Behaviour Analysis of Interdependent Critical Infrastructure Components upon Failure

Urban life increasingly depends on intact critical infrastructures (CIs). For this reason, protecting critical infrastructure systems from natural disasters and man-made hazards has become an important topic in urban development research in recent years as a prerequisite for building and optimizing smart cities. To increase efficiency, the connections between CIs have been strengthened increasingly, resulting in highly interdependent large-scale infrastructure systems that are vulnerable to cascading failures. Hence, studying the cascading and feedback effects caused by the failure of a CI component in a given system can help strengthen this system. Understanding the response of the system in the event of a disaster can lead to better disaster management and better planning of critical infrastructures in the future. The population heavily depends on water, electricity, and the transportation network. These three components also depend on each other to function individually. This complex nature of interdependencies must be studied in order to understand the effects induced in one system due to the failure of another. The three systems (water, transport, and electricity) and their interdependencies can be modeled using graph theory. Water, transport, and electricity networks can be further broken down into smaller components. For example, the water network comprises water treatment plants, water storage tanks, pumping stations, sewage treatment, etc. interdependency factors into the model when, for instance, a pumping station depends on electricity. Graph theory can be used to depict the pairwise relationship between the individual components. Each node in the graph represents a critical infrastructure and the edges between these critical infrastructures represent their dependency. The modeled graph is a multigraph (inter-network dependency) and multidirectional (mutual dependence of two or more components). The idea behind building this model is to simulate the response of the interdependent systems upon failure. Building a simulation tool with an underlying interdependency graph model can not only help in understanding the failure response, but can also help in building a robust system for preserving the infrastructures. The data obtained from the simulation results will contribute to a better emergency response in the event of a disaster. The failure response of a system depends largely on the failed component. Hence, three cases are considered to simulate and identify the state of the system upon failure of a component: The failed component can be a node with maximum outward dependencies, a node with maximum inward dependencies, or a random failure of a component. If a component has the maximum number of outward edges, the simulation tool will help visualize the cascading effects, whereas a system with the maximum number of incoming edges will contribute to the understanding of the feedback response as the outward nodes are not affected immediately. Another goal of CI failure analysis is to develop an algorithm for the partial restoration of specific critical services when a CI is not working at full capacity. The selection of critical infrastructure components for restoration is based on the number of people being affected

Achse

Achsen, oft als Entwicklungsachsen bezeichnet, sind in der räumlichen Planung Korridore mit einer guten Infrastrukturausstattung zur Verbindung zentraler Orte. Das bisher zum Freiraumschutz verfolgte Prinzip der Trassenbündelung ist wegen der damit verbundenen Bündelung von Risiken zu hinterfragen

Leitthema Daseinsvorsorge

Die Konzentration der Daseinsvorsorgeeinrichtungen sowie die Zuordnung derselben zu den Siedlungsbereichen sind angesichts des demografischen Wandels wichtige Maßnahmen zur Sicherung der Tragfähigkeit der Daseinsvorsorge sowie der Erreichbarkeit der Standorte. Der Beitrag beschreibt anhand einiger Beispiele, wie durch eine enge Kooperation von Regionalplanung und Bauleitplanung eine konkrete und detaillierte Steuerung der Siedlungsentwicklung und der Standorte für zentralörtliche Einrichtungen möglich ist. Damit wird ein Ansatz beschrieben, wie die im LEP-Entwurf für NRW aus 2013 angesprochenen und durch die Regionalplanung zu bestimmenden zASB erarbeitet werden können, um eine integrierte überörtliche Steuerungsstrategie umzusetzen.In the context of demographic change, it is important to concentrate public services and assign them to general residential areas in order to safeguard the viability of the services and the accessibility of the facilities. By using examples of good practice, the article describes how to steer settlement development and the locations of central public facilities by close cooperation between regional planning and local urban land-use planning. This provides an example of how to establish an integrated regional steering strategy for the development of general residential areas with significant central-place functions ("zASB"), as requested in the new draft State Development Plan for North Rhine-Westphalia from 2013

Leitthema Verkehr

Mit der "Richtlinie für die integrierte Netzgestaltung" (RIN) werden Zielvorgaben für die Erreichbarkeit und die Verbindungsqualitäten zwischen Zentralen Orten sowie innerhalb von Städten formuliert. Die RIN beschreibt damit eine zielführende Vorgehensweise für eine raumordnerische und eine strategische Planung sowie eine Klassifizierung von Verkehrsnetzen. Der Beitrag beschreibt die Vorgehensweise sowie die wesentlichen Ziele und Qualitätskriterien und gibt ein Anwendungsbeispiel für die Raumplanung.The German "Directive for Integrated Network Planning" (RIN) formulates targets for accessibility and connectivity between central places and within cities. RIN describes a good practice spatial planning approach and the strategic planning and classification of transportation networks. The article describes the approach, the main targets and quality criteria, and an example from spatial planning

