Control Systems and Computers

https://doi.org/10.15407/csc.2024.02.021

Oksanych I.M., Grechaninov V.F., Lopushanskyi A.V, Novgorodskij S.Ye., Holovskyi V.F. Integration of Different Approaches to the Modeling of Critical Infrastructure. Сontrol Systems and Computers. 2024. № 2. C.  21-34.

УДК 004.7

І.М. Оксанич, к.т.н, с.н.с., відділ Інтелектуальних інформаційно-аналітичних систем, Інститут проблем математичних машин і систем (ІПММС НАН України), ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1208-3427,
03187, м. Київ, просп. Академіка Глушкова, 42, Україна, inokc2018@gmail.com

В.Ф. Гречанінов, к.т.н., зав. відділом Інтелектуальних інформаційно-аналітичних систем, Інститут проблем математичних машин і систем (ІПММС НАН України), ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6268-3204, 03187, м. Київ, просп. Академіка Глушкова, 42, Україна, vgrechaninov@gmail.com

А.В. Лопушанський, наук. співробітник, відділ Інтелектуальних інформаційно-аналітичних систем, Інститут проблем математичних машин і систем (ІПММС НАН України), ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4840-0236, 03187, м. Київ, просп. Академіка Глушкова, 42, Україна, anatoliy.lopushanskyi@gmail.com

І.Є. Новгородський, старший науковий співробітник, Інститут проблем математичних машин і систем (ІПММС НАН України), ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6498-1819, 03187, м. Київ, просп. Академіка Глушкова, 42, Україна, stanislavnovgorodskij@gmail.com

В.Ф. Головський, старший науковий співробітник, Інститут проблем математичних машин і систем (ІПММС НАН України), ORCID: https://orcid.org/0009-0001-4959-0940, 03187, м. Київ, просп. Академіка Глушкова, 42, Україна, rusgol05@gmail.com

ІНТЕГРАЦІЯ РІЗНИХ ПІДХОДІВ ДО МОДЕЛЮВАННЯ КРИТИЧНОЇ ІНФРАСТРУКТУРИ

Вступ. Широкомасштабна війна Російської Федерації проти України, підвищення рівня терористичних загроз, а також світові тенденції до тяжких наслідків надзвичайних ситуацій природного та техногенного характеру зумовили актуалізацію питання захисту систем, об’єктів та ресурсів, які критично важливі для життєдіяльності суспільства та забезпечення національної безпеки, тобто захисту об’єктів критичної інфраструктури (КІ). Аналіз викликів та загроз, що впливають на стійкість об’єктів КІ, оцінка стану їхньої захищеності з метою виявлення та запобігання інцидентам, а також розробка комплексу заходів щодо контролю за ризиками безпеки на об’єктах КІ є першорядним завданням та проблемою в державі.

Мета статті. Метою статті є аналіз різних підходів до моделювання стійкості КІ та побудова моделі їх інтеграції для всебічного аналізу її захисту та відновлення. Предметом досліджень є система систем КІ, у склад якої входять системи енергетики, транспорту та ліквідації наслідків НС.

Результати. Проведено аналіз чотирьох підходів до моделювання стійкості КІ: агентного; мережевого; підходу, що базується на системній динаміці; економічного підходу. Розроблено структуру мультиагентної моделі системи систем КІ енергетики, транспорту та ліквідації наслідків НС. Описано вхідні та вихідні дані моделі, ролі та функції агентів. На основі розробленої мультиагентної моделі показано застосування методів системної динаміки, мережевого моделювання (заснованого на топології мережі та на потоках) та економічного моделювання. Наведено алгоритм оцінки стійкості мережі КІ при моделюванні, заснованому на потоках з урахуванням взаємозалежностей. Показано використання методу економічного моделювання «витрати – випуск».

Висновки. У результаті проведених досліджень можна дійти висновку у тому, що системи КІ та їх мережі є складними динамічними системами з безліччю зв’язків і взаємозалежностей. Кожен із розглянутих методів моделювання має свої переваги та недоліки і не може повністю описати стійкість та ризики КІ. Однак інтеграція цих методів моделювання в одну систему дає змогу провести всебічний аналіз стійкості КІ та виявити слабкі вузли з метою вкладення інвестицій для підвищення їхньої стійкості.

Результати роботи можуть бути корисними при побудові прототипу моделюючого комплексу для оцінки стійкості мереж та систем КІ до загроз з використанням різних методів моделювання.

Завантажити повний текст! (англійською)

Ключові слова: моделювання стійкості критичної інфраструктури, агентне моделювання, мережеве моделювання, методи системної динаміки.

