Enhancing network resilience has been important research topic for several decades since the critical infrastructure had failed due to disaster or terrorist attack. Critical infrastructures, such as electricity grid, water sup-ply, and transportation, require a reliable system to provide a stable level of service. This thesis evaluates the resilience of air transportation system as an example, which is one of major transportation modes providing the worldwide rapid transportation.
Air transportation is known as one of a scale-free network, which has few of hubs having high degree. So it is relatively robust against failure but vulnerable to targeted attack on a hub. There are numerous studies devoted to measure node vulnerability and evaluate network robustness, however, previous studies could not consider the node capacity for evaluating overall network performance.
This thesis focuses on the network resilience, where the nodes are located in a real space and have a capacity to function, and proposes the method of quantifying network resilience using adaptive capacity concept. Proposed measurements quantify the adaptive capacity, which represent the ability of a network to replace the damaged node to other component.
Using the data from Federal Aviation Administration, the simulation demonstrates and evaluates the resilience of the US air transportation network. The simulation has two parts to measure the adaptive capacity of networks: under a single attack and a sustained attack. The results identify the susceptible nodes degrading the adaptive capacity of the network and evaluate each sub-regional network’s resilience in case of cascading node failures. Consequently, this study will help to diagnose the network resilience and contribute to plan for improving network resilience.
지난 수 십 년간, 사회기반시설들이 재난 또는 테러의 위협을 받음에 따라 시스템의 회복탄력성(Resilience)을 증대시키고자 하는 연구는 중요하게 다뤄져 왔다. 전기, 물, 교통과 같은 중요 사회기반시설들은 우리 생활에 밀접한 관련이 있기 때문에 신뢰할 수 있는 시스템으로서 언제나 일정 수준 이상의 서비스를 제공 할 수 있어야 한다. 이 논문은 중요한 교통 수단 중 하나인 항공 네트워크를 예제로 네트워크의 회복탄력성을 평가하는 방법을 제시하고자 한다.
항공 네트워크는 대표적인 척도 없는 네트워크(Scale-free network)의 한 예로써, 많은 연결을 독점하는 소수의 허브가 존재한다. 이러한 네트워크는 무작위적인 에러에는 강하지만 허브에 가해지는 인위적인 공격에는 취약한 특성을 지닌다. 그 동안 많은 연구들이 노드의 취약성(Vulnerability)을 측정하고 네트워크의 견고성(Robustness)을 평가 해 왔지만, 이전 연구들은 네트워크의 성능 수준(Performance level)을 측정하는 데 있어 노드의 용량(Node capacity)을 고려하지 못했다.
이 논문에서는 각 노드가 실제 평면상에 존재하고 각각의 용량을 갖고 있는 네트워크에 집중하여 네트워크 적응능력(Adaptive capacity)을 측정 함으로써 시스템의 회복탄력성을 수치화 할 것이다. 이 논문이 제안하는 지수들은 공격당한 노드의 일을 주변 노드들이 얼마나 잘 대체할 수 있는지 수치화를 통해 네트워크의 적응능력을 나타낸다.
이 연구는 미국 연방항공청의 공개자료를 이용하여 시뮬레이션을 구축하고 미국 항공 네트워크의 회복탄력성을 평가하고자 한다. 시뮬레이션은 네트워크의 적응능력을 측정하기 위해 노드에 가해지는 개별 공격과 연속적인 공격 상황 두 부분으로 나뉜다. 시뮬레이션 결과를 분석하여 적응성이 적은 취약한 노드를 식별하고, 연속되는 공격에 회복탄력성이 붕괴되는 지역별 국부 네트워크를 찾아 낼 것이다. 결과적으로, 이 연구는 네트워크의 회복탄력성을 진단하고 향후 회복탄력성을 강화시키는 기반을 마련할 수 있을 것이다.
