Modelling Vulnerability, Resilience and Cascading Effects of Physical Critical Networks : Interests for the Planning and the Crisis Management of Utility Companies and Civil Safety

Abstract

Les crises se développent en temps et en espace via les liens de dépendances entre les réseaux techniques vitaux au fonctionnement de la société : on parle alors d’effets cascade. Après avoir étudié les risques d’effets cascade liés aux actions des sapeurs-pompiers, ce travail compare deux modélisations techniques de ces effets cascades : les bases de données orientée graphe - contenant des zones d’influence statiques de chaque infrastructure réseau, et le couplage faible de deux simulateurs pour obtenir des zones d’influence évolutive – approche dont ce rapport propose une méthodologie d’application. Cette thèse s’intéresse également à l’amélioration de l’évaluation des conséquences d’un scénario de crise, en proposant une modélisation de l’évolution quotidienne des densités humaines sur un territoire. Un effet cascade entre réseaux techniques est facilité par la vulnérabilité de chaque infrastructure et ralenti par la résilience de chaque système. Cette thèse soumet donc une méthode d’évaluation de la vulnérabilité et la résilience des réseaux techniques, transposable aux différents réseaux et scénarios. Elle l’applique à des scénarios détaillés proposés par les opérateurs de trois réseaux d’eau potable, et discute de son extension à d’autres réseaux techniques. Ces résultats visent à proposer à la sécurité civile une vision globale des vulnérabilités et des stratégies de résilience mises en place par les opérateurs, et permet aux opérateurs de construire des outils de suivi de leurs capacités de résilience en cas de scénarios de crise.Crisis spread spatially and temporally inside the society through dependency links between physical critical networks: these phenomena are called cascading effects. After exploring cascading effects linked to the intervention of the fire brigade, this PhD thesis compares two modelling techniques: graph oriented database incorporating static impacts zones, and coupling of simulators in order to define evolutionary impacts zones – a method for applying this latest approach is proposed. It suggests also improving the automatic assessment of consequences per crisis scenario, in modelling the variation of population density on a territory. The vulnerability of each infrastructure contributes to cascading effects but the system resilience helps to stop them. This work proposes a global method for assessing vulnerability and resilience of physical critical networks (PCN). It has been applied first on detailed scenarios proposed by three different water utility companies. This work discusses then the extension of this approach to others PCNs. These results aim at helping the civil safety institutions to have a global view of PCNs vulnerability and resilience strategies proposed by utility companies. They aim also to help utility companies to have indicators for assessing and following their weak and strength facing threats, and to better identify axes of improvement