνται από απλούστερα μονο-παραμετρικά συμβάντα. Για την εκτίμηση της ανθεκτικότητας, το υπό εξέταση σύστημα υπόκειται σε «δοκιμές αντοχής» (stress-testing) μέσω των σεναρίων και αποτιμάται η απόδοση του σε διαγράμματα του προφίλ ανθεκτικότητας. Αυτά τα διαγράμματα μοιάζουν με τα γραφήματα τάσης-παραμόρφωσης της μηχανικής, και η ανθεκτικότητα του συστήματος υπό το καθεστώς διαταραχής υπολογίζεται ως η επιφάνεια κάτω από την καμπύλη απόδοσης του συστήματος. Κάθε σημείο της καμπύλης αποτελεί έναν υπολογισμό της αξιοπιστίας του συστήματος στην επίτευξη των στόχων του (άξονας ψ) για τις συνθήκες που περιγράφονται σε ένα συγκεκριμένο σενάριο τάσης (άξονας χ). Ο υπολογισμός αυτός γίνεται τυπικά μέσω προσομοίωσης του συστήματος. Ο άξονας χ κατασκευάζεται ως μια σειρά σεναρίων αυξανόμενης διαταραχής, συνεπώς η μέτρηση γίνεται σε μία τακτική (αντί ονομαστική) κλίμακα. Επίσης, μέσω των σεναρίων, το σύστημα πρέπει να υπόκειται σε διαταραχή η οποία να κυμαίνεται σε ένα μεγάλο εύρος, και εκτός των προδιαγραφών σχεδιασμού του, ώστε να έχει νόημα η δοκιμή αντοχής. Επιπρόσθετα, με την χρήση της μεθόδου μπορεί να ποσοτικοποιηθεί και συγκριθεί στο ίδιο διάγραμμα και η ευρωστία διαφορετικών συστημάτων, ως «το εύρος διαταραχής που αντέχει το σύστημα χωρίς επιδείνωση της απόδοσής του». Προκειμένου να γίνει η αναγωγή της κλίμακας των μέτρων ανθεκτικότητάς και ευρωστίας στο εύρος [0-1], προτείνεται αντίστοιχα η διαίρεση της επιφάνειας κάτω από την καμπύλη απόδοσης με την επιφάνεια του ιδεατού πλήρως ανθεκτικού και εύρωστου συστήματος, και η διαίρεση του μήκους του εύρους ευρωστίας με τον αριθμό των σεναρίων. Με αυτή την αλλαγή κλίμακας, ουσιαστικά ο υπολογισμός ανθεκτικότητας μετατρέπεται στον μέσο όρο αξιοπιστίας υπό τα σενάρια που ελέγχθηκαν. Έτσι, τα τρία θεμελιώδη μέτρα του διαγράμματος (ανθεκτικότητα, ευρωστία, αξιοπιστία) είναι άμεσα συγκρίσιμα, και στην ίδια κλίμακα. Τέλος, σημειώνεται πως η αποτίμηση της ανθεκτικότητας είναι σε μια σχετική τιμή και χρησιμοποιείται για την σύγκριση εναλλακτικών διαμορφώσεων ή τοπολογιών του συστήματος (πχ., διαφορετικές τεχνολογίες, διαφορετική φιλοσοφία σχεδιασμού) για την ενίσχυση του στρατηγικού σχεδιασμού. Το πλαίσιο αυτό παρουσιάζεται σε ένα πραγματικό σύστημα αστικού νερού, της Ολλανδικής εταιρίας Oasen. Αναλύθηκαν τρεις διαφορετικές τοπολογίες του συστήματος σε σχέση με την διαμόρφωση των μονάδων επεξεργασίας του νερού και των τεχνολογιών για την χρήση πόρων και την επαναχρησιμοποίηση νερού, βασιζόμενες α) στην τυπική περίπτωση κεντρικής φιλοσοφίας σχεδιασμού, β) στην αποκεντρωμένη και στην γ) κατανεμημένη. Οι τοπολογίες δοκιμάστηκαν σε ορίζοντα σχεδιασμού 25 ετών υπό επτά διαφορετικών σεναρίων τάσης (από μέτρια μέχρι έντονη διαταραχή) με πλήθος μεταβλητών και παραμέτρων τόσο κοινωνικο-οικονομικών όσο και υδρο-κλιματικών. Τα