1. Закон України «Про критичну інфраструктуру» від 16.11.2021 №1882-IX. Дата оновлення: 15.06.2022. URL: https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/1882-20#Text
2. Quyang M. Review on modeling and simulation of interdependent critical infrastructure systems. Reliability Engineering & System Safety. 121 (2014). p 43-60. https://doi.org/10.1016/j.ress.2013.06.040
3. Ani U.P.D., Watson J.D. Mck., Nurse J.R.C., Cook A., Maple C. A review of critical infrastructure protection approaches: improving security through responsiveness to the dynamic modelling landscape. Conference: Living in the Internet of Things (IoT 2019). Volume: 2019. DOI: https://doi.org/10.1049/cp.2019.0131
4. Oliva G., Panzieri S., Setola R. Modeling and simulation of critical infrastructures. WIT Transactions on State of the Art in Science and Engineering. Vol 54. WIT Press, 2012. DOI: https://doi.org/10.2495/978-1-84564-562-5/03.
5. Huang J., Cui Y., Zhang L., Tong W., Shi Y., Liu Z. An Overview of Agent-Based Models for Transport Simulation and Analysis. Journal of Advanced Transportation 2022. URL: https://doi.org/10.1155/2022/1252534
6. Thompson J. R., Frezza D., Necioglu B., Cohen M., Hoffman K., Rosfjord K. Interdependent Critical Infrastructure Model (ICIM): An agent-based model of power and water infrastructure. International Journal of Critical Infrastructure Protection. 24 (2019). p 144–165
7. Sako D.J.S, Igiri C.G., Bennet E.O., Deedam F.B. ESARS: A Situation-Aware Multi-Agent System for Real-Time Emergency Response Management. European Journal of Information Technologies and Computer Science 4, Issue 1. February 2024.
8. Mukhopadhyay A., Vazirizade S.M. Multi Agent Systems for Emergency Response. URL: https://ayanmukhopadhyay.github.io/files/talks/MultiAgentEmergency.pdf
9. Ferrario E. System-of-systems modeling and simulation for the risk analysis of industrial installations and critical infrastructures. Engineering Sciences [physics]. Ecole Centrale Paris, 2014. English. NNT : 2014ECAP0046ff. URL: https://theses.hal.science/tel-01127194/
10. Fang Y., Zio E. Game-Theoretic Decision Making for the Resilience of Interdependent Infrastructures Exposed to Disruptions. Gritzalis Dimitris; Theocharidou Marianthi; Stergiopoulos George. Critical Infrastructure Security and Resilience – Theories, Methods, Tools and Technologies, pp. 97-114. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-00024-0_6
11. Schotten R., Bachmann D. “Critical infrastructure network modelling for flood risk analyses: Approach and proof of concept in Accra, Ghana”. Journal of  Flood Risk Managemen, 2023. DOI: https://doi.org/1111/jfr3.12913
12. Zio E., Sansavini G. Modeling Interdependent Network Systems for Identifying Cascade-Safe Operating Margins. IEEE Transactions on Reliability, 60 (1), 2011. pp. 94-101. DOI: https://doi.org/1109/TR.2010.2104211
13. Newman D.E., Nkei B., Carreras B.A., Dobson I., Lynch V.E., Gradney P. Risk assessment in complex interacting infrastructure systems. In: Proceedings of the Thirty-eighth Hawaii international conference on system science. Big Island, HI, USA, 2005, pp. 63c-63c. DOI: https://doi.org/10.1109/HICSS.2005.524
14. Hellmann F., Schultz P.l, Grabow C., Heitzig J., Kurths J. Survivability: A Unifiying Concept for the Transient Resilience of Deterministic Dynamical Systems. DOI: http://arxiv.org/abs/1506.01257v1
15. Armenia S., Cardazzone A., Carlini C , Assogna P., D’Alessandro C.N. , Limone E., Brein E. A System Dynamics approach to Critical Infrastructures Interdependency Analysis: the experience of the CRISADMIN Project. In Proceedings of the 32nd International Conference of the System Dynamics Society.
16. Rodrigue J-P., Ducruet C. “The Geography of Transportation Networks”. The Geography of Transport System. Site. URL: https://www.fh777.org/index-31.html
17. NATO’s Chemical, Biological, Radiological and Nuclear (CBRN) Defence Policy. NATO, 05      2022.         URL: https://www.nato.int/cps/en/natohq/official_texts_197768.htm

Надійшла 01.05.2024