An infrastructure such as power grids, water supply systems, oil/gas energy chain, transportation, telecommunication, etc., can be considered as a network that consists of functional components and connecting links. Furthermore, critical infrastructures are also connected and interact with each other. Therefore, a failure in a component of an infrastructure network or link propagates through the network and causes subsequent failures at the other components or links. Such chaining failures also propagate through networks of other infrastructures. Therefore, it is important to model such chaining failure between various infrastructures, analyzing the consequences and effects, identifying unexpected new failure scenarios, and designing a method of preventing such critical failure propagation.
In this thesis, we propose an object-oriented modeling method for modeling and analyzing such chaining failures between critical infrastructures. We develop common object models for nodes and links that can model interaction between various infrastructure networks. The object models are shared by different infrastructures and applications and used for various purposes such as simulation, query, and integrated state monitoring. We also present object models for interactions or interdependencies between those objects. We demonstrate the use of such common object models for simulating and analyzing failure propagation between infrastructures. As an example of such interdependency modeling results, we identified that a cascading failure in an electric power network can cause shutdowns of pumping stations of pipeline nature gas networks, power generation plants that use the gas can stop, and hence amplify the cascading failures in the power grid. We present other experimental results on chaining failures.
전력망, 상하수도망, 석유 및 가스 공급망, 교통망, 통신망 등과 같은 사회기반시설들은 기능적인 구성요소와 연결 고리로 구성된 네트워크로 이루어져 있다. 더불어 중요한 사회기반시설은은 서로 연결되어 있으므로 상호 영향을 주고 받는다. 따라서 특정한 사회기반시설 네트워크의 구성요소 중 하나가 오작동을 일으킨다면 그 피해는 동일한 사회기반시설의 다른 구성요소로 확산된다. 이러한 연쇄적인 오작동은 다른 사회기반시설 네트워크들에도 확산된다. 그러므로 다양한 사회기반시설로 피해가 확산되는 과정을 분석하고, 그 효과를 파악하며, 예측할 수 없는 피해 시나리오를 정의하여 극단적인 피해 확산을 방지할 수 있는 방법을 설계하는 것은 매우 중요하다.
본 논문에서는 중요한 사회기반시설들 사이에서 확산되는 오작동을 분석할 수 있는 모델을 객체를 활용하여 설계하는 방법을 제안하였다. 다양한 사회기반시설 네트워크들이 노드와 링크를 통하여 상호작용하는 공통 객체 모델을 개발하였다. 객체 모델은 다른 사회기반시설 네트워크들과 응용 프로그램에 공유되며, 시뮬레이션, 정보 요청, 통합적인 상태 확인 등과 같은 다양한 목적에 활용될 수 있다. 본 논문에서는 이러한 목적을 위해 상호의존적이고 상호작용을하는 객체 모델을 제안하였다. 또한, 상호의존적인 객체 모델의 예로서, 상호의존적인 가스망과 전력망에서 피해가 확산되는 과정을 파악할 수 있는 모델을 구상하고 시뮬레이션을 수행하였다. 그리고 시뮬레이션 모델을 활용하여 다양한 시나리오를 분석하고 결과를 도출하였다.