αποτελέσματα δείχνουν την διαφορετική συμπεριφορά που παρουσιάζουν οι τοπολογίες ως προς την ανθεκτικότητα όταν βρίσκονται σε συνθήκες εκτός προδιαγραφών, και μπορεί να αποτελέσουν έναν σημαντικό παράγοντα για την τελική επιλογή σχεδιασμού λαμβάνοντας υπόψη την μελλοντική αβεβαιότητα. Συγκεκριμένα, φαίνεται πως ο κλασσικός σχεδιασμός (BAU) υστερεί σημαντικά από τις άλλες δύο περιπτώσεις, ενώ ο πιο ριζοσπαστικός αλλά και ακριβός σχεδιασμός με πλήρως κατανεμημένη προσέγγιση (FA) είναι καλύτερος μόνο στα πιο ακραία σενάρια σε σχέση με την αποκεντρωμένη προσέγγιση (NS). Παρόλο που η εγγενής αβεβαιότητα ως προς τις μελλοντικές συνθήκες ήδη αντιπροσωπεύεται μέσω της κατάστρωσης σεναρίων, για την εκτίμηση της και την εισαγωγή της στην ποσοτικοποίηση της ίδιας της ανθεκτικότητας, χρησιμοποιείται μια στοχαστική εκτίμηση, όπου για κάθε «τύπο» σεναρίου, παράγονται πολλές διαφορετικές στοχαστικές εκβάσεις. Συνεπώς για κάθε σενάριο στο γράφημα ανεκτικότητας δημιουργείται ένα «νέφος» αποδόσεων του συστήματος. Στη συνέχεια καθίσταται δυνατή η διαμόρφωση προφίλ ανεκτικοτήτων που αντιστοιχούν σε ένα διαφορετικό ποσοστημόριο-διάστημα εμπιστοσύνης, εκτιμώντας την αβεβαιότητα στην ίδια την αξιολόγηση της ανθεκτικότητας. Στα πλαίσια της ολιστικής εκτίμησης ανθεκτικότητας υδροσυστημάτων, αναπτύχθηκε ακόμα μία μεθοδολογία σύζευξης εργαλείων κατάλληλη για την προσομοίωση ενός συστήματος «από την πηγή στην κατανάλωση». Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν τα λογισμικά UWOT (Rozos and Makropoulos 2013) για την προσομοίωση της αστικής ζήτησης, EPANET 2.2 (Rossman et al. 2020) για την υδραυλική προσομοίωση του δικτύου διανομής και Hydronomeas2020 (Karavokiros et al. 2020) για τη διαχείριση των πόρων νερού και το εξωτερικό υδραγωγείο. Για την παραγωγή στοχαστικών χρονοσειρών εισόδου, στη σύζευξη αυτή χρησιμοποιείται το λογισμικό anySim (Tsoukalas et al. 2020). Με αυτό το τρόπο σε μία ενοποιημένη προσομοίωση του αστικού συστήματος νερού ελέγχεται η επίδοση του και στην υδραυλική αλλά και στην υδρολογική αξιοπιστία του, με στοχαστικά σενάρια τάσης. Στο UWOT πραγματοποιείται προσομοίωση της κατανάλωσης νερού ανά τύπο οικίας, λαμβάνοντας υπόψη τις οικιακές συσκευές και τεχνολογίες, τον αριθμό ατόμων ανά οικία και τη συχνότητα χρήσης. Η ημερήσια ζήτηση νερού συναθροίζεται στους υδραυλικούς κόμβους του EPANET 2.2 σύμφωνα με τον αριθμό των οικιών ανά κόμβο και την αναλογία των τύπων. Η υδραυλική προσομοίωση πραγματοποιείται με καταβιβασμό της ζήτησης σε ωριαία ή άλλη κλίμακα σύμφωνα με μοτίβα κατανάλωσης, υπολογίζοντας την υδραυλική αξιοπιστία. Η παραγωγή πόσιμου νερού στις μονάδες επεξεργασίας νερού του συστήματος τίθενται στη συνέχεια ως στόχοι του συστήματος διαχείρισης υδατικών πόρων στο Hydronomeas2020, λαμβάνοντας υπόψη τις υδρολογικές μεταβλητές, την πολιτική διαχείρ