Stuttgart 21: Bahnknoten und Flughafenanbindung

Mit dem Vorhaben "Stuttgart 21" plant die Deutsche Bahn AG seit Anfang der 1990er Jahre die Umgestaltung des Bahnknotens Stuttgart und die Errichtung einer Neubaustrecke zur Anbindung des Flughafens Stuttgart. Das Projekt erreichte durch ausgeprägte Bürgerproteste in den Jahren 2010/2011 bundesweite Bekanntheit. Der folgende Beitrag skizziert die mehrjährige Planungsgeschichte dieses Infrastrukturprojekts und geht dabei insbesondere auf das Raumordnungsverfahren ein, das in den Jahren 1996/1997 durch das Regierungspräsidium Stuttgart durchgeführt wurde. Dieses Verfahren bot Kommunen, Verbänden und Öffentlichkeit eine frühe Möglichkeit der Beteiligung und Mitwirkung: So brachten etwa Bürgerinitiativen und der Verband Region Stuttgart verschiedene Vorhabenvarianten und Verbesserungsvorschläge ein. Die Raumordnungsbehörde griff diese in Teilen auf und legte als Auflage u. a. eine deutlich geänderte Streckenführung Richtung Flughafen und Neue Messe fest, um die Zerschneidung und Flächeninanspruchnahme im Filderraum zu reduzieren. Dass die frühe Beteiligungschance den späteren Bürgerprotesten nicht vorbeugen konnte, lässt sich u. a. mit dem langen Zeitraum von 15 Jahren erklären, der zwischen Raumordnungsverfahren und Baubeginn verstrich.With the "Stuttgart 21" project the Deutsche Bahn AG has been planning the redesign of the rail node in Stuttgart and the construction of a new link to Stuttgart airport since the beginning of the 1990s. The project became known all over Germany due to large public protests held in 2010/2011. This paper outlines the planning history of this infrastructure, which has spanned many years, and focuses particularly on the spatial planning procedure that was carried out by the Stuttgart Regional Authority in 1996/1997. This procedure gave municipalities, associations and the public a timely opportunity to participate and contribute. Citizens' initiatives and the Verband Region Stuttgart presented various options and proposed improvements. The spatial planning authorities incorporated parts of these proposals and stipulated, e. g., a significantly modified route for the link to the airport and new exhibition centre, thus reducing the fragmentation and land consumption in the Filder region. The fact that this early opportunity for participation could not prevent the later public protests can largely be explained by the long period of time - 15 years - that elapsed between the spatial planning procedure and the start of construction work

Hintergrund und Ziele

Die Regionalplanung ist in der Vergangenheit häufiger einem inhaltlichen und prozessualen Wandel ausgesetzt gewesen und hat diesen seit ihrer Einführung mit dem Bundes-Raumordnungsgesetz im Jahre 1965 stets erfolgreich bewältigt. Ausgelöst durch neue inhaltliche und prozessuale Herausforderungen stellt sich die Frage, wie die Regionalplanung in einem sich wandelnden sowie von Deregulierung und Liberalisierung geprägten Umfeld weiterzuentwickeln ist, um durch ihre Stärken zum Wohle der Allgemeinheit beitragen zu können. Dabei soll sie die Ordnungsfunktion und die Entwicklungsaufgabe gleichermaßen gut erfüllen und zur Herausbildung weicher Standortfaktoren und einer regionalen Identifikation beitragen. Insbesondere die intensive Einbindung der Akteure sowie eine stärkere Verzahnung von Leitbildern, Plänen und Umsetzung sind dazu wichtige Bestandteile. Gleichzeitig ist eine strategische, d. h. zielbezogene und konzeptgestützte Steuerung in den regionalspezifisch wichtigen Handlungsfeldern erforderlich. Dieses wird anhand nationaler und europäischer Fallbeispiele herausgearbeitet und analysiert.Ever since its introduction in the Federal Republic of Germany in the form of the Spatial Planning Act of 1965, regional planning has often faced changes affecting the nature of both its subject matter and processes. Such changes have always been successfully tackled. Triggered by new challenges affecting both subject matter and process, the question now arises as to how regional planning should be further developed. In a changing environment characterised by deregulation and liberalisation, how should the strengths of regional planning be used to contribute to the common good? The aim is that the regional planning tasks of both regulation and development be equally well fulfilled and that regional planning should contribute to the emergence of soft locational factors and a regional identity. In particular, the significant involvement of actors and a better integration of guiding principles, plans and implementation are the most important elements here. At the same time, a strategic – that is, goal oriented and concept based – management in regionally specific fields of action is necessary. This is discussed and analysed using national and European examples

Veränderte Rahmenbedingungen für Ver- und Entsorgungssysteme aufgrund gesellschaftlicher und politischer Entwicklungen

