Critical infrastructure protection by advanced modelling, simulation and optimization for cascading failure mitigation and resilience

par Yiping Fang

Thèse de doctorat en Génie industriel

Sous la direction de Enrico Zio.

Le président du jury était Stéphane Andrieux.

Le jury était composé de Enrico Zio, Giovanni Sansavini, Roberto Setola, Georgios N Giannopoulos.

Les rapporteurs étaient Giovanni Sansavini, Roberto Setola.

  • Titre traduit

    Protection des Infrastructures Essentielles par Advanced Modélisation, simulation et optimisation pour l’atténuation et résilience de défaillance en cascade


  • Résumé

    Sans cesse croissante complexité et l'interdépendance des infrastructures critiques modernes, avec des environs de risque plus en plus complexes, posent des défis uniques pour leur exploitation sûre, fiable et efficace. L'objectif de la présente thèse est sur la modélisation, la simulation et l'optimisation des infrastructures critiques (par exemple, les réseaux de transmission de puissance) à l'égard de leur vulnérabilité et la résilience aux défaillances en cascade. Cette étude aborde le problème en modélisant infrastructures critiques à un niveau fondamental, en se concentrant sur la topologie du réseau et des modèles de flux physiques dans les infrastructures critiques. Un cadre de modélisation hiérarchique est introduit pour la gestion de la complexité du système. Au sein de ces cadres de modélisation, les techniques d'optimisation avancées (par exemple, non-dominée de tri binaire évolution différentielle (NSBDE) algorithme) sont utilisés pour maximiser à la fois la robustesse et la résilience (capacité de récupération) des infrastructures critiques contre les défaillances en cascade. Plus précisément, le premier problème est pris à partir d'un point de vue de la conception du système holistique, c'est-à-dire certaines propriétés du système, tels que ses capacités de topologie et de liaison, sont redessiné de manière optimale afin d'améliorer la capacité de résister à des défaillances systémiques de système. Les deux modèles de défaillance en cascade topologiques et physiques sont appliquées et leurs résultats correspondants sont comparés. En ce qui concerne le deuxième problème, un nouveau cadre est proposé pour la sélection optimale des mesures appropriées de récupération afin de maximiser la capacité du réseau d’infrastructure critique de récupération à partir d'un événement perturbateur. Un algorithme d'optimisation de calcul pas cher heuristique est proposé pour la solution du problème, en intégrant des concepts fondamentaux de flux de réseau et le calendrier du projet. Exemples d'analyse sont effectués en se référant à plusieurs systèmes de CI réalistes.


  • Résumé

    Continuously increasing complexity and interconnectedness of modern critical infrastructures, together with increasingly complex risk environments, pose unique challenges for their secure, reliable, and efficient operation. The focus of the present dissertation is on the modelling, simulation and optimization of critical infrastructures (CIs) (e.g., power transmission networks) with respect to their vulnerability and resilience to cascading failures. This study approaches the problem by firstly modelling CIs at a fundamental level, by focusing on network topology and physical flow patterns within the CIs. A hierarchical network modelling technique is introduced for the management of system complexity. Within these modelling frameworks, advanced optimization techniques (e.g., non-dominated sorting binary differential evolution (NSBDE) algorithm) are utilized to maximize both the robustness and resilience (recovery capacity) of CIs against cascading failures. Specifically, the first problem is taken from a holistic system design perspective, i.e. some system properties, such as its topology and link capacities, are redesigned in an optimal way in order to enhance system’s capacity of resisting to systemic failures. Both topological and physical cascading failure models are applied and their corresponding results are compared. With respect to the second problem, a novel framework is proposed for optimally selecting proper recovery actions in order to maximize the capacity of the CI network of recovery from a disruptive event. A heuristic, computationally cheap optimization algorithm is proposed for the solution of the problem, by integrating foundemental concepts from network flows and project scheduling. Examples of analysis are carried out by referring to several realistic CI systems.


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