Neuropsychiatric lupus: pathogenetic and clinical aspects

Ο νευροψυχιατρικός συστηματικός ερυθηματώδης λύκος (ΝΨΣΕΛ) είναι ένα αναδυόμενο πεδίο στη φροντίδα του λύκου περιλαμβάνοντας ένα ευρύ φάσμα κλινικών εκδηλώσεων. Παρά την πρόσφατη πρόοδο, η κατανόησή μας για το NPSLE όσον αφορά τη διάγνωση, την παθογένεια και τη θεραπεία παραμένει ανεπαρκής, λόγω της περιορισμένης πρόσβασης στον εγκεφαλικό ιστό, της ποικιλομορφίας και της πολυπλοκότητας των κλινικών εκδηλώσεων και της αλληλοεπικάλυψης με νευροψυχιατρικά συμβάντα που δεν σχετίζονται με τον ΣΕΛ. Ως μέρος της διατριβής μου, δημιαούργησα την κοόρτη ΣΕΛ «Αττικόν», μια από τις μεγαλύτερες στον κόσμο με σχεδόν 800 ασθενείς και χρησιμοποίησα αυτή την κοόρτη ως ερευνητικό εργαλείο για τη μελέτη του ΝΨΣΕΛ. Σε αυτήν την κοόρτη, η νευροψυχιατρική διαταραχή ως πρωτοεμφανιζόμενη εκδήλωση ήταν παρούσα στο 11,5% των περιπτώσεων, ενώ το 17,6% των ασθενών εμφάνισε τουλάχιστον ένα πρωτογενές νευροψυχιατρικό συμβάν εώς το τέλος της παρακολούθησης. Αξίζει να σημειωθεί ότι η νευροψυχιατρική εμπλοκή κατά την έναρξη, συνδέθηκε ανεξάρτητα με τη μετάβαση από ήπια ή μέτρια νόσο σε σοβαρή νόσο. Απομυελινωτικά επεισόδια παρατηρήθηκαν στο 3,7% των ασθενών με ΣΕΛ, εξίσου κατανεμημένα σε πρωτοπαθή απομυελίνωση και επικαλυψη ΣΕΛ με πολλαπλή σκλήρυνση. Επιπλέον, διαπίστωσα ότι ένας σημαντικός αριθμός ασθενών με απομυελίνωση δεν πληρούν τα κριτήρια ούτε για πολλαπλή σκλήρυνση ούτε για ΣΕΛ και αυτοί οι ασθενείς εμφανίζουν αυτοάνοσα χαρακτηριστικά που συναντάμε στον λύκο και μπορεί να αντιπροσωπεύουν μια ξεχωριστή κλινική οντότητα, «απομυελίνωση με αυτοάνοσα χαρακτηριστικά». Στη συνέχεια, διερεύνησα τις παθογενετικές πτυχές του ΝΨΣΕΛ χρησιμοποιώντας ποντίκια NZB/W-F1 ως μοντέλο του ΝΨΣΕΛ. Αυτό το στέλεχος, στο προνεφριτιδικό στάδιο, αν και ο αιματοεγκεφαλικός φραγμός (ΑΕΦ) είναι άθικτος, εμφανίζει ελλείμματα συμπεριφοράς που σχετίζονται με τον ιππόκαμπο που ανακεφαλαιώνουν την ανθρώπινη διάχυτη νευροψυχιατρική νόσο. Αυτός ο φαινότυπος διαμεσολαβείται από διαταραγμένη νευρογένεση του ιππόκαμπου με τα αρχέγονα νευρωνικά κύτταρα (ΑΝΚ) να παρουσιάζουν αυξημένο πολλαπλασιασμό σε συνδυασμό με μειωμένη διαφοροποίηση και επιβίωση λόγω υπερβολικής απόπτωσης. Αυτό συνοδεύεται από ενεργοποίηση της μικρογλοίας προς μια φλεγμονώδη κατάσταση με αυξημένη έκκριση προφλεγμονωδών κυτοκινών και χημειοκινών. Αργότερα, στο νεφρικό στάδιο, ο διαταραγμένος ΑΕΦ επιτρέπει στα ανοσοποιητικά συστατικά του περιφερικού αίματος, ιδιαίτερα στα Β-κύτταρα, να διεισδύσουν στον ιππόκαμπο ενισχύοντας περαιτέρω τη φλεγμονή με τοπικά αυξημένα επίπεδα IL-6, IL-12, IL-18 και IL-23 . Μεταξύ αυτών των κυτοκινών, η IL-6 και η IL-18 επάγουν άμεσα την απόπτωση των ενήλικων ΑΝΚ ex vivo. Συμπερασματικά, άθικτος BBB με μικρογλοιακή ενεργοποίηση που διαταράσσει το σχηματισμό νέων νευρώνων εντός του ιππόκαμπου μεσολαβεί πρώιμες νευροψυχιατρικές αλλαγές στο NPSLE.Neuropsychiatric systemic lupus erythematosus (NPSLE) is an emerging frontier in lupus care encompassing a wide spectrum of clinical manifestations. Despite recent progress in the