Die Herausforderungen, die sich aus dem demographischen Wandel, dem Klimawandel sowie der kommunalen Finanzkrise ergeben, betreffen zentrale Anforderungen an die technische Infrastruktur. Aufgrund ihrer hohen Kosten und der Kapitalbindung sowie ihrer langen Lebensdauer ist ein hohes Maß an Planungssicherheit für die Dimensionierung und den Betrieb erforderlich. Infolge der absehbaren Entwicklungen treten massive Veränderungen der Rahmenbedingungen ein, die die Planungssicherheit spürbar einschränken und fundierte Szenarienbetrachtungen erfordern. Auf die Raumplanung als querschnittsorientierter und langfristig agierender Planungsdisziplin kommen vor diesem Hintergrund neue Steuerungsaufgaben zu, die in dem Beitrag dargestellt werden. Diese umfassen insbesondere die Steuerung der Siedlungsentwicklung, die Flächenfreihaltung zur Frischluftversorgung und den vorbeugenden planerischen Hochwasserschutz.The challenges emanating from demographic change, the changing climate and the municipal fi nancial crisis are impacting on central demands on the technical infrastructure. Due to the high cost and capital commitment as well as the long service life, a high degree of certainty in planning for dimensioning and operation is imperative. The consequences of anticipated developments will seriously impact the framework conditions, palpably increasing planning uncertainties and demanding sound scenario analyses. Against this backdrop, spatial planning – which is a planning discipline based on long-term and average fi gures – is faced with new control responsibilities which this paper discusses. These comprise especially control of residential development, maintenance of open spaces to ensure fresh air and preventive planning of protection from floods

Zentraler Versorgungsbereich

Zentrale Versorgungsbereiche bezeichnen Standorte auf der lokalen Ebene, an denen Einrichtungen der Daseinsvorsorge gebündelt sind oder werden sollen. Auf der Ebene der Regionalplanung können damit auch Standorte für den großflächigen und überörtlich wirkenden Einzelhandel gesteuert werden

Deutschland: Region Mittleres Mecklenburg/Rostock

Die Region Mittleres Mecklenburg/ Rostock liegt im Nordosten Deutschlands zwischen den Metropolregionen Hamburg, Berlin und Kopenhagen/Malmö. Sie ist das wirtschaftliche und wissenschaftliche Zentrum des Bundeslandes Mecklenburg-Vorpommern und besitzt mit Rostock den wichtigsten Standort der maritimen Wirtschaft Mecklenburg-Vorpommerns. Die in dem Beitrag skizzierten Beispiele und Handlungsansätze einer nachhaltigen strategischen Regionalentwicklungspolitik zeigen, wie aus den Gunstfaktoren der geographischen Lage sowie den ökonomischen Herausforderungen eine Verzahnung von Leitbild, politischer Positionierung und regionalplanerischen Festlegungen entstehen kann, bis hin zu einem aktiven und fokussierten Regionalmanagement. Insbesondere die Positionierung als "Regiopole" soll eine besondere Marke für die Region im Rahmen der Metropolendiskussion erzeugen und für eine nationale und internationale Positionierung genutzt werden.The region of Central Mecklenburg/Rostock lies in the north-east of Germany between the metropolitan regions of Hamburg, Berlin and Copenhagen/Malmo. The region is the economic and academic centre of the federal state Mecklenburg-Western Pomerania, while Rostock itself is the most important location for the state’s maritime economy. The paper outlines various examples and approaches related to sustainable strategic regional development policy. These demonstrate how favourable factors related to geographical situation and economic challenges can lead to interlinking between guiding principle, political positioning and regional planning stipulations, resulting in active and focused regional management. In particular, positioning as a regional metropolis - "Regiopole" - should give the region a recognisable branding in the context of the metropolis discussion and is to be used for national and international positioning

Schweden: Region Stockholm

In der Region Stockholm ist eine kommunal verfasste Institution (Stockholm Läns Landsting) für die Regionalplanung verantwortlich. Der Ende 2010 abgeschlossene Aufstellungsprozess für einen neuen Regionalplan war deutlich stärker kommunikations- und diskursbestimmt als der seines Vorgängers. Als Grundlage für die planerische Arbeit wurde die Vision entwickelt, Stockholm zur attraktivsten Großstadtregion Europas zu entwickeln. Daraus wurden vier Ziele und sechs zentrale Strategien abgeleitet. Räumlich konkrete Festlegungen erfolgen für die Raum- und Siedlungsstruktur sowie das Transportsystem, wobei die enge Verbindung zwischen Strategien und regionalplanerischen Festlegungen zu betonen ist. Trotz hoher Bereitschaft der regionalen Akteure zu informellen Vereinbarungen muss jedoch die fehlende planungsrechtliche Verbindlichkeit des Regionalplans kritisch gesehen werden.In the Stockholm region an institution (Stockholm Läns Landsting) based on municipal authority is responsible for regional planning. The process of preparing the new regional plan was concluded at the end of 2010 and was clearly more determined by communication and discourse than its predecessor. The basis for the planning work was the development of a vision that saw Stockholm being developed to the most attractive city region in Europe. Four goals and six central strategies were derived from this vision. Spatially concrete stipulations affecting spatial and settlement structure and the transport system followed. The close connection here between strategies and regional planning stipulations is to be emphasised. However, despite the high level of willingness among regional actors to reach informal agreements, the failure of the regional plan to be legally binding must be viewed critically