field, understanding of NPSLE in terms of diagnosis, pathogenesis and treatment remains deficient, because of limited access to tissue, diversity and complexity of clinical manifestations, and overlap with non-SLE related neuropsychiatric events. As part of my thesis, we established the Attikon SLE cohort, one of the largest in the world with close to 800 patients, and utilized it to study NPSLE. In this cohort, neuropsychiatric disease as presenting manifestation was present in 11.5% of patients, while 17.6% of patients exhibited at least one lupus-related neuropsychiatric event until most recent follow-up. Of note, neuropsychiatric involvement at onset, was independently associated with transition from mild/moderate to more severe disease. Demyelinating events were observed in 3.7% of SLE patients, equally distributed between primary SLE-demyelination and overlap SLE-MS. We also identified a significant number of patients with demyelination who did not fulfill criteria for either MS or SLE and these patients exhibit lupus-like autoimmune features and may represent a distinct entity, which we coined ‘demyelination with autoimmune features’. In reference to NPSLE pathogenesis, I used the NZB/W-F1 mouse model, which develops spontaneous nephritis at 6 months of age, to study neuropsychiatric disease. In this strain, at the pre-nephritic stage (age 3 months), although the blood brain barrier (BBB) remains intact, we found hippocampus-related behavioral deficits resembling human diffuse neuropsychiatric disease, including depression, anxiety, decreased cognition and impaired coordination. This phenotype is mediated by disrupted hippocampal neurogenesis, with hippocampal neural stem cells (hiNSCs) exhibiting increased proliferation combined with decreased differentiation and survival due to excessive apoptosis. This is accompanied by activation of the microglia towards an inflammatory-state with increased secretion of pro-inflammatory cytokines and chemokines. Later in the course of the disease, when mice develop nephritis (6 months) a disrupted BBB allows immune components of peripheral blood, particularly B-cells, to penetrate into the hippocampus, further enhancing inflammation with locallyincreased levels of IL-6, IL-12, IL-18 and IL-23. Among these cytokines, IL-6 and IL18 directly induce apoptosis of adult hiNSCs ex vivo, while for the remaining cytokines there are no receptors to exert effects on adult hiNSCs. Of note, in contrast to the prenephritic stage, an interferon (IFN)-α signature was present in this stage. We conclude that an intact BBB with microglial activation disrupting the formation of new neurons within the hippocampus represent early neuropsychiatric changes in NPSLE. In the NZB/W-F1 model, neuropsychiatric disease is an early event that occurs prior to generalized lupus immunologic activity. Early intervention targeting activation of microglia/inhibition of IL-6 or IL-18, or protection of neurons may be a reasonable therapeutic strategy, while in later stages IFN targeting may be more effective

Νευροψυχιατρικός λύκος: παθογενετικοί και κλινικοί παράμετροι

Neuropsychiatric systemic lupus erythematosus (NPSLE) is an emerging frontier inlupus care encompassing a wide spectrum of clinical manifestations. Despite recentprogress in the field, understanding of NPSLE in terms of diagnosis, pathogenesis andtreatment remains deficient, because of limited access to tissue, diversity andcomplexity of clinical manifestations, and overlap with non-SLE relatedneuropsychiatric events.As part of my thesis, we established the Attikon SLE cohort, one of the largest in theworld with close to 800 patients, and utilized it to study NPSLE. In this cohort,neuropsychiatric disease as presenting manifestation was present in 11.5% of patients,while 17.6% of patients exhibited at least one lupus-related neuropsychiatric event untilmost recent follow-up. Of note, neuropsychiatric involvement at onset, wasindependently associated with transition from mild/moderate to more severe disease.Demyelinating events were observed in 3.7% of SLE patients, equally distributedbetween primary SLE-demyelination and overlap SLE-MS. We also identified asignificant number of patients with demyelination who did not fulfill criteria for eitherMS or SLE and these patients exhibit lupus-like autoimmune features and mayrepresent a distinct entity, which we coined ‘demyelination with autoimmune features’.In reference to NPSLE pathogenesis, I used the NZB/W-F1 mouse model, whichdevelops spontaneous nephritis at 6 months of age, to study neuropsychiatric disease.In this strain, at the pre-nephritic stage (age 3 months), although the blood brain barrier(BBB) remains intact, we found hippocampus-related behavioral deficits resemblinghuman diffuse neuropsychiatric disease, including depression, anxiety, decreasedcognition and impaired coordination. This phenotype is mediated by disruptedhippocampal neurogenesis, with hippocampal neural stem cells (hiNSCs) exhibitingincreased proliferation combined with decreased differentiation and survival due toexcessive apoptosis. This is accompanied by activation of the microglia towards aninflammatory-state with increased secretion of pro-inflammatory cytokines andchemokines. Later in the course of the disease, when mice develop nephritis (6 months)a disrupted BBB allows immune components of peripheral blood, particularly B-cells,to penetrate into the hippocampus, further enhancing inflammation with locally increased levels of IL-6, IL-12, IL-18 and IL-23. Among these cytokines, IL-6 and IL18 directly induce apoptosis of adult hiNSCs ex vivo, while for the remaining cytokinesthere are no receptors to exert effects on adult hiNSCs. Of note, in contrast to the prenephritic stage, an interferon (IFN)-α signature was present in this stage. We conclude that an intact BBB with microglial activation disrupting the formation of new neuronswithin the hippocampus represent early neuropsychiatric changes in NPSLE. In theNZB/W-F1 model, neuropsychiatric disease is an early event that occurs prior togeneralized lupus immunologic activity. Early intervention targeting activation ofmicroglia/inhibition of IL-6 or IL-18, or protection of neurons may be a reasonabletherapeutic strategy, while in later stages IFN targeting may be more effective.Ο νευροψυχιατρικός συστηματικός ερυθηματώδης λύκος (ΝΨΣΕΛ) είναι ένααναδυόμενο πεδίο στη φροντίδα του λύκου περιλαμβάνοντας ένα ευρύ φάσμα κλινικώνεκδηλώσεων. Παρά την πρόσφατη πρόοδο, η κατανόησή μας για το NPSLE όσοναφορά τη διάγνωση, την παθογένεια και τη θεραπεία παραμένει ανεπαρκής, λόγω τηςπεριορισμένης πρόσβασης στον εγκεφαλικό ιστό, της ποικιλομορφίας και τηςπολυπλοκότητας των κλινικών εκδηλώσεων και της αλληλοεπικάλυψης μενευροψυχιατρικά συμβάντα που δεν σχετίζονται με τον ΣΕΛ. Ως μέρος της διατριβήςμου, δημιαούργησα την κοόρτη ΣΕΛ «Αττικόν», μια από τις μεγαλύτερες στον κόσμομε σχεδόν 800 ασθενείς και χρησιμοποίησα αυτή την κοόρτη ως ερευνητικό εργαλείογια τη μελέτη του ΝΨΣΕΛ. Σε αυτήν την κοόρτη, η νευροψυχιατρική διαταραχή ωςπρωτοεμφανιζόμενη εκδήλωση ήταν παρούσα στο 11,5% των περιπτώσεων, ενώ το17,6% των ασθενών εμφάνισε τουλάχιστον ένα πρωτογενές νευροψυχιατρικό συμβάνεώς το τέλος της παρακολούθησης. Αξίζει να σημειωθεί ότι η νευροψυχιατρικήεμπλοκή κατά την έναρξη, συνδέθηκε ανεξάρτητα με τη μετάβαση από ήπια ή μέτριανόσο σε σοβαρή νόσο. Απομυελινωτικά επεισόδια παρατηρήθηκαν στο 3,7% τωνασθενών με ΣΕΛ, εξίσου κατανεμημένα σε πρωτοπαθή απομυελίνωση και επικαλυψηΣΕΛ με πολλαπλή σκλήρυνση. Επιπλέον, διαπίστωσα ότι ένας σημαντικός αριθμόςασθενών με απομυελίνωση δεν πληρούν τα κριτήρια ούτε για πολλαπλή σκλήρυνσηούτε για ΣΕΛ και αυτοί οι ασθενείς εμφανίζουν αυτοάνοσα χαρακτηριστικά πουσυναντάμε στον λύκο και μπορεί να αντιπροσωπεύουν μια ξεχωριστή κλινικήοντότητα, «απομυελίνωση με αυτοάνοσα χαρακτηριστικά». Στη συνέχεια, διερεύνησατις παθογενετικές πτυχές του ΝΨΣΕΛ χρησιμοποιώντας ποντίκια NZB/W-F1 ωςμοντέλο του ΝΨΣΕΛ. Αυτό το στέλεχος, στο προνεφριτιδικό στάδιο, αν και οαιματοεγκεφαλικός φραγμός (ΑΕΦΟ είναι άθικτος, εμφανίζει ελλείμματασυμπεριφοράς που σχετίζονται με τον ιππόκαμπο που ανακεφαλαιώνουν τηνανθρώπινη διάχυτη νευροψυχιατρική νόσο. Αυτός ο φαινότυπος διαμεσολαβείται απόδιαταραγμένη νευρογένεση του ιππόκαμπου με τα αρχέγονα νευρωνικά κύτταρα(ΑΝΚ) να παρουσιάζουν αυξημένο πολλαπλασιασμό σε συνδυασμό με μειωμένηδιαφοροποίηση και επιβίωση λόγω υπερβολικής απόπτωσης. Αυτό συνοδεύεται απόενεργοποίηση της μικρογλοίας προς μια φλεγμονώδη κατάσταση με αυξημένη έκκρισηπροφλεγμονωδών κυτοκινών και χημειοκινών. Αργότερα, στο νεφρικό στάδιο, ο διαταραγμένος ΑΕΦ επιτρέπει στα ανοσοποιητικά συστατικά του περιφερικούαίματος, ιδιαίτερα στα Β-κύτταρα, να διεισδύσουν στον ιππόκαμπο ενισχύονταςπεραιτέρω τη φλεγμονή με τοπικά αυξημένα επίπεδα IL-6, IL-12, IL-18 και IL-23 .Μεταξύ αυτών των κυτοκινών, η IL-6 και η IL-18 επάγουν άμεσα την απόπτωση τωνενήλικων ΑΝΚ ex vivo. Συμπερασματικά, άθικτος BBB με μικρογλοιακήενεργοποίηση που διαταράσσει το σχηματισμό νέων νευρώνων εντός του ιππόκαμπουμεσολαβεί πρώιμες νευροψυχιατρικές αλλαγές στο NPSLE

Simulation Framework for Pipe Failure Detection and Replacement Scheduling Optimization

Identification of water network pipes susceptible to failure is a demanding task, which requires a coherent and extensive dataset that contains both their physical characteristics (i.e., pipe inner diameter, construction material, length, etc.) and a snapshot of their current state, including their age and failure history. As water networks are critical for human prosperity, the need to adequately forecast failure is immediate. A huge number of Machine Learning (ML) and AI models have been applied; furthermore, only a few of them have been coupled with algorithms that translate the failure probability into asset management decision support strategies. The latter should include pipe rehabilitation planning and/or replacement scheduling under monetary/time unit constraints. Additionally, the assessment of each decision is seldomly performed by developing performance indices stemming from simulation. Hence, in this work, the outline of a framework able to incorporate pipe failure detection techniques utilizing statistical, ML and AI models with pipe replacement scheduling optimization and assessment of state-of-the-art resilience indices via simulation scenarios is presented. The framework is demonstrated in a real-world-based case study

Stress-Testing Framework for Urban Water Systems: A Source to Tap Approach for Stochastic Resilience Assessment

Optimizing the design and operation of an Urban Water System (UWS) faces significant challenges over its lifespan to account for the uncertainties of important stressors that arise from population growth rates, climate change factors, or shifting demand patterns. The analysis of a UWS’s performance across interdependent subsystems benefits from a multi-model approach where different designs are tested against a variety of metrics and in different times scales for each subsystem. In this work, we present a stress-testing framework for UWSs that assesses the system’s resilience, i.e., the degree to which a UWS continues to perform under progressively increasing disturbance (deviation from normal operating conditions). The framework is underpinned by a modeling chain that covers the entire water cycle, in a source-to-tap manner, coupling a water resources management model, a hydraulic water distribution model, and a water demand generation model. An additional stochastic simulation module enables the representation and modeling of uncertainty throughout the water cycle. We demonstrate the framework by “stress-testing” a synthetic UWS case study with an ensemble of scenarios whose parameters are stochastically changing within the UWS simulation timeframe and quantify the uncertainty in the estimation of the system’s resilience

Resilience Assessment of Water Quality Sensor Designs under Cyber-Physical Attacks

Water distribution networks (WDNs) are critical infrastructure for the welfare of society. Due to their spatial extent and difficulties in deployment of security measures, they are vulnerable to threat scenarios that include the rising concern of cyber-physical attacks. To protect WDNs against different kinds of water contamination, it is customary to deploy water quality (WQ) monitoring sensors. Cyber-attacks on the monitoring system that employs WQ sensors combined with deliberate contamination events via backflow attacks can lead to severe disruptions to water delivery or even potentially fatal consequences for consumers. As such, the water sector is in immediate need of tools and methodologies that can support cyber-physical quality attack simulation and vulnerability assessment of the WQ monitoring system under such attacks. In this study we demonstrate a novel methodology to assess the resilience of placement schemes generated with the Threat Ensemble Vulnerability Assessment and Sensor Placement Optimization Tool (TEVA-SPOT) and evaluated under cyber-physical attacks simulated using the stress-testing platform RISKNOUGHT, using multidimensional metrics and resilience profile graphs. The results of this study show that some sensor designs are inherently more resilient than others, and this trait can be exploited in risk management practices

Stress-Testing Framework for Urban Water Systems: A Source to Tap Approach for Stochastic Resilience Assessment

Optimizing the design and operation of an Urban Water System (UWS) faces significant challenges over its lifespan to account for the uncertainties of important stressors that arise from population growth rates, climate change factors, or shifting demand patterns. The analysis of a UWS’s performance across interdependent subsystems benefits from a multi-model approach where different designs are tested against a variety of metrics and in different times scales for each subsystem. In this work, we present a stress-testing framework for UWSs that assesses the system’s resilience, i.e., the degree to which a UWS continues to perform under progressively increasing disturbance (deviation from normal operating conditions). The framework is underpinned by a modeling chain that covers the entire water cycle, in a source-to-tap manner, coupling a water resources management model, a hydraulic water distribution model, and a water demand generation model. An additional stochastic simulation module enables the representation and modeling of uncertainty throughout the water cycle. We demonstrate the framework by “stress-testing” a synthetic UWS case study with an ensemble of scenarios whose parameters are stochastically changing within the UWS simulation timeframe and quantify the uncertainty in the estimation of the system’s resilience

Fractal and Long-Memory Traces in PM₁₀ Time Series in Athens, Greece

This work examines if chaos and long memory exist in PM10 concentrations recorded in Athens, Greece. The algorithms of Katz, Higuchi, and Sevcik were employed for the calculation of fractal dimensions and Rescaled Range (R/S) analysis for the calculation of the Hurst exponent. Windows of approximately two months’ duration were employed, sliding one sample forward until the end of each utilized signal. Analysis was applied to three long PM10 time series recorded by three different stations located around Athens. Analysis identified numerous dynamical complex fractal time-series segments with patterns of long memory. All these windows exhibited Hurst exponents above 0.8 and fractal dimensions below 1.5 for the Katz and Higuchi algorithms, and 1.2 for the Sevcik algorithm. The paper discusses the importance of threshold values for the postanalysis of the discrimination of fractal and long-memory windows. After setting thresholds, computational calculations were performed on all possible combinations of two or more techniques for the data of all or two stations under study. When all techniques were combined, several common dates were found for the data of the two combinations of two stations. When the three techniques were combined, more common dates were found if the Katz algorithm was not included in the meta-analysis. Excluding Katz’s algorithm, 12 common dates were found for the data from all stations. This is the first time that the results from sliding-window chaos and long-memory techniques in PM10 time series were combined in this manner